chủ đề: cacbon hoạt tính và các ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC
CHỦ ĐỀ: Cacbon hoạt tính và các ứng dụng
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS. Nguyễn Xuân Hoàn
Nhóm thực hiện :
1. Ngô Ngọc Kiên (nhóm trưởng)
2. Phạm Thanh Tùng
3. Phạm Tùng Lâm
4. Trần Đăng Tình
5. Trần Thị Thu Trang
6. Nguyễn Văn Quân
7. Vũ Thị Hà
Lớp : K56-Sư phạm Hóa học.
1
MỤC LỤC
Trang
1. Giới thiệu sơ lược………………………………………………………………………………3
2. Cách điều
chế………………………………………………………………………………… 3
3. Phân loại……………………………………………………………………………………… 5
4. Cấu trúc………………………………………………………………………………………….6
5. Tính chất…………………………………………………………………………………………
8
6. Biến tính và tái hoạt……………………………………………………………………………9
7. Ứng dụng………………………………………………………………………………………12
8. Sản lượng toàn cầu & Việt Nam……………………………………………………………
9. Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………………22
2
1. Giới thiệu sơ lược về cacbon hoạt tính.
1.1. Giới thiệu chung.

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 C0
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].
Hình 1: Một số hình ảnh minh họa:
1.2. Đặc tính.
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.
3
 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.
1.3. Thành phần.
Cacbon là thành phần chủ yểu 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 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.
2. Cách điều chế.
Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứa
cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000°C.
Quá trình điều chế gồm 2 bước: Than hóa ở nhiệt độ dưới 800°c trong môi trường
trơ và sự hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950° - 1000°C.
(a).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
< lnm) 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 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
4
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].
(b).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°c, nhưng đôi khi cũng có khi lên tới 800°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.

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 hểt 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°c được
thổi vào ở nhiệt độ khoảng 1000°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 ưong 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.
3. Phân loại
Carbon hoạt tính là những sản phẩm phức tạp , rất khó để phân loại chúng dựa trên những
tác đông,đặc tính bề mặt hay phương pháp điều chế. Tuy nhiên,vì mục đích sử
5
dụng,người ta vẫn có những cách phân loại dựa trên những đặc tính vật lý của chúng. Ví
dụ :
o Bột carbon hoạt tính (R1) (PAC)
o Cacbon hoạt tính dạng hạt (GAC)
o Carbon hoạt tính dạng sợi
o Tấm ép than hoạt tính (EAC)

o Carbon Bead kích hoạt (BAC)
o Cacbon đã được ngâm tẩm
Hình 2 : Một số hình ảnh minh họa :
4. Cấu trúc.
4.3. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính.
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kểt 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 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
6
trủc 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
(bum-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 đển 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 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 l.ónm. 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.
7
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
4.4. Cấu trúc hóa học của bề mặt.
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 cẩu trúc tinh thể và cẩu trúc lỗ xốp, than hoạt tính cũng có cấu trúc hóa
học.Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cẩu 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 elecưon 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 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.
5. Tính chất
1 gram carbon hoạt tính có thể có diện tích bề mặt lớn hơn 500m
2
, dễ dàng đạt tới
diện tích 1500m
2
.(Hiện nay đã có carbon aerogel, đắt hơn carbon hoạt tính và có diện tích
bề mặt thậm chí còn lớn hơn,chúng thường được sử dụng trong các lĩnh vực đặc biệt.)
8
Dưới kính hiển vi điện tử ,người ta quan sát được cấu trúc bề mặt của carbon hoạt
tính. Những phần tử riêng biệt xoắn mạnh lại ,tạo ra nhiều cấu trúc lỗ xốp,có thể còn có
nhiều vùng, gồm các bề mặt phẳng có cấu trúc tương tự graphite song song với
nhau,cách nhau chỉ một vài nanomet.Những vi lỗ này là điều kiện tuyệt vời để sự hấp
phụ diễn ra,vì chất bị hấp phụ có thể tương tác độc lập với nhiều bề mặt khác nhau.

