Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------

PHẠM VĂN CỬ

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP
PHỤ HƠI THỦY NGÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------

PHẠM VĂN CỬ

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP
PHỤ HƠI THỦY NGÂN

Chuyên ngành: Hóa Môi Trường
Mã số: 60 44 41

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG VĂN HÀ

Hà Nội - 2012

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS.
Hoàng Văn Hà đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí
báu trong quá trình nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS
Trần Hồng Côn cùng các thầy, cô trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã tận
tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn.
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.
Xin 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 làm thực
nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên cao học
Phạm Văn Cử


MỤC LỤC
......................................................................................................................................3
MỤC LỤC..................................................................................................................4
International Union of Pure and Applied Chemistry............................................4
Nuclear magnetic resonance..................................................................................4
X-ray Photoemission Spectroscopy.......................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................4
Chương 1: Tổng quan...................................................................................................5
1.1.Giới thiệu chung về thủy ngân............................................................................5
1.1.1.Một số tính chất và ứng dụng của thủy ngân...............................................6
1.1.2.Nguồn phát thải và độc tính của thủy ngân..................................................8
1.2.4.Nhóm cacbon – oxi trên bề mặt than hoạt tính[7].....................................15

2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu....................................................................27
2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................27
2.1.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................28
2.2. Thiết bị và hóa chất nghiên cứu.......................................................................28
2.2.1. Sơ đồ thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân........................................................28
2.2.2. Một số thiết bị và dụng cụ khác................................................................30
2.4.1. Phương pháp Phổ hồng ngoại [5]..............................................................31
2.4.2. Phương pháp tính tải trọng hấp phụ cực đại[1].........................................32
KẾT LUẬN.................................................................................................................53


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

3.1

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo hơi Hg

35

3.2

Kết quả chuẩn độ xác định nồng độ Br2

36

3.3

Kết quả đánh giá khả năng mang bromua của than hoạt tính

38

3.4

Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than hoạt tính
ở các nhiệt độ khác nhau

42

3.5

Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB1 ở các nhiệt độ khác nhau

43

3.6

Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB2 ở các nhiệt độ khác nhau

44

3.7

Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB3 ở các nhiệt độ khác nhau

44

3.8

Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB4 ở các nhiệt độ khác nhau

45

3.9

Kết quả hấp phụ hơi Hg của các loại than ở 40oC

47

3.10

Kết quả hấp phụ hơi Hg của các loại than ở 50oC

48

3.11

Kết quả hấp phụ hơi Hg của các loại than ở 60oC

50

3.12

Mối liên hệ giữa lượng Hg hấp phụ trên cột theo thời gian

52

DANH MỤC HÌNH VẼ


Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Ảnh X-Quang chụp bệnh nhân đã uống thủy ngân nguyên tố

6

1.2

So sánh mạng tinh thể 3 chiều của than chì (a) và cấu trúc
turbostratic (b)

9

2.1

Sơ đồ thiết bị hấp phụ hơi Hg

26

2.2

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

30

2.3

Đường phụ thuộc của Ct/q vào Ct

30

2.4

Đường chuẩn xác định nồng độ Hg2+

32

3.1

Sơ đồ khối bộ thiết bị hóa hơi và hấp phụ Hg

33

3.2

Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào quá trình tạo hơi Hg

35

3.3

Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa lượng Br2 đem ngâm tẩm với
lượng Br2 mang trên than

38

3.4

Đồ thị biễu diễn tọa độ BET của than hoạt tính

39

3.5

Đồ thị biễu diễn tọa độ BET của than biến tính CB4

40

3.6

Phổ hồng ngoại của than hoạt tính

41

3.7

Phổ hồng ngoại của than biến tính

41

3.8

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ
hơi Hg của than hoạt tính

43

3.9

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ
hơi Hg của các loại than biến tính

46

3.10

Đồ thị biễu diễn khả năng hấp phụ hơi Hg của các loại than ở
40oC

48

3.11

Đồ thị biễu diễn khả năng hấp phụ hơi Hg của các loại than ở

50oC

49

3.12

Đồ thị biễu diễn khả năng hấp phụ hơi Hg của các loại than ở
60oC

50

3.13

Đồ thị biểu diện lượng hơi Hg hấp phụ trên cột vật liệu CB4

53


theo thời gian

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Viết tắt

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

1.

2.

