nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước

1
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 4
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 5
Chương 1 - TỔNG QUAN ......................................................................................... 6
1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt ....................................................................... 6
1.1.1 Than hoạt tính .............................................................................................. 6
1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ........................................................ 9
1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt ...................................................................... 12
1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính ................................................... 13
1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp ........................................................................... 16
1.2.2 Trung hòa kiềm ........................................................................................... 18
1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ ......................... 19
1.3.1 Tính axit bề mặt của cacbon. ...................................................................... 20
1.3.2 Tính kị nước ............................................................................................... 20
1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực ............................................................................ 21
1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch ....................................................................... 23
1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên. ..................................................................................... 24
1.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than ....................................................................... 25
1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính .......................................................................... 29
1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính bằng N
2
.......................................................... 30
1.5.2 Biến tính bề mặt than bằng halogen ............................................................ 31
1.5.3 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa. ............................................ 31
1.5.4 Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm ....................................................... 33


2

Chương 2 - THỰC NGHIỆM .................................................................................. 35
2.1 Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 35
2.2 Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................... 35
2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu. ....................................... 35
2.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 36
2.4.1 Phương pháp biến tính than hoạt tính ......................................................... 36
2.4.2. Phương pháp khảo sát các đặc trưng của than biến tính ............................ 37
2.4.3. Phương pháp xác định các ion trong dung dịch ......................................... 40
2.5 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu ........................................ 43
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 45
3.1 Oxi hóa than hoạt tính ở nhiệt độ thường .......................................................... 45
3.1.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than hoạt tính ................................. 45
3.1.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính được oxi hóa trong các
khoảng thời gian khác nhau ................................................................................ 45
3.1.3 Trung hòa than oxi hóa bằng NaOH .......................................................... 47
3.1.4 Khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính với các nồng độ axit
khác nhau ............................................................................................................ 49
3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của than được biến tính ở nhiệt độ 70
0
C. ..... 53
3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của than oxi hóa bằng HNO
3
ở nhiệt độ 100
0
C ....... 55
3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ một số kim loại nặng của than biến tính ................. 58
3.4.1.Khả năng hấp phụ Mangan......................................................................... 58
3.4.2. Khả năng hấp phụ cadimi (Cd
2+
) ............................................................... 60

3.5 Xác định một số đặc trưng của than biến tính .................................................... 61
3.5.1 Xác định diện tích bề mặt riêng của than .................................................... 61


3
3.5.2 Xác định các nhóm chức có thể có trên bề mặt các loại than ...................... 64
3.5.3 Xác định tổng số tâm axit trên bề mặt than ................................................. 65
3.5.4 Khảo sát pHpzc của các loại than. .............................................................. 68
3.5.5 Bước đầu nghiên cứu cơ chế hấp phụ amoni của than biến tính .................. 69
3.6 Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng mô hình động .......................................... 72
3.6.1 Khảo sát khả năng trao đổi của than biến tính với amoni ........................... 72
3.6.2 Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu....................................................... 73
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 77



4
LỜI CẢM ƠN


Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Trần
Hồng Côn đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí báu trong
quá trình nghiên cứu.
Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm.
Chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm
hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn.
Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản
thân, sự giúp đỡ của những người xung quanh, đặc biệt là những người thầy, đồng

nghiệp đã đóng góp một phần không nhỏ trong nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


Học viên cao học




Trịnh Xuân Đại





5
LỜI MỞ ĐẦU


Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nước nói chung và nguồn nước sinh hoạt nói
riêng bởi các cation kim loại nặng là vấn đề toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất
lượng cuộc sống ngày càng cao.
Theo các phương tiện thông tin đại chúng gần đây đưa tin, người dân Hà nội
đang sử dụng các nguồn nước ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm amoni, ngay cả nguồn nước
của các nhà máy nước, hàm lượng amoni xác định được cũng vượt chỉ tiêu cho phép
đến 6 lần hoặc cao hơn.
Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước. Tuy nhiên, ứng dụng
của nó trong xử lý nước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một số
các thành phần không phân cực có hàm lượng nhỏ trong nước.
Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong việc xử lý

nước sinh hoạt, đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là loại bỏ các cation và anion
trong nước; chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt
tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước”.


6
Chương 1 - TỔNG QUAN


1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt của than hoạt tính
1.1.1 Than hoạt tính
Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than
hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó
có diện tích bề mặt rất lớn.
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước.
Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụ
cho mục đích chữa bệnh. Người Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng
cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng
năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường. Than hoạt tính này được sản
xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có
mặt của hơi nước hoặc CO
2
. Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ
nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm[5].
Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho nhiều
mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ
trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong
kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm
sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha
khí. Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng,

bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng được biết đến trong
nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số
bệnh nhất định.
Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85 –
95%. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu
huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu


7
hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành
phần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, 6 –
7% O. Tuy nhiên hàm lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 - 20% phụ
thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế. Than hoạt tính thường có diện
tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m
2
/g và thể tích lỗ xốp từ 0.2 đến 0.6cm
3
/g.
Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm.
Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô
chứa cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000
0
C.
Quá trình điều chế gồm 2 bước: Than hóa ở nhiệt độ dưới 800
0
C trong môi
trường trơ và sự hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950
0
–
1000

0
C.
Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về dạng
cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than,
chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than.
Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [13].
Quá trình than hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu hầu như luôn luôn là hệ phân
tử lớn do sự tổng hợp hoặc quá trình tự nhiên. Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách
tăng nhiệt độ xử lý, quá trình xảy ra cùng với sự giải phóng khí và chất lỏng có khối
lượng phân tử thấp. Do đó, than thu được là dạng khác của nguyên liệu ban đầu có thể
lớn hơn hoặc nhỏ hơn hình dạng ban đầu nhưng nó có tỷ trọng thấp hơn. Khi tăng nhiệt
độ xử lý sẽ tạo ra cấu trúc trung gian bền hơn. Trong quá trình than hóa, khi hệ đại
phân tử ban đầu phân hủy, các nguyên tử cacbon còn lại trong mạng đại phân tử di
chuyển khoảng ngắn (có thể < 1nm) trong mạng tới vị trí bền hơn, thậm chí tạo ra
mạng các nguyên tử cacbon(có hydro liên kết với nó). Thành phần của nguyên liệu ban
đầu khác nhau sẽ phân hủy theo những cách riêng, tạo ra các dạng than khác nhau.
Khoảng cách (kích thước nguyên tử) được mở ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử


8
khác, sự di trú của nguyên tử cacbon và các liên kết của chúng tạo ra mạng xốp có
thành phần là các nguyên tử cacbon. Mỗi loại than có đặc trưng xốp khác nhau.
Than hóa trong pha lỏng: Các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo
thành cacbon có thể graphit hóa về cơ bản là than không xốp. Do đó để tạo ra một loại
than xốp từ những nguyên liệu này cần 1 phản ứng tác động lên các lớp graphen. Quá
trình than hóa trong pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với trong pha rắn. Bằng sự than
hóa pha lỏng, dạng có thể graphit hóa được tạo thành.
Cacbon hóa trong pha khí cần phải được kiểm soát cẩn thận nguồn nguyên liệu
đầu vào. Nguyên liệu có thể là metan, propan hoặc benzen nhưng quan trọng nhất là
quá trình cacbon hóa (bẻ gãy hoặc nhiệt phân) nguyên liệu khí ở áp suất tương đối thấp

thường được pha loãng với khí heli. Mảnh vỡ từ quá trình nhiệt phân nguyên liệu ban
đầu tương tác với chất nền thích hợp và bằng một cơ chế bao gồm sự chuyển động các
nguyên tử cacbon, cấu trúc phiến 6 cạnh của graphit được hình thành [13].
Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của
nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước
khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt [24]. Có thể hoạt hóa bằng
phương pháp hóa học hoặc bằng hơi nước.
Hoạt hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho hoạt hóa than gỗ. Phương pháp này
khác với hoạt hóa bằng hơi; trong đó quá trình than hóa và quá trình hoạt hóa xảy ra
đồng thời. Nguyên liệu thô thường sử dụng là gỗ được trộn với chất hoạt hóa và chất
hút nước thường được sử dụng là axit photphoric hoặc ZnCl
2
. Sự hoạt hóa thường xảy
ra ở nhiệt độ 500
0
C, nhưng đôi khi cũng có khi lên tới 800
0
C. Axit photphoric làm cho
gỗ phình ra và mở cấu trúc cenlulose của gỗ. Trong suốt quá trình hoạt hóa axit
photphoric hoạt động như 1 chất ổn định và đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại.
Kết quả là than rất xốp và chứa đầy axit photphoric. Sau đó than được rửa và tiếp tục
bước sản xuất tiếp theo.


9
Hoạt hóa bằng hơi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc từ than
bùn, than đá, gáo dừa, gỗ… Trước hết nguyên liệu thô được chuyển hóa thành cacbon
bằng nhiệt.
Khi than đá được sử dụng làm nguyện liệu trong hoạt hóa, hơi nước ở 130
0

C
được thổi vào ở nhiệt độ khoảng 1000
0
C. Một số túi khí trở thành dòng khí và thoát ra
khỏi lỗ xốp. Hình thức này phụ thuộc lớn vào nguyên liệu được sử dụng. Một nguyên
liệu cứng như là gáo dừa tạo ra nhiều lỗ nhỏ trong khi nguyện liệu mềm như than bùn
luôn tạo ra nhiều lỗ trung.
Nếu tiếp tục thổi hơi nước trong 1 thời gian dài, nhiều hơn rất nhiều các túi khí
tạo thành dòng khí và để lại các lỗ trống. Đầu tiên chúng ta thu được lỗ nhỏ. Khi tiếp
tục quá trình, xung quanh túi khí cũng chuyển thành khí và lỗ xốp phát triển thành lỗ
trung và nếu tiếp tục thì sẽ tạo thành lỗ lớn. Do đó, ta không nên kéo dài quá trình hoạt
hóa.
Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tất
nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu
được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa. Trong quá trình
hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và bay
hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu. Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với
nhau thành các lớp thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp
thơm này không tuân theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp. Các chỗ
trống này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời.
1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính[5]
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết
ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển.
Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm
3
) và mức độ graphit hóa thấp. Cấu
trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình
hoạt hóa, khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống

10
giữa các tinh thể. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ. Cấu
trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất
nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa. Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không
phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạt hóa
và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp. Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở
rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa
các lỗ cạnh nhau được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển
và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ.
Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt
cháy (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt tính lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn
hơn 75% . Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc
lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ.
Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc trưng
bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình
dạng khác nhau. Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác về hình dạng của lỗ
xốp. Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của lỗ, các phương pháp
này đã xác định than thường có dạng mao dẫn mở cả hai đầu hoặc có một đầu kín,
thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác.
Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một cách
phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của
chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính
của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.
Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn
2nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không xảy
ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so
với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện
nhau của vi lỗ. Nói chung chúng có thể tích lỗ từ 0.15 – 0.7cm
3
/g. Diện tích bề mặt

11
riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính. Dubinin còn đề
xuất thêm rằng cấu trúc vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 cấu trúc vi lỗ bao gồm các vi lỗ
đặc trưng với bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 0.6 – 0.7nm và siêu vi lỗ với bán kính hiệu
dụng từ 0.7 đến 1.6nm. Cấu trúc vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hấp
phụ khí và hơi và công nghệ tia X.
Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ 2
đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0.1 đến 0.2cm
3
/g. Diện tích bề mặt của lỗ này
chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc
biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt
được từ 0.2 – 0.65cm
3
/g và diện tích bề mặt của chúng đạt 200m
2
/g. Các lỗ này đặc
trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất
lỏng bị hấp phụ.
Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than
hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0.5m
2
/g. Chúng
có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng 500- 2000nm với thể tích
lỗ từ 0.2 – 0.4cm
3
/g. Chúng hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ
nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản.

Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và
lỗ lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ nhỏ
chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của
than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào
lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ
mao quản. Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với sự xảy ra
ngưng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ
nhỏ hơn




12
1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt[5]
Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học. Tuy nhiên,
hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ sở ít hơn nhiều so với tâm ở cạnh hay ở
các vị trí khuyết. Do đó, cacbon được graphit hóa cao với bề mặt đồng nhất chứa chủ
yếu mặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vô định hình. Grisdale và Hennig thấy rằng tốc
độ oxy hóa của nguyên tử cacbon ở tâm nằm ở cạnh lớn hơn 17 đến 20 lần ở bề mặt cơ
sở.
Bên cạnh cấu trúc tinh thể và cấu trúc lỗ xốp, than hoạt tính cũng có cấu trúc
hóa học. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý và lỗ
xốp của chúng nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học. Thành phần quyết
định của lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần không tập trung của lực Van der
Walls. Trong graphit, quá trình hấp phụ được quyết định chủ yếu bởi thành phần phân
tán của lực London. Trong trường hợp than hoạt tính, sự phức tạp của các cấu trúc vi
tinh thể, do sự có mặt của các lớp graphit cháy không hoàn toàn trong cấu trúc, gây ra
biến đổi về sự sắp xếp các electron trong khung cacbon và kết quả là tạo ra các electron
độc thân và hóa trị không bão hòa điều này ảnh hưởng đến đặc điểm hấp phụ của than
hoạt tính đặc biệt là đối với các hợp chất phân cực và có thể phân cực.

Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng có thể xác định oxy và
hydro. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở thành
một phần cấu trúc hóa học là kết quả của quá trình than hóa không hoàn hảo hoặc trở
thành liên kết hóa học với bề mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử
lý sau đó. Cũng có trường hợp than đã hấp phụ các loại phân tử xác định như amin,
nitrobenzen, phenol và các loại cation khác.
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại hoặc các loại
phân tử được liên kết với cạnh hoặc góc của các lớp thơm hoặc với các nguyên tử
cacbon ở các vị trí khuyết làm tăng các hợp chất cacbon – oxy, cacbon – hydro, cacbon
– nitrơ, cacbon – lưu huỳnh, cacbon – halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là


13
các nhóm bề mặt hoặc các phức bề mặt. Các nguyên tử khác loại này có thể sáp nhập
trong lớp cacbon tạo ra hệ thống các vòng khác loại. Do các cạnh này chứa các tâm hấp
phụ chính, sự có mặt của các hợp chất bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc
tính bề mặt và đặc điểm của than hoạt tính.
1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính[5]
Nhóm cacbon – oxy bề mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc
trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính acid, và đặc điểm hóa lý như khả
năng xúc tác, dẫn điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này. Thực tế, oxy đã kết
hợp thường được biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số
lĩnh vực ứng dụng nhất định. Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đến khả năng hấp phụ
nước và các khí và hơi có cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụ chất điện phân, lên than
sử dụng làm chất lọc trong cao su và nhựa, lên độ nhớt của graphit cũng như lên tính
chất của nó khi là một thành phần trong phản ứng hạt nhân. Trong trường hợp của sợi
cacbon, nhóm bề mặt quyết định khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và
sau đó là đặc điểm vật liệu composite. Theo Kipling, các nguyên tử oxy và hydro là
những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, và bề mặt của
vật liệu này được nghiên cứu như một bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính chất

bằng nguyên tử oxy.
Mặc dù việc xác định số lượng và bản chất của các nhóm hóa học bề mặt này
bắt đầu từ hơn 50 năm trước, bản chất chính xác của nhóm chức vẫn còn chưa được
chứng minh đầy đủ. Những chứng cứ đã được đưa ra từ các nghiên cứu khác nhau sử
dụng các công nghệ khác nhau vì bề mặt cacbon là rất phức tạp và khó mô phỏng. Các
nhóm chức bề mặt không thể được xử lý như các chất hữu cơ thông thường vì chúng
tương tác khác nhau trong môi trường khác nhau. Phổ eletron cho phân tích hóa học
cho thấy sự chuyển đổi bất thuận nghịch của chức bề mặt xảy ra khi các phương pháp
hóa học hữu cơ cổ điển được sử dụng để xác định và chứng minh chúng. Do đó người
ta mong rằng việc áp dụng của nhiều công nghệ tinh vi hơn như phổ FTIR, XPS, NMR


14
và nghiên cứu lượng vết phóng xạ sẽ góp phần quan trọng để hiểu biết chính xác hơn
về các nhóm hóa học bề mặt này.
Than hoạt tính có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấp thụ hóa học này
và nhiều các phản ứng của chúng xảy ra do xu hướng này. Ví dụ, than hoạt tính có thể
phân hủy các khí oxy hóa như ozone và oxit của nitơ. Chúng cũng phân hủy dung dich
muối bạc, halogen, sắt(III)clorua, KMnO
4
, amonipersunfat, axit nitric…Trong mỗi
trường hợp, có sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt.
Than hoạt tính cũng có thể được oxy hóa bằng nhiệt trong không khí, CO
2
hoặc oxy.
Bản chất và lượng nhóm oxy - cacbon bề mặt tạo thành từ các sự oxy hóa khác nhau
phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó, bản chất
chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình.
Phản ứng của than hoạt tính với oxi ở nhiệt độ dưới 400
0

