Phân loại và ứng dụng than hoạt tính

Phần I
Giới thiệu lịch sử phát triển của than hoạt tính
I-/ Giới thiệu chung.
Than hoạt tính đợc loài ngời sử dụng và sản xuất. Vào thế kỷ thứ 3 ngời
Trung Hoa dã sản xuất ra mực tàu chất lợng cao. Trong thành phần của mực này
có muội than đợc sản xuất bằng cách đốt cháy dầu mỡ dới bát sành úp ngợc. Trải
qua nhiều thế kỷ với nhu cầu sử dụng cao. Vào năm 1870 than hoạt tính đã có mặt
trên thị trờng thơng mại, với nhu cầu về sử dụng nó có tên gọi chung là bồ hóng
nguyên liệu đầu để sản xuất là dầu mỡ nhựa tinh chế [245-2]. Năm 1872 với sự
ngiên cứu của các tác giả Haworth và Lamb, hai ông đã đa ra loại than hoạt tính sử
dụng nguyên liệu đầu là khí tự nhiên đợc sản xuất nhiều ở New Cumberlan, West
Virginia(Mỹ). Năm 1892 ở Mỹ đã sảnm xuất ra loại than hoạt tính gọi là than
máng. Do sáng chế của tác giả John MacNatte. Năm 1916 Braun và Ulinger đã đa
ra phơng pháp nhiệt phân để sản xuất than hoạt tính. Năm 1943 ở bang Texas than
hoạt tính đợc sản xuất bằng phơng pháp lò (lò khí, lò lỏng) với tổ chức quy mô
công nghiệp lớn hơn hiện đại hơn. Cho đế naycác phơng pháp sản xuất trên đợc áp
dụng rộng rãi và sản xuất ra nhiều loại than khác nhau đáp ứng nhu cầu sử dụng
cho các nghành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp cao su nói riêng.
Than hoạt tính đợc sản xuất với tổng sản lợng lớn nhất và quy mô công nghiệp lớn
nhất ở nớc Mỹ. Sau đó đến các nớc phơng tây. Các phơng pháp sản xuất chủ yếu ở
Mỹ dùng ba phơng pháp chính :
1_Phơng pháp sản xuất than máng.
2_Phơng pháp sản xuất nhiệt phân.
3_Phơng pháp sản xuất lò.
Từ những phơng pháp trên mà đa ra rất nhiều loại than khác nhau với các
tính chất khác nhau, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
Từ đó rút ra khái niệm chung của than hoạt tính :là sản phẩm cháy không
hoàn toàn của các hợp chất cácbua hydro.
1
Phần II
Tổng quan về tính chất hoá học, vật lý

của than hoạt tính
Than hoạt tính đợc sản xuất và bán trên thị trờng quốc tế rất đa dạng. Mỗi
loại than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng nhu cầu của công nghiệp nói chung,
công nghiệp gia công cao su nói riêng. Tuy nhiên xét về mặt hoá học và đặc trng
kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm chung quyết định đến khả năng tăng cờng
lực cho cao su. Những luận điểm chung đó là [166-1].
*Cấu tạo hoá học.
*Mức độ phân tán.
*Cấu trúc của than.
*Khối lợng riêng của than.
Và các đặc trng khác.
I-/ Những đặc trng về tính chất vật lý.
1- Kích thớc hạt và bề mặt riêng của than hoạt tính[167-1].
Trong quá trình sản xuất do có sự va chạm, khuấy trộn. Các hạt than sơ khai
thờng có cấu trúc khối cầu hoặc gần với khối cầu. Các khối cầu nằm bên nhau
trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thớc của hạt để giảm
năng lợng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Những chuỗi thay đổi này không
những trong quá trình sản xuất than mà cả trong quá trình gia công giữa than hoạt
tính và cao su. Có các phơng pháp sản xuất than hạot tính khác nhau nên có các
laọi than hoạt tính có tính chất khác nhau, hình dạng kích thớc hạt khác nhau. Nên
trớc khi đa vào sử dụng cần xác định đợc các thông số(kích thớc hạt, diện tích
riêng bề mặt hạt than.). Vì những thông số này là một trong những nhân tố ảnh h-
ởng trực tiếp đến tính chất của cao su tăng cờng lực bằng than hoạt tính.
Ngời ta đã dùng hai phơng pháp để xác định kích thớc hạt than, diện tích
riêng bề mặt, đó là :
*Phơng pháp kính hiển vi điện tử.
*Phơng pháp hấp phụ lên bề mặt.
Vì các kích thớc hạt, diện tích bề mặt của than khác nhau nên giá trị tính
toán thờng lấy giá trị trunh bình
2