Những thí nghiệm kiểm tra sự hấp phụ thường diễn ra với khí quyển nitơ ở 77K trong
điều kiện chân không cao.Nhưng trong những điều kiện thường ngày, carbon hoạt tính
vẫn có thể có những hoạt tính tương tự, bằng cách cho nó hấp phụ hơi nước 100
o
C trong
điều kiện áp suất 1/10000 atmosphere.
James Dewar đã dành rất nhiều thời gian nghiên cứu về carbon hoạt tính và đã viết
một bài báo về khả năng hấp phụ của nó với những loại khí khác nhau.Trong bài báo
này,ông đã phát hiện ra rằng, nếu ta làm lạnh carbon hoạt tính tới nhiệt độ của nitơ lỏng,
nó có thể hấp phụ một lượng rất lớn khí,mặt khác lượng khí đó dễ dàng thu lại bằng cách
làm ấm carbon hoạt tính.Dewar đã dùng oxygen để làm ví dụ, trong những điều kiện
thông thường,carbon hoạt tính chỉ hấp phụ được oxi nồng độ 21%, nhưng nó có thể giải
hấp tới 80% oxy nếu trước đó carbon được làm lạnh ở nhiệt độ thấp.
Về mặt vật lý, carbon hoạt tính liên kết với chất bị hấp phụ bằng các lực liên kết
van der Waals hay lực phân tán London.
Carbon hoạt tính không liên kết tốt với những hóa chất nhất định,như
alcohot,glycol,acid và base mạnh,kim loại và hầu hết các chất vô cơ,như
lithium,natri,sắt,chì,arsen,flo và acid boric.
Carbon hoạt tính hấp phụ rất tốt iod.Khả năng hấp phụ iod (mg/g) có thể được sử
dụng làm chỉ thị cho tổng diện tích bề mặt.
Carbon monoxide không được hấp phụ tốt bới carbon hoạt tính.Điều này cần được
đặc biệt quan tâm với những ai sử dụng than hoạt tính trong các màng lọc cho mặt nạ
phòng độc,trong tủ hút hay trong các hệ thống kiểm soát khí khác vì các giác quan của
con người không nhận biết được CO,nó gây độc cho hệ thần kinh và ảnh hưởng tới sự
trao đổi chất.
Carbon hoạt tính có thể được sử dụng để làm chất nền cho nhiều hóa chất khác
nhau để cải thiện khả năng hấp phụ các chất vô cơ(và có thể cả các chất hữu cơ,nhưng
điều này còn chưa được nghiên cứu kĩ) như Hydro sulfua
(H
2

S),amoniac(NH
3
),focmandehit(HCHO),thủy ngân (Hg) và iod phóng xạ (
131
I). Tính
chất này gọi là hấp phụ hóa học.
6. Biến tính than hoạt tính
6.1. Biến tính bề mặt than hoạt tính.
Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính
thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các
ứng dụng đặc biệt.Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể được thực hiện bằng sự tạo
thành các dạng nhóm chức bề mặt khác nhau. Các nhóm chức này bao gồm các nhóm
9
chức oxy - cacbon được tạo thành khi oxy hóa bề mặt than với các khí hoặc các dung
dịch oxy hóa. Nhóm chức bề mặt cacbon - hydro tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt
tính với khí hydro ở nhiệt độ cao.Nhóm chức cacbon - lưu huỳnh bằng quá trình xử lý
than hoạt tính với lưu huỳnh nguyên tố, cs
2
, H
2
S, S0
2
.Cacbon - nitơ trong quá trình xử lý
than hoạt tính với amoniac. Cacbon - halogen được tạo thành bằng quá trình xử lý than
hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dịch. Vì các nhóm chức này được liên kết
và được giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm, và bởi vì thành phần các cạnh và góc này
chủ yếu là bề mặt hấp phụ, nên người ta hi vọng khi biến tính than hoạt tính sẽ thay đổi
đặc trưng hấp phụ và tương tác hấp phụ của các than hoạt tính này. Thêm vào đó, sự biến
tính bề mặt than cũng được thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại
lên bề mặt. Ảnh hưởng của các nhóm chức bề mặt oxy-cacbon lên đặc trưng và tính chất