C chủ yếu tạo ra sự
hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt, khi ở nhiệt độ trên
400
0
C, sự phân hủy hợp chất bề mặt và khí hóa cacbon là các phản ứng trội hơn hẳn.
C + O2 C(O) (<400
0
C) sự tạo thành hợp chất bề mặt
C + O2 CO + CO
2
(>400
0
C) Sự khí hóa
C(O) CO + CO
2
(>400
0
C) Sự phân hủy hợp chất bề mặt
Trong trường hợp sự oxy hóa xảy ra trong dung dịch, phản ứng chính là sự tạo
thành hợp chất bề mặt, mặc dù một vài quá trình khí hóa cũng có thể xảy ra phụ thuộc
độ mạnh của chất oxy hóa và sự khắc nghiệt của điều kiện thí nghiệm. Sự tạo thành
hợp chất cacbon – oxy bề mặt sử dụng than khác nhau. Than hoạt tính và muội than sử
dụng nhiều cách oxy hóa trong pha khí và pha lỏng đã được nghiên cứu nhiều hơn.
Đối những than có đặc trưng axit – bazơ, nhiều nhà khoa học đã bỏ công sức
nghiên cứu để góp phần tìm hiểu nguyên nhân và cơ chế than có bản chất acid hay
bazơ. Một vài thuyết, ví dụ thuyết điện hóa học của Burstein và Frumkin,, thuyết oxit
của Shilov và trường của ông, thuyết pyron của Voll và Boehm đã được đưa ra để giải
thích cho đặc trưng acid – bazơ của than. Các thuyết này và các nghiên cứu liên quan

15
đã được xem xét lại một cách kỹ lưỡng và được xem xét trong một vài bài báo tổng
kết. Bây giờ người ta đã chấp nhận rằng đặc trưng acid – bazơ của than là kết quả của
quá trình oxi hóa bề mặt, phụ thuộc vào cách tạo thành và nhiệt độ của quá trình oxi
hóa.
Dạng nhóm cacbon – oxy bề mặt (acid, bazơ, trung hòa) đã được xác định, các
nhóm axit bề mặt là rất đặc trưng và được tạo thành khi than được xử lý với oxy ở
nhiệt độ trên 400
0
C hoặc bằng phản ứng với dung dịch oxy hóa ở nhiệt độ phòng. Các
nhóm chức này ít bền nhiệt và phân hủy khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trong
môi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 350
0
C đến 750
0
C và giải phóng CO
2
. Các nhóm chức
axit bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, các nhóm này là caboxylic,
lacton, phenol.
Nhóm oxy bazơ trên bề mặt ít đặc trưng hơn và được tạo ra khi một bề mặt than
không còn bất kỳ nhóm oxy bề mặt nào khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trong
môi trường trơ ở nhiệt độ 1000
0
C sau đó làm nguội ở nhiệt độ phòng, được tiếp xúc với
khí oxy. Garten và Weiss đề xuất cấu trúc dạng pyron cho nhóm chức bazo, nhóm chức
này cũng được biết như cấu trúc chromene. Cấu trúc này có vòng chứa oxy với nhóm
hoạt hóa - CH
2
, - CHR. Theo Voll và Boehm, các nguyên tử oxy trong cấu trúc kiểu

pyron được định vị trong hai vòng khác nhau của lớp graphit.
Tuy nhiên, cấu trúc của các nhóm oxy bazơ trên bề mặt cũng đang còn tranh cãi.
Các nhóm oxy trung hòa trên bề mặt được tạo ra do quá trình hấp phụ hóa học không
thuận nghịch oxy ở các tâm không bão hòa dạng etylen có mặt trên bề mặt than.
Các hợp chất bề mặt bị phân hủy thành CO
2
khi xử lý nhiệt. Các nhóm trung
hòa trên bề mặt bền hơn so với các nhóm axit và bắt đầu phân hủy trong khoảng nhiệt
độ 500
0
– 600
0
C và bị loại bỏ hoàn toàn ở 950
0
C. Một dạng của bề mặt than hoạt tính
đã được oxy hóa được công bố bởi Tarkovskya ở hình dưới đây.


16

Nhiều nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu để xác định và định lượng các nhóm
oxi- cacbon bề mặt sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học và hóa lý để giải hấp lớp
oxit, trung hòa với kiềm, chuẩn độ điện thế, phương pháp phổ như phố IR, X-ray. Các
nghiên cứu này đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhóm chức, quan trọng hơn cả là các nhóm
carboxyl, lacton, phenol, quinin và hydroquinon. Tuy nhiên, các phương pháp này
không đưa ra các kết quả có thể so sánh với nhau và nhiều khi không giải thích được
toàn bộ lượng oxi đã kết hợp.
1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp
Các nhóm oxi – cacbon trên bề mặt trên than do quá trình điều chế hoặc được
tạo thành từ kết quả tương tác với oxi hay với các dung dịch hay khí oxi hóa, có các

cân bằng nhiệt khác nhau vì chúng được tạo thành ở những tâm khác nhau, liên kết với
các năng lượng khác nhau. Ví dụ, nhóm cacboxyl phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn so với
phenol hay nhóm quinone. Do đó, khi mẫu than được xử lý nhiệt trong chân không
hay trong môi trường trơ, các nhóm bề mặt khác nhau phân hủy ở các khoảng nhiệt độ
khác nhau. Nói chung, người ta thấy rằng các nhóm bề mặt này bền nhiệt ở nhiệt độ
dưới 200
0
C, độc lập với nhiệt độ chúng được tạo thành.
Phương pháp chung liên quan đến quá trình gia nhiệt mẫu than trong chân
không hoặc trong dòng khí trơ ở một chương trình tốc độ gia nhiệt. Các nhóm chứa oxi
bề mặt giải hấp ở dạng các sản phấm khí dễ bay hơi và được phân tích bằng những
phương pháp thông thường như trọng lượng, phổ khối lượng, sắc ký khí và phổ IR. Vì
cacbon có hoạt tính cao với oxi, các nhóm chức bề mặt nói chung tạo ra CO
2
, CO và


17
hơi nước, lượng mỗi loại khí phụ thuộc vào bản chất của than, phương pháp tiền xử lý
và nhiệt độ giải hấp của nó. Ví dụ, CO
2
được tạo ra bằng sự phân hủy cacboxylic và
lactomic ở nhiệt độ trong khoảng 350
0
– 750
0
C, CO bị phân hủy từ các nhóm quinone
và nhóm phenolic trong khoảng nhiệt độ từ 500
0
-950