Phơng pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho ta giá trị đờng
kính trung bình hạt than với các phơng pháp sản xuất than khác nhau:
Ví dụ than máng đờng kính hạt trung bình là 100-300A
0
.
Lò lỏng đờng kính hạt trung bình là 180-600A
0
.
Lò khí đờng kính hạt trung bình 400-800A
0
.
Phơng pháp nhiệt phân đờng kính hạt trung bình lớn nhất là 1400-4000A
0
.
Ngời ta đã đa ra đợc công thức tính đờng kính trung bình của hạt than hoạt tính
[245-2].
n*d
D
n
= -----------
n
Trong đó n là số hạt.
d là đờng kính hạt.
Kích thớc hạt cũng xác định bằng phơng pháp gián tiếp nhờ phơng pháp hấp
phụ theo BET.
2 - Diện tích bề mặt riêng của hạt than hoạt tính:
*Phơng pháp tính toán hình học, phơng pháp tính tón theo lợng chất lỏng
phân tử thấp hoàn toàn trơ hoá học với than hoạt tính nhng đợc hấp phụ lên bề mặt
của than hoạt tính. Theo phơng pháp thứ nhất các kích thớc hình học của than hoạt
tính đợc xác định bằng kính hiển vi điện tử. Nừu chấp nhận các hạt than hoạt tính

có dạng khối cầu về bề mắt các hạt than phẳng nhẵn tuyệt đối. Diện tích bề mặt
hình học riêng S
h
đợc tính theo công thức S
h
= 6/.D
A
; [168-1]
Trong đó : là khối lợng riêng của than hoạt tính.
D
A
đờng kính bề mặt trung bình hạt than.
n.d
3
D
A
= ---------
n.d
2
Trong đó n là số hạt, d là đờng kính hạt.
Diện tích bề mặt riêng đợc xác định theo phơng pháp này gọi là diện tích bề
mặt hình học riêng (S
h
).
3
Theo phơng pháp thứ hai diện tích bề mặt riêng đợc xác định theo lợng chất
lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hoá học với than hoạt tính, nhng hấp phụ lên bề
mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp thờng dùng là Nitơ ở nhiệt độ
sôi của nó, các dung dịch Iốt và Phênol. Diện tích riêng bề mặt đợc tính toán bằng
phơng pháp này đợc gọi là diện tích hấp phụ riêng S

p
.
Giá. trị S
p
cho mỗi chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau, vì chất lỏng
có phân tử lợng lớn hơn càng kém hấp phụ bao phủ lên vết xớc xủa hạt than. Để
đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu trúc than có thể sử dụng tỷ số gia
diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề
mặt tiếp xúc giữa hai pha Polyme - chất độn càng nhiều và mức độ tăng cờng lực
càng cao. Ngợc lại ở những vết xớc khi các mạch đại phân tử quá lớn không che
phủ đợc toàn bộ bề mặt than các chất trong hệ thống lu hoá, phòng lão. Sẽ bị hấp
phụ vào đó làm động học cũng nh mức độ lu hoá cao su bị thay đổi nhiều. Tính
chất cơ lý và tính năng sử dụng của vật liệu ít đợc tăng cờng.
3 - Cấu trúc vật lý của than hoạt tính [169-1].
Cấu trúc của than hoạt tính đợc đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc
bậc nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc chuối phụ thuộc vào phơng pháp sản
xuất phụ thuộc vào nguyên liệu đầu đa vào sản xuất than. Cấu trúc bậc nhất phất
triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phơng pháp lò. Liên kết hoá học C - C
đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao. Số lợng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao
động từ vài hạt đỗi với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc
cao. Trong thời gian bảo quản than hoạt tính các cấu trúc bậc nhất của than tiếp
xúc với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hai của than hoạt tính.
Mức độ bền vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu
trúc bậc nhất và dao động trong khoảng độ bền của liên kết Vandecvan đến độ bền
liên kết hydro có trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có
kích thớc càng nhỏ, mức độ nhám của bề mặt càng lớn và hàm lợng các nhóm
chứa oxy trên bề mặt than càng cao. Cấu trúc bậc hai của than hạot tính bị phá huỷ
hết khi hỗn luyện với cao su các cấu trúc này tuy nhiên có thể tái hình thành khi
bảo quản thành phẩm, lu hoá và ngay cả khi sản phẩm đã lu hoá. Cấu trúc của than
hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử và cố thể đánh giá