EPA

FTIR

Environmental Protection

Cơ quan Bảo vệ Môi trường

Agency

Hoa Kỳ

Fourier Transform Infrared

Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi
Fourier

3.

IR

Infrared

Phổ hồng ngoại

4.

IUPAC

International Union of Pure
and Applied
Chemistry
Nuclear magnetic resonance

Liên hiệp Hóa học Thuần túy

X-ray Photoemission
Spectroscopy

Phổ quang điện tử tia X

5.

NMR

6.

XPS

và Ứng dụng Quốc tế
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp làm gia tăng lượng các chất ô
nhiễm phát thải vào môi trường trong đó có thủy ngân. Hơi thủy ngân được phát
thải chủ yếu từ quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch như: dầu mỏ, than, ... quá

trình hoạt động của núi lửa và một số quá trình khác. Hơi thủy ngân dễ dàng đi vào


cơ thể thông qua quá trình hô hấp. Với khả năng tan trong mỡ, dễ kết hợp với các
phân tử. Cho nên nó có thể làm mất chức năng của các cơ quan, hủy hoại nghiêm
trọng tới hệ thần kinh trung ương. Nếu hít phải một lượng lớn thủy ngân có thể dẫn
tới tử vong. Do vậy, việc nghiên cứu ra loại vật liệu có khả năng hấp phụ hơi thủy
ngân cao là cần thiết.
Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý hơi thủy ngân, trong
đó phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả
nhất. Quá trình lưu giữ thuỷ ngân trên than hoạt tính chủ yếu là hấp phụ vật lý, độ
bền liên kết yếu. Thuỷ ngân và các hợp chất của nó có khả năng bay hơi và dễ phát
tán trở lại môi trường ngay ở nhiệt độ thường. Do vậy, người ta đã nghiên cứu biến
tính than hoạt tính nhằm thay đổi cấu trúc bề mặt làm tăng dung lượng hấp phụ
đồng thời tạo liên kết bền hơn giữa thủy ngân với than hoạt tính. Trong khuôn khổ
luận văn này, chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính than
hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân” với hi vọng vật liệu này được ứng
dụng để kiểm soát, xử lý hơi thuỷ ngân phát thải trong các quá trình thực tiễn.

Chương 1: Tổng quan
1.1.

Giới thiệu chung về thủy ngân
Thủy ngân là một nguyên tố hiếm trong vỏ trái đất, được tìm thấy hoặc như

là kim loại tự nhiên (hiếm thấy) hay trong chu sa (HgS), corderoit (Hg3S2Cl2),
livingstonit (HgSb4S8) và các khoáng chất khác với chu sa là quặng phổ biến nhất.
Người Trung Quốc và Hindu cổ đại đã biết tới thủy ngân khi nó được tìm thấy trong
các ngôi mộ cổ ở Ai Cập vào khoảng những năm 1500 TCN. Người Ấn độ và
Trung Quốc cổ đại cũng đã biết dùng thủy ngân để hòa tan vàng và bạc. Tại Tây

Ban Nha người ta có thể tìm thấy thủy ngân tự nhiên ở trong đáy các hồ trên núi
cao. Các nước có nhiều thủy ngân như Nga, Mỹ, Tây Ban Nha. Trong ngôn ngữ