0
C, hơi nước từ sự phân hủy
carboxyl, phenol trong khoảng nhiệt độ từ 200
0
– 600
0
C. Ở nhiệt độ thấp, nước bị hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học cũng có thể bị giải hấp. Khí H
2
tạo thành bởi sự kết hợp
lại từ các nguyên tử hydro được giải phóng ra là kết quả của sự đứt liên kết C-H được
giải hấp ở nhiệt độ khoảng 500
0
-1000
0
C. Điều này có thể giải thích khoảng 25-30%
hydro nguyên tố còn lại liên kết với các nguyên tử cacbon, thậm chí sau khi khử khí ở
1000
0
C.
Nhiều nghiên cứu trên nhiệt giải hấp của các loại than khác nhau đã được công
bố, Puri và Basal thực hiện nhiệt phân chân không muội than, than gỗ và than hoạt tính
và xác định lượng oxi giải phóng ra ở dạng CO
2
, CO và hơi nước. Tổng oxi trong 3
loại hoàn toàn giống với tổng oxi tạo ra bằng những phân tích cơ bản. Sự giải hấp oxi ở
dạng CO
2
và CO trong chân không ở điều kiện tăng từ từ nhiệt độ chỉ ra rằng các khí
này được tạo ra trong những khoảng thời gian khác nhau, điều này nghĩa là các nhóm

chức chứa oxi trên bề mặt có thành phần khác nhau liên quan đến sự khác nhau về tâm
hoạt động được liên kết với các năng lượng khác nhau. Thành phần của khí thoát ra
trong các khoảng nhiệt độ riêng biệt phụ thuộc vào bản chất nhóm chức bề mặt phân
hủy trong khoảng nhiệt độ đó.
Bansal và cộng sự cũng nghiên cứu sự phân hủy các nhóm cacbon oxi trên bề
mặt được tạo ra trong quá trình oxi hóa nhiệt độ thấp bề mặt siêu sạch của graphon
hoạt tính sử dụng phổ khối lượng và thấy rằng cả CO
2
và CO là sản phẩm chủ yếu
được tạo ra từ sự phân hủy các nhóm chức oxi khác nhau từ các tâm hoạt động khác
nhau trên bề mặt than.
Bản chất của các loại khí thoát ra trong quá trình giải hấp bằng nhiệt các nhóm
chức trên bề mặt than và cơ chế thoát ra của chúng cũng được nghiên cứu bởi Van


18
Driel sử dụng sắc ký khí, bởi Lang và Magnier sử dụng IR và sắc ký khí, bởi Bonnetain
và các cộng sự. Các nhà nghiên cứu này thấy rằng thành phần chính của nhóm bề mặt
phân hủy trong khoảng nhiệt độ 600
0
-800
0
C và hầu như hoàn toàn ở 1000
0
C. Lượng
oxi thoát ra có thể hoàn toàn được giải thích do sự thoát ra của khí CO và CO2. Năng
lượng hoạt hóa cho sự giải hấp tăng lên với sự giảm mức độ che phủ bề mặt, cho thấy
sự thoát ra của các khí khác nhau liên quan đến sự phân hủy các loại hợp chất bề mặt
khác nhau.
Trembley và cộng sự đã đo năng lượng giải hấp của nhóm oxi - cacbon bề mặt

trên graphon, sử dụng phương pháp giải hấp bằng nhiệt thay đổi tuyến tính và thấy
rằng năng lượng giải hấp là một hàm của mức độ che phủ bề mặt, điều đó nói lên rằng
các phức oxi bề mặt bao gồm một vài dạng nhóm chức và phân hủy ở các nhiệt độ khác
nhau. Matsumoto va Setaka thực hiện phân hủy bằng nhiệt than hoạt tính, kim cương,
và than chì đã được oxi hóa ở nhiệt độ 950
0
C sử dụng phổ khối lượng. Phổ giải hấp của
các mẫu chỉ ra rằng có hai cực đại khác nhau cho CO và CO
2
như 1 hàm của nhiệt độ,
từ đó cho thấy có trên một lần các khí được giải hấp bằng sự phân hủy các hợp chất bề
mặt khác nhau.
Các chứng cứ rõ ràng từ các nghiên cứu phân hủy nhiệt là có 2 dạng cấu trúc
hóa học bề mặt liên quan đến các tâm khác nhau có năng lượng khác nhau và do đó CO
và CO
2
được giải phóng ra bởi sự phân hủy hai dạng nhóm bề mặt này. Các nhóm bề
mặt giải phóng ra CO
2
kém bề hơn và phân hủy ở nhiệt độ không lớn hơn 350
0
C. Các
nhóm hóa học khác mà giải phóng ra CO bền hơn và bị phân hủy trên 500
0
C. Giải
thích cho kết quả này nói chung là khó vì các nhóm bề mặt tương tác khác nhau trong
các môi trường khác nhau. Chúng có thể tương tác trực tiếp với các nhóm tương tự
hoặc khác nhau ở lân cận. Nói chung, các nghiên cứu giải hấp bằng nhiệt đều thu được
các thông tin giá trị cung cấp các kết quả từ những phương pháp nghiên cứu độc lập.
1.2.2 Trung hòa kiềm

Chuẩn độ với kiềm là một trong những phương pháp đơn giản và dễ nhất được


19
sử dụng để xác định bản chất và lượng nhóm có tính axit trên bề mặt của than. Ngày
nay, người ta đã nhận ra rằng khả năng trung hòa kiềm của than có thể được xác định
sau quá trình khử khí ở 150
0
C để cho nó không còn bất cứ hơi hay khí bị hấp phụ vật lý
nào trên bề mặt. Mẫu than sau đó cho tiếp xúc với dung dịch kiềm 0.1 đến 0.2N trong
24 hoặc 72h. Thời gian tiếp xúc có thể giảm xuống 1 vài giờ nếu than và kiềm được
đun hồi lưu. Các điều kiện này được thực hiện bằng nhiều nghiên cứu.
Puri và cộng sự khảo sát một lượng lớn than trước và sau khử khí, và oxi hóa
trong khí oxi cũng như các dung dịch oxi hóa, và thử khả năng trung hòa kiềm của than
với oxi thoát ra ở dạng CO
2
trong chân không. Người ta thấy rằng trong mỗi trường
hợp lượng kiềm trung hòa gần với lượng CO
2
thoát ra trong chân không. Vì lượng
phức CO
2
giảm trong điều kiện khử khí hoặc tăng trong sự oxi hóa, khả năng trung hòa
kiềm của than cũng giảm và tăng tương ứng. Khi toàn bộ lượng phức được loại bỏ
trong sự khử khí ở điều kiện quanh 750
0
C, than mất hầu như toàn bộ khả năng trung
hòa kiềm của nó, thậm chí nó vẫn chứa một lượng đáng kể oxy liên kết.
Boehm phân biệt các nhóm axit bề mặt trên than đã oxi hóa bằng phương pháp
trung hòa chọn lọc sử dụng bazơ có độ mạnh yếu khác nhau gồm, NaHCO