bề mặt đã được thảo luận ở 1.3.Trong phần này chủ yếu đề cập đến ảnh hưởng của các
biến tính khác lên đặc điểm chất hấp phụ của than hoạt tính.
6.2. Biến tính tính than hoạt tính bằng N
2
Than hoạt tính chứa lượng không đáng kể nhóm chức nitơ. Tuy nhiên, phản ứng pha
khí với dimethylamin ở 150°c trong lh, hoặc với NH
3
khô ở 300°c hoặc hơn, tạo ra một
lượng đáng kể nhóm chức C-N trên bề mặt. Boehm và các cộng sự cũng như Rivera-
Utrilla và các cộng sự, thấy rằng khi than hoạt tính đã oxy hóa được đun nóng với NH
3
khô, nhóm nitơ được tạo thành trên bề mặt. Ở nhiệt độ thấp sự cố định Nitơ cân bằng với
số nhóm oxy axit trên bề mặt và được cho là sự tạo thành muối amoni. Tuy nhiên, ở nhiệt
độ cao sự thay thế các nhóm hydroxyl bằng nhóm amin đã được thừa nhận, than trở nên
kỵ nước và giảm đáng kể khả năng hấp phụ xanh methylen.
Puri và Mahajan thấy rằng sự tương tác giữa than đường với khí NH
3
khô liên quan
đến sự trung hòa nhóm chức axit trên bề mặt và sự cố định thêm một số lượng NH
3
ở
dạng không thể thủy phân.Nhưng những nhà nghiên cứu không cho rằng sự cố định NH
3
với nhóm bất kỳ nào trên bề mặt than. Tuy nhiên, Puri và Bansal thấy rằng quá tình xử lý
than đường đã khử trùng clo với NH
3
ở nhiệt độ 300°c thu được sự thay thế một phần clo
bằng nhóm amin. Than thu được thể hiện khả năng hấp phụ tăng đối với axit. Sự tăng lên
về khả năng hấp phụ axit tương ứng với lượng nitơ được cố định, chỉ ra một sự trao đổi
C-Cl bằng liên kết C-NH

2
. Sự tương tác của khí NH
3
với sợi cacbon trước và sau oxi hóa
đã cho thấy rằng NH
3
phản ứng với nhóm lacton và anhydrid, dẫn đến sự tạo thành cấu
trúc imid. Zwadski xử lý than với NH
3
trước và sau sự oxi hóa với HN0
3
, và sử dụng phổ
IR, thấy rằng không có sự hấp phụ nhóm amide, phổ IR cũng chỉ ra có phản ứng của
NH3 với cấu trúc lactone trên lớp cacbon.
6.3. Biến tính bề mặt than bằng halogen
Đặc điểm bề mặt của than, than hoạt tính và muội được biến tính bằng một số
phương pháp xử lý với halogen. Sự hấp phụ halogen gồm cả hấp phụ vật lý và hấp phụ
hóa học, quá trình thông qua một số cơ chế bao gồm cộng hợp ở các tâm chưa bão hòa,
trao đổi với H
2
, hấp phụ hóa học và sự oxi hóa bề mặt than. Các cơ chế phụ thuộc vào
bản chất của bề mặt than, hàm lượng oxy, hydro của than, điều kiện thí nghiệm và bản
chất của từng loại halogen. Halogen được cố định trên bề mặt than ở dạng hợp chất
cacbon-halogen có độ bền nhiệt cao và không thể loại bỏ bằng xử lý nhiệt trong chân
không cho tới 1000°c nếu than không còn dư hydro. Tuy nhiên, một phần halogen có thể
10
trao đổi với nhóm OH khi xử lý với kiềm và trao đổi với nhóm NH
2
khi xử lý với khí
NH