châu Âu, nguyên tố thủy ngân được đặt tên là Mercury, lấy theo tên của thần
Mercury của người La Mã, được biết đến với tính linh động và tốc độ. Hầu hết Hg
đã bị người La Mã tiêu thụ và tạo chất màu đỏ của thần sa, nhưng Hg cũng được sử
dụng để điều trị nhiều bệnh khác. Sau sự suy sụp của đế quốc La Mã , Hg chủ yếu
được sử dụng để bào chế thuốc. Năm 1643, Toricelli đã phát minh ra dụng cụ đo
nhiệt gọi là nhiệt kế sơ khởi nhưng chưa sử dụng Hg. Mãi đến năm 1720,
Fahrenheit giới thiệu nhiệt kế Hg và bắt đầu đưa vào nghiên cứu khoa học.
1.1.1. Một số tính chất và ứng dụng của thủy ngân
Thủy ngân là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Hg (từ
tiếng Hy Lạp hydrargyrum, tức là thủy ngân (hay bạc lỏng) và số nguyên tử 80. Là
một kim loại lưỡng tính nặng có ánh bạc, thủy ngân là một nguyên tố kim loại được
biết có dạng lỏng ở nhiệt độ thường, có tính dẫn nhiệt kém nhưng dẫn điện tốt.
Thủy ngân có khối lượng phân tử tương đối lớn là 200,59, nóng chảy ở
-38.87oC, nhiệt độ sôi tại 356,72oC và khối lượng riêng là 13,534 g/cm 3 ở 25oC.
Thủy ngân nguyên tố là dạng dễ bay hơi nhất của thủy ngân, có áp suất hơi ở 25 oC
là 0,3Pa, hóa hơi ngay ở nhiệt độ phòng.
Thủy ngân hầu như không tan trong nước (56 mg/lít tại 25 oC), không tan
trong axit clohyđric. Thủy ngân nguyên tố tan trong chất béo và axit nitric, tan trong
pentan (C5H12) (2,7 mg/lít), tan trong axit sulfuric khi sôi.
Thủy ngân tạo ra hợp kim với phần lớn các kim loại, bao gồm vàng, nhôm và
bạc, đồng nhưng không tạo với sắt. Do đó, người ta có thể chứa thủy ngân trong
bình bằng sắt. Telua cũng tạo ra hợp kim, nhưng nó phản ứng rất chậm để tạo ra
telurua thủy ngân. Hợp kim của thủy ngân được gọi là hỗn hống. Kim loại này có
hệ số nở nhiệt là hằng số khi ở trạng thái lỏng, hoạt động hóa học kém kẽm và
cadmium.
Trạng thái ôxi hóa phổ biến của thủy ngân là +1 và +2. Rất ít hợp chất trong

đó thủy ngân có hóa trị +3 tồn tại. Thủy ngân rất độc, có thể gây chết người khi bị
nhiễm độc qua đường hô hấp.
Trong tự nhiên, thủy ngân có mặt ở dạng vết của nhiều loại khoáng, đá. Các
loại khoáng này trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân. Quặng chứa thủy


ngân chủ yếu là Cinnabarit (HgS). Các loại nguyên liệu, than đá và than nâu chứa
vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân. Hàm lượng trung bình tự nhiên trong đất trồng
là 0,1 phần triệu.
Thủy ngân là nguyên tố tương đối trơ về mặt hoá học so với các nguyên tố
trong nhóm IIB, có khả năng tạo hỗn hống với các kim loại. Sự tạo thành hỗn hống
có thể đơn giản là quá trình hoà tan kim loại vào trong thủy ngân lỏng hoặc là sự
tương tác mãnh liệt giữa kim loại và thủy ngân. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ của kim loại tan
trong thủy ngân mà hỗn hống ở dạng lỏng hoặc rắn. Một công dụng rất lớn của thủy
ngân được con người sử dụng từ xa xưa đó là tạo hỗn hống với vàng, bạc để tách
nguyên tố này khỏi đất, đá, quặng.
Ở nhiệt độ thường, thủy ngân không phản ứng với oxi, nhưng phản ứng
mãnh liệt ở 3000C tạo thành HgO và ở 4000C oxit này lại phân huỷ thành nguyên tố.
Ngoài ra, thủy ngân còn tác dụng với halogen, lưu huỳnh và các nguyên tố không
kim loại khác như phốt pho, selen v.v... Đặc biệt tương tác của thủy ngân với lưu
huỳnh và iot xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ thường do ái lực liên kết của nó với lưu
huỳnh và iot rất cao.
Thủy ngân là một kim loại tạo nên nhiều hợp chất rất kém bền và dễ phân
hủy nổ như HgC2, Hg3N2, Hg(N3)2 và Hg(OCN)2. Ví dụ HgC2 được tạo nên khi C2H2
tác dụng với dung dịch HgCl 2. Nó có kiến trúc tinh thể giống CaC 2 nhưng khi tác
dụng với axit không tạo nên C2H2 mà CH3CHO:
HgC2 + 2HCl
+
H 2O =
Sơ đồ thế oxi hóa – khử:

HgCl2

+

CH3CHO

0,789
0,920
Hg22+
Hgo
Hg2+
cho thấy muối Hg(II) có khả năng oxi hóa, khi tác dụng với những chất khử
0,854
muối Hg(II) mới đầu biến thành muối Hg(I) rồi sau đó biến thành Hg(0). Ngay khi
tác dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg(II) tạo thành muối Hg(I).
Ví dụ:
Hg(NO3)2 + Hg = Hg2(NO3)2
Bởi vậy khi tác dụng với axit nitric hay axit sunfuric đặc, nếu có dư thủy
ngân thì sản phẩm thu được không phải là muối Hg(II) mà là muối của Hg22+.[3]
Thủy ngân được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ba lĩnh vực được sử
dụng nhiều nhất là: Công nghiệp sản xuất Cl 2 và NaOH bằng phương pháp điện


phân sử dụng điện cựu thủy ngân (điện cực calomen), Nhà máy sản xuất các thiết bị
điện, như đèn hơi thủy ngân, pin thủy ngân, máy nắn và ngắt dòng, các thiết bị kiểm
tra công nghệ, Nông nghiệp: sử dụng một lượng lớn thủy ngân trong sản xuất chất
chống nấm trong việc làm sạch hạt giống. Nhưng do các hóa chất này gây nhiễm
độc cho người dùng và tồn tại lâu dài trong môi trường tự nhiên nên từ năm 1996 ở
Việt Nam đã cấm sử dụng các chất này.

Thủy ngân còn được sử dụng trong các lĩnh vực như trong y tế; trong chế tạo
các dụng cụ nghiên cứu khoa học và dụng cụ trong phòng thí nghiệm (nhiệt kế, áp
kế…); chế tạo các hỗn hống được sử dụng trong các công việc sau: trong nha khoa
để hàn trám răng, trong ắc quy sắt – niken, các hỗn hống với vàng và bạc trước kia
dùng để mạ vàng, mạ bạc theo phương pháp hóa học ngày nay được thay thế bằng
phương pháp điện phân, tách vàng và bạc ra khỏi quặng của chúng; chế tạo ra các
hợp chất hóa học có chứa thủy ngân.
1.1.2. Nguồn phát thải và độc tính của thủy ngân
1.1.2.1.

Nguồn phát thải

Thủy ngân là chất độc có trong môi trường từ nhiều nguồn khác nhau, đặc
biệt là do đốt than và khai thác mỏ và các nguồn tự nhiên, chẳng hạn như núi lửa,
đất, nước biển bay hơi. Tuy nhiên, thủy ngân tồn tại trong khí quyển là phổ biến
nhất.
Một nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi EPA trên 198 địa điểm ô nhiễm
không khí nguy hiểm. Thủy ngân được công nhận là một trong những chất gây ô
nhiễm độc hại nhất, và cho thấy, phát thải vào bầu khí quyển là một mối đe dọa
nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Tổng lượng thủy ngân phát
thải từ các hoạt động công nghiệp liên tục tăng, đạt giá trị khoảng 3,500 tấn/năm,
lượng thủy ngân phát thải vào môi trường từ các hoạt động của tự nhiên (chủ yếu là
hoạt động của núi lửa) vào khoảng 2,500 tấn/năm. Các vị nhân chính nguồn phát
thải thủy ngân vào khí quyển là do đốt than, quá trình đốt chất thải rắn đô thị, quá
trình xử lý và sản xuất bóng đèn huỳnh quang, và các quá trình công nghệ khác có
sử dụng các hợp chất chứa thủy ngân.[14]


Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), các nhà máy điện đóng
góp lên đến 50% của ô nhiễm thủy ngân ở Hoa Kỳ. Luật không khí sạch của Hoa