3
, Na
2
CO
3
,
NaOH và C
2
H
5
ONa.
1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ[5, 13]
Người ta biết rằng than hoạt tính chứa một lượng đáng kể oxi và hidro được hấp
phụ hóa học, chúng có ở dạng phức bề mặt cacbon-oxi. Một vài giả thuyết về cấu trúc
được đưa ra cho những chất phức bề mặt này. Dựa vào các phương pháp vật lý, hóa
học và hóa lý, sự tồn tại của các nhóm chức như cacbonyl, cacboxyl, lacton, quinon,
hydroquinon, và phenol đã được đưa ra. Tuy nhiên, các phương pháp đánh giá khác
nhau không cung cấp các kết quả có thể so sánh được, thậm chí quan trọng hơn là toàn
bộ lượng oxi liên kết không được giải thích. Vì thế, vấn đề này không được làm sáng tỏ
một cách phù hợp, cũng như các cấu trúc, cơ chế khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu
đã công bố từ các phòng thí nghiệm và các nơi khác đã chỉ ra rằng hầu như chắc chắn


20
các nhóm hay phức bề mặt xác định có thể tạo ra CO
2
và tương tự có sự tồn tại bề mặt
phân biệt có thể tạo ra CO trong quá trình xử lý nhiệt trong chân không hoặc môi
trường trơ.
Bất kể là các oxit bề mặt này có bản chất và cấu trúc chính xác thì đều có một

chút nghi vấn rằng oxi hấp phụ hóa học có mặt chủ yếu tại cạnh và góc phụ, nên những
nhóm oxi này ảnh hưởng nhiều tới các đặc trưng bề mặt và tính chất bề mặt của than
hoạt tính.
1.3.1 Tính axit bề mặt của than.
Tính axit bề mặt của than hoạt tính và muội than là đối tượng ban đầu của một
số lượng lớn các nghiên cứu do tầm quan trọng của nó trong việc xác định một vài
phản ứng phân hủy, phản ứng xúc tác, và các tính chất hấp phụ của những vật liệu này.
Trong trường hợp của muội than, Wiegand đã sử dụng tính axit bề mặt để phân loại các
họ của muội than chúng có tính axit mạnh hoặc có tính chất kiềm hoặc axit yếu. Tính
axit bề mặt của than được đo bởi khả năng hấp phụ bazơ của nó ( hoặc sự trung hòa
bazơ), khả năng này được tính bằng lượng cation kiềm đã trao đổi cho các ion hidro
được cung cấp bởi các oxit axit trên bề mặt than. Tính axit bề mặt là do cấu trúc hóa
học của cacbon-oxi bề mặt đã được công nhận như cacboxyl hay lacton. Các cấu trúc
hóa học bề mặt này tạo ra CO
2
trong quá trình xử lý nhiệt trong chân không hay trong
môi trường trơ ở nhiệt độ 300-750
0
C. Khả năng trung hòa bazơ của than giảm khi hút
chân không hoặc loại khí bằng cách tăng nhiệt độ một cách từ từ, và giảm tại bất kỳ
nhiệt độ nào, tương ứng với lượng CO
2
được tạo ra tại nhiệt độ đó. Hơn nữa, khi nhiệt
độ vượt cao quá, khả năng trung hòa bazơ của than giảm, cũng ở nhiệt độ cao có sự
giải phóng CO
2
từ bề mặt than. Do đó, tính axit bề mặt của than phụ thuộc vào sự có
mặt của nhóm hóa học bề mặt cacbon-oxi.
1.3.2 Tính kị nước
Cacbon nguyên chất là chất kị nước. Tính kị nước càng giảm thì tính ưa nước

của than càng tăng, do lượng oxi liên kết với cacbon bề mặt tăng. Từ lâu ta đã biết rằng


21
muội than với hàm lượng oxi cao có thể dễ dàng bị làm ướt bởi nước. Vì vậy, oxi hóa
nhiệt độ thấp muội than thường được sử dụng để làm tăng đặc điểm ưa nước của
chúng. Tương tự, các sợi cacbon hiệu năng cao thường kị nước được oxi hóa một cách
thích hợp để tạo thành nhóm chức bề mặt cacbon-oxi để làm tăng tính ưa nước của
chúng, chúng lần lượt cải thiện sự bám dính với các vật liệu nền trong composite có độ
bền cao. Fitzer đã công bố mối quan hệ trực tiếp giữa số lượng nhóm axit trên bề mặt
sợi cacbon được tạo bởi sự oxi hóa và độ bền của composite trong trường hợp của nhựa
phenola cũng như nhựa epoxi làm vật liệu nền.
Ảnh hưởng của nhóm oxi đưa lên bề mặt sợi cacbon bằng quá trình oxi hóa
trong không khí tại 700
0
C và các tính chất composit đã được ngiên cứu. Trong trường
hợp than hoạt tính, sự có mặt của nhóm axit bề mặt làm cho bề mặt than ưa nước và
phân cực, theo đó cải tiến tính chất hấp phụ khí và hơi phân cực.
1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực
Nhiều nghiên cứu đã công bố ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên khả
năng hấp phụ hơi nước. Lawson và King thấy rằng sự có mặt của oxi liên kết trong
than làm tăng khả năng hấp phụ ở áp suất thấp hơi nước và chuyển dịch đường đẳng
nhiệt tới áp suất thấp hơn. Pierce đã thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước trên
graphon thay đổi một cách đáng kể sau khi để graphon trong hơi nước tại 80˚C. Điểm
khác biệt này được cho là sự tương tác của hơi nước với graphon, tạo một phức bề mặt
cacbon-oxi dẫn đến khả năng hấp phụ hơi nước nhanh hơn bề mặt sạch. Pierce và các
đồng nghiệp và Dubinin đã thấy rằng các tâm hoạt động nhất định trên than hoạt tính
được tạo ra nhiều bởi nhóm bề mặt cacbon-oxi, các nhóm này như là trung tâm hấp phụ
tại đó sự hấp phụ nước xảy ra ở dạng những đám riêng biệt qua liên kết hidro. Các đám
này sau đó phát triển theo kích thước khi có nhiều quá trình hấp phụ xảy ra trên phân tử