3
. Do đó, các dạng hấp phụ hóa học hay hấp phụ vật lý này có thể biến tính hoàn toàn
đặc điểm bề mặt và phản ứng bề mặt của than. Ví dụ, sự cố định Clo hoặc Brom có thể
tạo ra sự phân cực nhưng không phải là liên kết hydro mà là tương tự với liên kết phổ
biến trên than là liên kết với nhóm oxi bề mặt.Liên kết C-Cl hoặc C-Br có thể trao đổi
với các nhóm chức khác tạo ra loại hợp chất bề mặt mới.
Puri và Bansal đã nghiên cứu đặc trưng bề mặt và tương tác bề mặt của than đường,
than gáo dừa được biến tính với halogen.Tỷ khối của than tăng tuyến tính khi tăng lượng
clo cố định trên than.Tuy nhiên, độ axit bề mặt của than còn lại nhiều hoặc ít thay đổi.
Người ta thấy rằng sự cố định clo dẫn đến nhiều dạng cấu trúc lỗ xốp và sự phân bố kích
thước mao quản, hoặc sự thay đổi vị trí hoặc mật độ tâm hoạt động.
Thay thể clo hấp thụ trên bề mặt bằng các nhóm chức khác đã được Puri và các cộng
sự và Boehm nghiên cứu bằng cách đun hồi lưu than đã clo hóa với NaOH 2,5M và xử lý
với amoniac để thay thế nhóm clo bằng nhóm amin. Sự có mặt của nhóm amin đã làm bề
mặt than có tính chất kiềm, điều này làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ axit.
6.4. Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa.
Các hợp chất cacbon-lưu huỳnh trên bề mặt được nghiên cứu rộng rãi trên than gỗ,
than hoạt tính, muội than.Các hợp chất này được tạo thành trong suốt hoặc sau quá trình
tạo thành than.Trong trường hợp của cacbon hoạt tính, chúng thông thường được tạo
thành bởi đun nóng than trong sự có mặt lưu huỳnh nguyên tố hoặc các chất khí có lưu
huỳnh như cs
2
, và S0
2
. Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không hợp thức ữong
khoảng rộng về thành phần phụ thuộc vào bản chất than, các điều kiện thực nghiệm, và
độ lớn của bề mặt than. Những hợp chất này thường chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh,
có thể lên tới 40-50%. Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không thể chiết với các
dung môi hoặc bị phân hủy một cách hoàn toàn bằng xử lý nhiệt trong môi trường trơ,
tuy nhiên chúng có thể bị loại bỏ hầu như hoàn toàn khi được xử lý trong khoảng 500-

700° c với H
2
. Sự hấp phụ hóa học lưu huỳnh lên bề mặt than bao gồm sự liên kết với các
nguyên tử cacbon bên ngoài, cộng tại vị trí nối đôi, thâm nhập vào bên trong cấu trúc
mạng, và trao đổi lấy hydro cũng như oxygen còn liên kểt với bề mặt cacbon. Như các
nguyên tử cacbon ngoại vi, do các hóa trị không thỏa mãn của chúng quyết định các đặc
điểm hấp phụ của than hoạt tính, đó là lý do để tin rằng sự có mặt của các chất lưu huỳnh
bề mặt sẽ ảnh hưởng tới tính chất bề mặt của những vật liệu này.
Sự ảnh hưởng của các hợp chất lưu huỳnh bề mặt lên sự hấp phụ các chất hơi phân
cực và không phân cực có kích thước phân tử thay đổi đã được nghiên cứu bởi Puri và
Hazra. Sự hấp phụ hơi nước đã tăng một các đáng kể khi áp suất tương đối thấp hơn 0.4
và giảm ở áp suất cao hơn. Lượng lưu huỳnh liên kết tãng làm tăng ảnh hưởng và được
cho là do thay đổi sự phân bố kích thước lỗ xốp gây ra bởi cố định lưu huỳnh dọc theo
thành lỗ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi metanol và hơi benzen chỉ ra rằng các phân tử
lớn hơn này đã tìm các bề mặt càng càng nhỏ vì càng nhiều lưu huỳnh được liên kết trong
lỗ.
Cacbon Saran lưu hóa đã than hóa tại 900° c và đã thêm vào những lượng lưu huỳnh
khác nhau trong khoảng 1-12 % đã được sử dụng bởi Sinha và Walker để loại bỏ hơi thủy
ngân từ không khí hay hơi nước.Khi hơi nước bị nhiễm bẫn được đưa qua lớp than tại
11
150°c và lượng thủy ngân tích lũy trong dòng hơi nước rất thấp so với than chưa lưu hóa.
Điều này dẫn tới phản ứng giữa thủy ngân với lưu huỳnh trên bề mặt than, tạo thành thủy
ngân sunphua. Các nhà nghiên cứu Lopez-Gonzalev đã phát hiện ra rằng than hoạt tính
đã được lưu hóa là các chất hấp phụ tốt hơn để loại bỏ HgCl
2
khỏi dung dịch nước.
6.5. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm
Than hoạt tính được tẩm kim loại và các oxit của chúng đã phân tán ở dạng các hạt
nhỏ đã và đang được sử dụng rộng rãi trong một vài phản ứng pha khí cả trong công
nghiệp và để bảo vệ con người chống lại các khí và hơi độc. Những loại than này được sử