Kỳ gần đây quy định, các nhà máy than đá phải giảm tới 90% phát thải thủy ngân.
Nồi hơi đốt than là một nguồn phát thải thủy ngân lớn nhất ở Hoa Kỳ hiện
nay. Theo thông tin từ những thống kê của EPA (ICR) về quá trình đốt than đá chỉ
ra rằng có 75 tấn thủy ngân trong 900 triệu tấn than được sử dụng trong các nhà
máy điện của Hoa Kỳ trong năm 1999. Trung bình, khoảng 40% lượng thủy ngân
được xử lý bởi các nhà máy điện đốt than còn 60% phát thải ra môi trường.[14]
Hiện nay, các loại bóng đèn huỳnh quang (đèn ống hay thường gọi đèn tuýp,
đèn cao áp, đèn compact) thải bỏ đang là nguồn phát thải thuỷ ngân đáng lo ngại.
Hiện nay, các loại đèn này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động
của con người vì nó cung cấp nguồn ánh sáng hiệu quả và đặc biệt là tiết kiệm điện
năng. Tại Mỹ, 90% lượng đèn huỳnh quang sử dụng trong các hoạt động thương
mại, và công nghiệp. Hàng trăm triệu đèn huỳnh quang được sản xuất ra và số
lượng này ngày càng tăng lên do chính sách tiết kiệm năng lượng toàn cầu. Riêng
tại Việt Nam, mỗi năm sẽ có hàng chục triệu bóng đèn thải bỏ cần có biện pháp
quản lý hiệu quả.
1.1.2.2. Độc tính của thủy ngân
Thủy ngân tồn tại dưới bất kỳ dạng nào cũng đều độc hại, độc tính phổ biến
nhất vẫn là ảnh hưởng tới hệ thần kinh, tiêu hóa và hệ thống các cơ quan của thận.
Nguyên nhân gây ngộ độc thủy ngân có thể do hít phải hơi thủy ngân, ăn phải thủy
ngân và hấp thụ thủy ngân qua da. Thủy ngân có khả năng phản ứng với các axit
amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin. Thủy ngân có khả năng liên kết
màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô,
làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh.[9]


Hình 1.1: Ảnh X-Quang chụp một bệnh nhân đã uống 8 ounces thủy ngân
nguyên tố
Thủy ngân có 3 dạng tồn tại: thủy ngân nguyên tố, các muối vô cơ và các
hợp chất hữu cơ. Trong đó, chất có độc tính cao nhất là metyl thủy ngân. Metyl thủy
ngân có khả năng hòa tan trong chất béo, qua màng tế bào, tới não, phá hủy hệ thần

kinh trung ương. Metyl thủy ngân làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình
phân chia tế bào.[2]
Các hợp chất thủy ngân hữu cơ, đặc biệt là metyl thủy ngân, tập trung trong
chuỗi thức ăn. Cá từ những vùng nước bị ô nhiễm là nguồn gây độc phổ biến nhất.
Ô nhiễm thủy ngân trong công nghiệp thường ở dạng vô cơ, nhưng những sinh vật
dưới nước và thảm thực vật trong sông, hồ, biển sẽ chuyển đổi thành metyl thủy
ngân có độc tính chết người. Cá ăn thực vật bị ô nhiễm, các protein trong cá liên kết
với hơn 90% metyl thủy ngân được hấp thụ một cách chặt chẽ mà ngay cả những
phương pháp nấu ăn như: chiên, luộc, nướng,... cũng không thể loại bỏ nó.
Nhiễm độc cấp tính: khi tiếp xúc với Hg ở nhiệt độ cao, không gian kín dẫn
đến ho, khó thở, tim đập nhanh, nếu liều lượng Hg tăng dần làm cho nhiệt độ cơ thể
tăng, choáng váng, nôn mửa, hôn mê, tức ngực, một số người da tím tái, rét. Quá
trình khó thở có thể kéo dài đến vài tuần.
Ngộ độc cấp tính do ăn uống phải một lượng lớn Hg. Ngộ độc cấp tính có thể
là bị ngất, hôn mê (VD: năm 1952, một ngôi làng ở Irăc có 1450 người chết do ăn
phải lúa mì giống do Liên hợp quốc viện trợ, do lúa mì giống được phun tẩm
CH3Hg+ để chống nấm.
Nhiễm độc mãn tính: khi tiếp xúc với Hg trong một thời gian dài. Nhiễm độc
ở hệ thần kinh, thận, chủ yếu do Hg hữu cơ và một số Hg vô cơ. Triệu trứng sớm


nhất của nhiễm độc Hg là lơ đãng, da xanh tái, ăn khó tiêu, hay đau đầu, có thể kèm
theo viêm lợi, chảy nước bọt, sau đó răng rụng, mòn, thủng, và có vết đen ở răng,
gây tổ thương da.
Triệu trứng điển hình của nhiễm độc mãn tính Hg biểu hiện ở thần kinh: liệt,
run, liệt mí mắt, môi, lưỡi, cánh tay, bàn chân... Người nhiễm độc khó có khả năng
điều khiển vận động, cách diễn đạt thay đổi, nói khó, bắt đầu câu nói khó khăn, nói
lắp. Đối với trẻ em khi bị nhiễm độc Hg thì thần kinh phân lập, thiểu năng trí tuệ.
Metyl thủy ngân (CH3)Hg+: ảnh hưởng chính đến hệ thần kinh trung ương,
ngoài ra nó còn gây ra các rối loạn về tiêu hoá và ít ảnh hưởng tới thận. Trong môi