nước do liên kết hidro. Cuối cùng thì chúng kết hợp với nhau ở áp suất hơi tương đối
cao hơn để tạo thành các nốt hai chiều của pha ngưng tụ trên bề mặt than. Dubinin,


22
Zaverini và Serpinski đã đề xuất một phương trình để tính số tâm hấp phụ chủ yếu của
chúng. Phương trình đó có dạng sau:
K
1
(a
0
– a) (1 – Ka)h = K
2
a
Với a
0
là số tâm hấp phụ chủ yếu và a ( cả 2 biểu thức có đơn vị mmol/g) là lượng đã
hấp phụ tại áp suất tương ứng p/p
0
. Trong phương trình, (a-a
0
) biểu diễn tổng số tâm
hấp phụ, và (1-Ka) kể đến sự giảm số tâm hấp phụ hoạt động với sự tăng trong quá
trình hấp phụ. Tham số k có thể được tính từ điều kiện a=a
s
khi p/p
0
= 1, với a
s
là chỉ số

hấp phụ bão hòa.
Puri và các đồng nghiệp đã nghiên cứu sự hấp phụ hơi nước trên than kết hợp
với một lượng thay đổi nhóm bề mặt cacbon-oxi và thấy rằng đó là sự có mặt oxy trong
phức CO
2
(oxy có thể tạo ra CO
2
khi thực hiện giải hấp) đã cung cấp các tâm hoạt động
cho sự hấp phụ hơi nước và đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp đó đã không còn,
thậm chí tại áp suất 0 tương đối, miễn là phức CO
2
có mặt. Điều này được cho là sự cố
định của một lượng nước nhất định trên tâm phức CO
2
bởi liên kết hidro; lượng nước
đã cố định tương ứng với 1 mol nước cho mỗi mol phức CO
2
. Phần còn lại của oxy đã
hấp phụ hóa học có ảnh hưởng ít tới sự hấp phụ hơi nước. Khi phức CO
2
được tăng
cường bằng sự oxi hóa và được giải phóng bởi sự khử khí than, sự hấp phụ nước được
tăng lên hay giảm đi một cách tương ứng. Barton đã thấy rằng sự hấp phụ hơi nước lên
than hoạt tính BPL trước và sau oxi hóa ở các cấp độ khác nhau với axit nitric đã bị
ảnh hưởng không quá lớn bởi kích thước lỗ, mà chủ yếu là do sự có mặt của các tâm ưa
nước được tạo ra bởi nhóm oxy axit.
Bansal đã nghiên cứu sự hấp phụ hơi nước trên vài than polyme có độ xốp khác
nhau, liên kết với những lượng oxy không giống nhau. Than liên kết với những lượng
giống nhau oxy liên kết nhưng sở hữu độ xốp khác nhau cho thấy khả năng hấp phụ
tương tự nhau tại áp suất tương đối thấp, nhưng khác nhau đáng kể về giá trị hấp phụ

23
tại áp suất hơi tương đối cao, điều này cho thấy sự ảnh hưởng của oxy liên kết và độ
rỗng lên khả năng hấp phụ ở hai khoảng của áp suất tương đối. Khi hàm lượng oxy liên
kết trên than giảm, đường đẳng nhiệt cho thấy sự hấp phụ của hơi nước giảm liên tục
khi càng nhiều oxy liên kết bị giải phóng khỏi mẫu. Tuy nhiên, quá trình giảm này đã
bị giới hạn khi sự hấp phụ tại áp suất tương đối thấp (p<p
0
). Khi lượng oxy liên kết trên
mẫu than tăng bởi sự oxi hóa, đã cho thấy độ hấp phụ hơi nước tăng.
Sự có mặt của nhóm cacbon-oxy cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ của các hợp
chất phân cực hoặc có khả năng phân cực như methanol, ethanol, amoniac và amin,
thuốc nhuộm và các chất bề mặt. Puri và các đồng nghiệp và Bansal đã nghiên cứu
đường đẳng nhiệt của methanol trên than với lượng thay đổi nhóm cacbon-oxy đã thấy
rằng độ hấp phụ tăng hoặc giảm ứng với sự thay đổi của nhóm oxy bề mặt. Đường hấp
phụ-giải hấp đã không xuất hiện tới khi phức CO
2
có mặt. Lượng methanol được giữ
lại bởi tương tác đặc trưng trên bề mặt của than tương ứng với 1/2 mol cho mỗi mol
phức CO
2.
. Giá trị tải trọng hấp phụ nhỏ hơn trong trường hợp của methanol so với
nước có thể do bán kính lớn hơn của nhóm không phân cực trong methanol. Một nhóm
metyl có bán kính 0.2 nm bị hấp phụ trên một nguyên tử oxy có đường kính 0.13 nm,
nằm phẳng, có thể cản trở sự tiếp cận của nhóm metyl tới các nguyên tử oxy lân cận.
Tương tự, sự hấp phụ của các amin bởi than hoạt tính được xác định bằng lượng nhóm
bề mặt cacbon-oxy mang tính axit. Khi những nhóm bề mặt này bị rời khỏi bề mặt, độ
hấp phụ của amin cũng giảm.
1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch

Sự hấp phụ những hợp chất hữu cơ và vô cơ từ các dung dịch của chúng cũng
cho thấy khả năng hấp phụ của than bị ảnh hưởng bởi việc có mặt của các nhóm oxi -
cacbon. Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sự hấp phụ của một vài thuốc nhuộm cation
và anion trên than chì cũng như các loại muội than khác nhau, đã thấy rằng sự hấp phụ
đó, mặc dù được xác định bởi diện tích mặt của cacbon, vẫn bị ảnh hưởng mạnh bởi sự


24
hiện diện của các oxit có tính axit trên bề mặt. Khả năng hấp phụ những chất nhuộm
cation tăng cùng với sự tăng số lượng của nhóm oxi bề mặt trong quá trình ôxi hóa than
và giảm khi những ôxit bề mặt này bị loại bỏ trong quá trình giải hấp bằng nhiệt trong
chân không. Trong trường hợp của những thuốc nhuộm anion, sự hấp phụ giảm theo
mức độ ôxi hóa, độ giảm này tùy thuộc vào sự tăng về số lượng của các nhóm axit bề
mặt. Goyal và những cộng sự cũng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các nhóm oxy -
cacbon tới khả năng hấp phụ một vài ion kim loại như Cr(III), Cr(VI), Co(II), Cu(II),
và Ni(II) trên một vài cacbon hoạt tính có sự khác nhau về diện tích bề mặt và khác
nhau về số nhóm chức oxy - cacbon trên bề mặt. Những nhà khoa học này đã tìm ra
rằng sự hấp phụ này không chỉ liên quan đến diện tích bề mặt, mà còn phụ thuộc vào
số lượng của các nhóm oxi và có thể là một vài nhóm oxit acid khác. Sự hấp phụ cation
tăng đối với trường hợp than đã thực hiện quá trình ôxy hóa và giảm trong quá trình
loại khí, kết quả này được giải thích là quá trình oxi hóa tạo thành các nhóm axit bề
mặt mà sự ion hóa trong nước có thể tạo ra ion H
+
, chuyển trực tiếp vào pha lỏng, để
lại bề mặt than có các tâm tích điện, ở đó sự hấp phụ các cation có thể xảy ra. Khi các
tâm tích điện âm được loại trừ bằng loại khí, thì bề mặt than sẽ giảm xu hướng hấp phụ
cation.
Sự hấp phụ của những hợp chất hữu cơ như phenol và P. nitrophenol cũng bị
ảnh hưởng bởi những nhóm oxi - cacbon này. Mặc dù sự có mặt của những nhóm oxi
axit làm giảm đi sự hấp phụ phenol, nhưng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm

tăng cường khả năng hấp phụ.
1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên.
Kipling và các cộng sự, trong khi nghiên cứu sự hấp phụ từ những hỗn hợp hai
chất trong pha lỏng, đã thấy rằng sự có mặt của oxi bị hấp phụ hóa học, đã mang tính
phân cực của nó lên than để chúng hấp phụ ưu tiên hơn đối với thành phần phân cực
hơn trong hỗn hợp. Như vậy, Spheron-6 chứa oxi liên kết, metanol được ưu tiên hơn
trong dung dịch chứa nó so với benzen. Graphon cơ bản là không chứa oxi, lại ưu tiên


25
benzen hơn. Tương tự, Spheron-6 ưu tiên benzen hơn trong dung dịch của nó với n-
heptan, và graphon ưu tiên n-heptan hơn. Sự tương tác này được cho là do sự có mặt
của các nhóm oxy - cacbon, chúng tương tác với thành phần phân cực hơn trong dung
dịch chứa hai chất khác nhau. Puri và các đồng sự, và Bansal và Dhami, trong khi
nghiên cứu đường đẳng nhiệt hấp phụ các dung dịch benzen-metanol, benzen-etanol
trên những loại than chì khác nhau với lượng oxi liên kết khác nhau, đã chỉ ra bản chất
của những nhóm oxi thậm chí quan trọng hơn tổng lượng oxi trong việc xác định tương
tác bề mặt của than với các chất tan trong những trường hợp trên. Những đường đẳng
nhiệt trong hấp phụ hỗn hợp benzen-metanol của than chì có nguồn gốc từ gáo dừa
khác nhau, cho thấy than chì ban đầu có lượng CO
2
thoát ra trên bề mặt lớn hơn cho
thấy sự ưu tiên hơn đối với ethanol và methanol phân cực hơn benzen. Vì một phần của
các nhóm bề mặt này được loại bỏ trong chân không tại 400°C, nên khả năng hấp phụ
rượu cũng giảm xuống đáng kể. Khi các nhóm này được loại bỏ hoàn toàn bằng sự loại
khí ở than chì tại 750° C, thì gần như sẽ có một sự đảo ngược của quá trình ưu tiên bởi
vì benzen được ưu tiên mặc dù khá nhỏ, hơn là etanol hay metanol.
Than chì được loại khí tại 750°C vẫn giữ lại một lượng đáng kể oxi được kết
hợp có khả năng tạo ra CO. Than chì không hấp phụ ưu tiên etanol và metanol, và ưu
tiên hơn với benzen đối với những mẫu than đã loại khí ở 100°C, khi mà chúng gần

như là đã không còn oxi. Điều đó có vẻ là những nhóm quinon đã tạo thành một phần
các nhóm bay hơi CO để đẩy mạnh quá trình ưu tiên cho các nhóm benzen. Như vậy,
một phần của oxi liên kết (được coi như là một phức chất của CO
2
) đã đẩy mạnh sự
hấp phụ ưu tiên các nhóm rượu , và một phần khác giống như là một phức chất của CO
lại đẩy mạnh sự hấp phụ ưu tiên benzen. Như vậy, điều cần xác định ở đây không chỉ là
tổng lượng oxi mà còn cả dạng của nó để có thể đánh giá một cách chính xác tính đặc
trưng và trạng thái bề mặt của nhóm cacbon - oxy.
1.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than[5, 13]
Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vòng thơm ngưng tụ