dụng lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất để bảo vệ hệ hô hấp của các binh
lính chống lại chiến tranh khí. Hơn nữa, việc mang các kim loại lên các vật liệu có
cacbon làm giảm các đặc điểm khí hóa và thay đổi cấu trúc lỗ của các sản phẩm cacbon
cuối cùng. Vì vậy, việc mang các chất lên than hoạt tính như vậy cũng được sử dụng để
thu được than hoạt tính có một cấu trúc vi lỗ xác định.
Than hoạt tính được tẩm KI và các hợp chất tương tự, với amine, bao gồm pyridin đã
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hạt nhân để duy trì các hợp chất phóng xạ của
iot từ các tác nhân làm lạnh và hệ thống thông gió. KI mang trên than hoạt tính phản ứng
với nhóm oxi - cacbon trên bề mặt than và thay đổi trạng thái hấp phụ của chúng, do đó
cải thiện khả năng của than hoạt tính để duy trì metyliot phóng xạ.Tính chất hấp phụ của
than hoạt tính đã được làm thay đổi khi mang lên nó 5 pyridin.Khả năng phản ứng của
than có mang clo-xianua đã tăng cùng với việc tăng lượng chất mang. Tuy nhiên, khả
năng phản ứng thay đổi từ pyridin này tới pyridine khác nhưng không nhất thiết theo thứ
tự tính nucleophilvà tính bazơ của chúng.
Bamir và Aharoni đã so sánh sự hấp phụ clo-xianua trên than hoạt tính trước và
sau khi mang lên Cu(II), Cr(VI), Ag(I), và NĨỈ4
+
trong một tỉ lệ cho trước. Sự hấp phụ
clo-xianua là thuận nghịch trong trường hợp của than hoạt tính, đã trở thành không thuận
nghịch sau khi tẩm mặc dù khả năng hấp phụ không đổi.Reucroft và Chion cũng so sánh
trạng thái hấp phụ của than hoạt tính BPL trước và sau khi tẩm với Cu(II), Cr0
4
2
, và Ag(I)
cho clorofor, cynogen chlorua, phosgen và hydrogen xyanua. Cacbon được tẩm đã cho
thấy cả khả năng hấp phụ hóa học và khả năng hấp phụ vật lý, khả năng hấp phụ hóa học
được giải thích rõ hơn trong phosgen, cynogen clorua và hygro xyanua.Tất cả các than
được tẩm đều giữ lại lượng đáng kể ba chất được mang lên sau khi qua sấy chân không ở
150°c.Sự hấp phụ hơi nước mà hỗn hợp hơi nước với HCN tăng gấp mười lần so với than
hoạt tính thông thường.

7. Ứng dụng
Carbon hoạt tính có nhiều ứng dụng rộng rãi,trong nhiều lĩnh vực :
A. Ứng dụng trong hóa học phân tích.
Hỗn hợp 50:50 về khối lượng của than hoạt tính với celite được dùng làm pha tĩnh
trong phép phân tích sắc kí áp suất thấp để phân tách các carbohydrate ( mono , di, tri-
saccharides) , và sử dụng dung dịch ethanol (5-50%) làm pha động.
12
B. Các ứng dụng về môi trường.
Sự hấp phụ của carbon có những ứng dụng rộng rãi trong việc loại bỏ những chất gây
ô nhiễm trong không khí và trong nước , điển hình như :xử lý nước ngầm ; lọc nước
uống ; lọc không khí ; lọc bỏ những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ sơn,chất tẩy rửa, các
quá trình khai thác dầu mỏ và còn rất nhiều ứng dụng khác.
Ngoài ra, Carbon hoạt tính cũng được sử dụng để đo nồng độ radon trong không khí.
Một số ví dụ :
 Than hoạt tính ứng dụng lọc nước: sẽ khử sạch các chất bẩn có trong nước, và các
nguyên tố kim loại có trong nước, còn có khả năng khử đi mùi có hại cho sức khỏe
trong nước…
13
Hình 4 : Trong công nghệ lọc nước: Lõi lọc nước cũng có mặt của than hoạt tính.
14
Hình 5 :PGS.TS Trần Hồng Côn, giảng viên khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà
Nội đã đưa ra công nghệ có thể lọc bất kỳ loại nước nào thành nước uống trực tiếp. Trong đó,
PGS.TSTrần Hồng Côn sử dụng than hoạt tínhđể khử chất hữu cơ và bạc để khử vi khuẩn.
Hình 6:Than hoạt tính là chất hấp phụ phổ biến, đã được áp
dụng lâu đời trong xử lý nước để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ
tự nhiên, các chất ô nhiễm vô cơ, các chất hữu cơ tổng hợp khó
phân hủy như phenols, thuốc trừ sâu, chất tẩy rửa, THT dạng hạt
(GAC) được sử dụng rộng rãi như một loại vật liệu lọc.Có thể sử
dụng GAC trong bể lọc riêng biệt, đặt sau bể lọc cát thông
thường, để loại bỏ các chất hữu cơ còn lại trong nước sau bể lọc