gián tiếp qua lợng dầu đợc than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu của than). Trị số dầu
của than hoạt tính là lợng dầu hay lợng chất lỏng không bốc hơi ml, trơ hoá học
với than hoạt tính nhng đợc hấp phụ lên bề mặt của than bịn ớt tạo tthành bột
nhão. Theo lý thuyết lợng dầu hấp phụ này chính là khoảng không gian giữa các
hạt than khi hạt than này nằm sát với hạt kia. Nếu cấu trúc của than càng lớn mức
4
độ kết bó chặt chẽ của than giảm lợng dầu cần thiết để trộn miết với than càng
nhiều hơn. Nh vậy trị số dầu là đại lợng tổng hợp để đánh giá giá trị diện tích bề
mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính.
4 - Khối lợng riêng của than hoạt tính. [170-1].
Khối lợng riêng than hoạt tính là đại lợng phụ thuộc vào phơng pháp xác
định nó. Chẳng hạn nếu dùng nh rợu, axêtôn để xác định khối lợng riêng cho than
hoạt tính thì rợu và axêtôn lại là các phân tử quá lớn không luồn lỏi vào các khe,
kẽ giữa của các hạt than, trên bề mặt của hạt than. Nh vậy thể tích do các hạt than
chiếm sẽ lớn và khối lợng riêng sẽ nhỏ hơn khối lợng riêng thực của than. Khối l-
ợng riêng của than hoạt tính xác định bằng phơng pháp này dao động trong
khoảng từ 1800-1900 kg/m
3
. Khi xác định khối lợng riêng của than hoạt tính trong
Heli lỏng nhận đợc giá trị từ 1900-2000kkg/m
3
. Khối lợng riêng của than hoạt tính
đợc tính toán theo hằng số mạng tinh thể nhận giá trị từ 2180-2160kg/m
3
.
Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm ở sát bên nhau và ở các góc cạnh,
các cung là không khí vì thế khối lợng riêng của nó nhỏ hơn nhiêù và dao động từ
80-300kg/m
3
phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than. Than có cấu trúc

càng lớn khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá trị khối lợng riêng càng
nhỏ.
Qua ứng dụng của than hoạt tính ngời ta thấy rằng giá trị khối lợng riêng
1860kg/m
3
thờng đợc sử dụng khá phổ biến. Trong công nghệ gia công cao su ng-
ời ta thờng sử dụng loại than hoạt tính có khối lợng riêng là 1800kg/m
3
[252-2].
II-/ Đặc trng về mặt hoá học của than hoạt tính [161-1].
Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơnghen cho thấy
các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng cóa cấu tạo từ các vòng Cacbon(vị
trí sắp xếp các nguyên tử cácbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử
cácbon trong Benzen). Các nguyên tử Cácbon liên kết với nhau bằng liên kết hoá
học đợc biểu diễn hình dới đây.
5
Khoảng 3-7 mạng các bon phẳng nh vậy sắp xếp thành từng lớp mạng này
lên mạng khác nhng không trồng khít và chính xác nh nhau mà các nguyên tử
cácbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của
than hoạt tính, lực liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong một mạng. Khoảng
cách giữa các nguyên tử cácbon trong cùng một mạng là 1,42 A
0
khoảng cách giữa
các nguyên tử cácbon tơng ứng ở hai mạng kề nhau là 3,6-3,7A
0
Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100-200 nguyên
tử cacbon. Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các
hạt than đầu tiên. Số lợng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thớc
của hạt than, chằng hạn than hoạt tính đợc sản xuất bằng phơng pháp khuyếch tán
MacDG-100 chứa từ 5000-10000 tinh thể.

Trong quá trình sản xuất do có sự va chạm, khuấy trộn các hạt than sơ khai
thờng có khối cầu hoặc gần khối cầu. Các khối cầu nằm bên trong hỗn hợp phản
ứng lại liên kết với nhau nhằm tăng kích thớc của hạt để giảm năng lợng tự do bề
mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thớc của chuối phụ thuộc vào tính
chất của từng loại than. Các chuỗi hạt nh vậy đợc gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của
than hoạt tính. Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính các nguyên tử cácbon
6
nằm ở mặt ngoài (nguyên tử cácbon cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hoá học
lớn và vì, vậy nó là trung tâm của các quá trình ôxy hoá tạo cho bề mặt thn hàng
loạt các nhóm hoạt đọng hoá học khác nh nhóm hydroxyl, cácbôxyl, cácbônyl,
xêtôn... đợc biểu diễn nh sau.
Ngoài Cácbon trong thành phần hoá học của than hoạt tính còn có hydro, lu
huỳnh, ôxy và các khoáng chất khác. Các nguyên tử này đợc đa vào than hoạt tính
cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình ôxy hoá. Sự có mặt của các hợp chất
chứa ôxy trên bề mặt than hoạt tính đợc chính minh bằng phản ứng axít huyền phù
trong nớc của than hoạt tính. Sự có mặt của các khoáng chất trong than hoạt tính
cho phản ứng kiềm yếu.
Bảng 1 thành phần nguyên tố một số loại than hoạt tính [252-2].
Loại
Hàm lợng %
Cacbon Oxy Hyđro Chất dễ bay hơi
Tăng cờng máng 95,2 3,6 0,6 5
Bán tăng cờng lò 99,2 0,4 0,3 1,2
Tăng cờng lò lỏng 98,2 0,8 0,3 1,4
Nhìn chung tuỳ vào từng loại than với các phơng pháp sản xuất khác nhau
nên thành phần của chúng cũng khác nhau nhng nó than hoạt tính nằm trong giới
hạn cho phép :
Cácbon 80-99,5%
Hydro 0,3-1,3%
Oxy 0,5-15%

Nitơ 0,1-0,7%
7