cát.Thời gian sử dụng của cột lọc GAC phụ thuộc vào loại và
lượng chất ô nhiễm trong nước. Thông thường, tuổi thọ GAC dùng để xử lý các sản phẩm phụ của Clo
hóa khoảng 6 - 12 tháng, để xử lý thuốc trừ sâu, các chất hữu cơ tổng hợp khoảng 1 - 2 năm, để xử lý mùi
và vị (từ các gốc aldehytes, phenols ) khoảng 2 - 5 năm.
C. Ứng dụng về y tế
Carbon hoạt tính được sử dụng theo đường miệng trong các trường hợp nhiễm độc
hoặc quá liều thuốc. Nó được cho là sẽ liên kết với chất độc,ngăn cản sự hấp thụ theo
đường tiêu hóa. Liều lượng thường được dùng là 1gram/1kg thể trọng (với thanh niên
hoặc người trưởng thành,liều lượng là 50-100g), thường chỉ dùng 1 lần duy nhât,nhưng
tùy thuộc vào loại chất độc,nó có thể được sử dụng nhiều hơn 1 lần. Trong những trường
hợp rất hiếm, carbon hoạt tính còn được sử dụng trong phòng cấp cứu để lọc những loại
thuốc độc hại ra khỏi máu của bệnh nhân. Sử dụng than hoạt tính đã trở thành một
phương pháp phổ biến trong điều trị nhiễm độc,khiến cho các phương pháp giải độc khác
trở nên ít được sử dụng hơn.
15
Hình 7 :Trong y dược: dùng sản xuất thuốc điều trị ngộ độc
Hình 8: Viên than hoạt tính trong điều trị ngộ độc
Tuy nhiên, người ta thấy carbon hoạt tính chỉ phát huy tác dụng trong các trường
hợp nhiễm độc cấp, nó không có nhiều tác dụng đối với những trường hợp nhiễm độc
kéo dài , ví dụ như nhiễm độc thuốc trừ sâu.
Cơ chế giải độc :
+Liên kết với chất độc nhằm ngăn cản sự hấp thụ vào dạ dày và đường tiêu hóa,sự
liên kết là thuận nghịch,vì vậy có thể thêm vào 1 loại thuốc tẩy nhẹ như sorbitol
+Làm gián đoạn sự chuyển hóa của thuốc/chất độc trong cơ thể
Sử dụng than hoạt tính sai mục đích (ví dụ vào phổi) dẫn đến tắc phổi và có thể gây tử
vong nếu không được cấp cứu kịp thời.Carbon hoạt tính bị cấm sử dụng nếu chất độc bị
hấp thụ vào cơ thể là 1 acid kiềm hay các sản phẩm dầu mỏ.
Thuốc viên hoặc viên con nhộng chứa carbon hoạt tính được sử dụng ở nhiều nước để
điều trị tiêu chảy,khó tiêu và đầy hơi.Có nhiều bằng chứng cho thấy hiệu quả của nó
16

trong việc chữa trị tiêu chảy ở những bệnh nhân ung thư đang dùng thuốc điều trị ung
thư. Carbon hoạt tính cũng được sử dụng để làm sạch ruột bệnh nhân trước khi chụp x-
quang bụng bằng cách làm giảm hàm lượng khí đường ruột.
Hình 8 : Khẩu trang than hoạt tính phòng độc.
D. Tích trữ nhiên liệu
Nhiều nghiên cứu được tiến hành để thử khả năng lưu trữ khí thiên nhiên và khí
hydro của carbon hoạt tính.Nó hoạt động như một miếng bọt biển đối với nhiều loại khí
khác nhau.Khí gas được hấp phụ vào nhờ lực liên kết Van der Waals.Khí sau đó có thể
được giải hấp khi tăng nhiệt , có thể được đốt cháy luôn để sử dụng ,hoặc nếu khí là
hydro có thể sử dụng trong pin nhiên liệu.Lưu trữ khí trong carbon hoạt tính là một
phương pháp lưu trữ đầy hứa hẹn,vì khí có thể được bảo quản ở môi trường áp suất
thấp,khối lượng thấp,tiện lợi hơn việc lưu trữ trong các bom khí cồng kềnh rất nhiều.
E. Lọc khí
Những màng lọc chứa carbon hoạt tính thường được sử dụng trong khí nén hoặc
trong quá trình tinh chế khí để loại bỏ hơi ẩm,những hợp chất thơm và những
hydrocarbon khác.Quá trình lọc thường là 1 hoặc 2 giai đoạn và carbon hoạt tính được
nhúng bên trong dụng cụ lọc.
17
Hình 9 :Xử lý khí thải bằng than hoạt tính
F. Lọc hóa chất
Carbon hoạt tính thường được sử dụng để lọc sạch những dung dịch chứa những
tạp chất màu không mong muốn,điển hình là quá trình kết tinh lại sản phẩm trong Hóa
Học Hữu Cơ.
G. Chưng cất, tinh chế đồ uống có cồn
Màng lọc carbon hoạt tính có thể được dùng để lọc những tạp chất hữu cơ có thể
ảnh hưởng tới màu sắc,mùi vị hoặc hương vị của rượu vodka hoặc whiskey.Khi được lọc
ở tốc độ dòng thích hợp , rượu vodka sẽ có hàm lượng cồn chính xác và độ tinh khiết
tăng lên đáng kể.
F.Loại bỏ thủy ngân.
Carbon hoạt tính, thường được tẩm lưu huỳnh hoặc iod, được sử dụng rộng rãi để

giữ thủy ngân phát sinh từ những nhà máy nhiệt điện,lò đốt rác thải y tế và từ những khí
thiên nhiên.Loại carbon đặc biệt này có giá tới 4USD/kg ,nhưng chúng thường ko được
tái chế.
18
H. Một số ứng dụng khác trong đời sống.
 Trong các sản phẩm làm đẹp cho phái nữ: sữa rửa mặt ponds carbon hoạt tính, mặt
nạ carbon hoạt tính, mascara,…
I.
 Ứng dụng làm khung lọc khử mùi, lọc khí trong y dược, trong công nghiệp

 Ứng dụng trong lót giầy than hoạt tính khử mùi, hút ẩm. Trong các sản phẩm tiêu dùng cá
nhân: như quần lót than hoạt tính, vớ than hoạt tính,…

 Trong các sản phẩm chăm sóc giấc ngủ cũng có sự góp phần của carbon hoạt tinh, như: đệm
Everon, gối Everon,
19
 . Trong hệ thống lọc khử mùi khói bếp.
 Đối với nam giới cũng có sản phẩm Clear men Carbon hoạt tính.

 Túi than hoạt tính khử mùi, loại bỏ mùi hôi một cách tự nhiên, cho không khí quanh bạn
luôn thoáng mát
20
 Miếng lót Carbon hoạt tính khử mùi nón bảo hiểm: khử mùi, hút ẩm, hút mồ hôi, cho bạn
cảm giác luôn thoáng mát, sạch sẽ.
10.Tài liệu tham khảo.
21
1. Trịnh Xuân Đại, Khoa Hóa, ĐHKHTN, “Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ
xử lý amonỉ và kim loại nặng trong nước”
2. Bansal R.c., Goyal M.(2005), “Activated Carbon Adsorption”, Taylor & Francis Group,USA.
3. />4. a/index.php/gio-thieu-ve-than-hoat-tinh

22