trường nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và
ngăn cản quá trình phân chia tế bào.
Năm 1961, các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã liên hệ giữa hàm lượng cao
của thủy ngân trong nước tiểu với các đặc điểm của một căn bệnh bí ẩn Minamata
được tìm thấy trước đó. Trước khi nguyên nhân của bệnh Minamata được phát hiện,
nó đã làm cho các cư dân quanh vịnh Minamata ở Nhật Bản có các triệu chứng: mất
cảm giác, run rẩy, mất điều hòa và thắt thị giác.[11]
1.2. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt
Cacbon hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô
định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit (ngoài carbon thì phần
còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát). Cacbon hoạt
tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn từ 500 đến 2500 m2/g. Do vậy mà nó là một
chất lý tưởng dùng để lọc hút nhiều loại hóa chất.
Bề mặt riêng rất lớn của cacbon hoạt tính là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà
chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu xuất xứ từ hữu cơ, qua quá trình chưng
khô (sấy) ở nhiệt độ cao, trong điều kiện thiếu khí. Phần lớn các vết rỗng - nứt vi
mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh và chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ
nối). Cacbon hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất
tráng mặt), để lưu giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được
các thành phần đặc biệt như kim loại nặng.
Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của cacbon hoạt tính còn ở phương diện nó là
chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), giá thành sản xuất rẻ (được tạo từ gỗ


thành cacbon hoạt tính và từ nhiều phế chất hữu cơ khác, ví dụ: từ vỏ, xơ dừa, trấu),
và đồng thời cũng xử lý chất thải rất dễ sau khi đã dùng (bằng cách đốt). Nếu như
các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại từ tro đốt cũng rất
dễ.
1.2.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính
Cacbon hoạt tính có cấu trúc vi tinh thể, được hình thành trong quá trình

cacbon hóa. Tuy nhiên, cấu trúc vi tinh thể của cacbon hoạt tính khác với cấu trúc
của than chì có các khoảng cách xen giữa. Đối với than chì là 0.335 nm, còn đối với
cacbon hoạt tính nằm trong khoảng 0.34 và 0.35 nm. Định hướng của các lớp vi
tinh thể cũng khác nhau, ít được sắp đặt hơn trong than hoạt tính.
Biscoe và Warren đã đề xuất cấu trúc turbostratic, cấu trúc mà trong đó các
mặt phẳng cơ sở đã trượt ra khỏi vị trí. Sự hỗn loạn này trong các lớp vi tinh thể
được gây ra bởi sự hiện diện của các nguyên tử khác chẳng hạn như oxy và hydro,
và các lỗ trống của than hoạt tính. [10]
Cấu trúc 3 chiều của than chì và cấu trúc turbostratic được so sánh trong
Hình 1.2. [13]

Hình 1.2. So sánh mạng tinh thể 3 chiều của than chì (a) và cấu trúc turbostratic (b)
1.2.2. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính [7]

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/cm3) 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 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 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
1.2.3. Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính[7]
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 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.
1.2.4. Nhóm cacbon – oxi trên bề mặt than hoạt tính[7]
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 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,
CO2 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 0C 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 4000C, sự phân hủy hợp chất bề mặt và khí hóa cacbon là các phản ứng trội hơn
hẳn.
C + O2 → C(O)
(<4000C) sự tạo thành hợp chất bề mặt
C + O2 → CO + CO2
(>4000C) Sự khí hóa
C(O) → CO + CO2
(>4000C) 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 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 4000C 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 0C đến 7500C và giải phóng CO2. 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 0C 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 - CH2 , - 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 5000 – 6000C và bị loại bỏ hoàn toàn ở 9500C. Một dạng của bề mặt than
hoạt tính đã được oxy hóa được công bố bởi Tarkovskya ở hình dưới đây.

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, Xray. 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.
1.2.5. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon – oxi lên đặc tính hấp phụ[7, 16]
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 các nhóm hay phức bề mặt xác định có thể
tạo ra CO2 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.
1.2.5.1. 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 0C. 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.


1.2.5.2. 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 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 7000C 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.
1.2.5.3. 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, 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:
K1(a0 – a) (1 – Ka)h = K2a
Với a0 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-a0) 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=as khi p/p 0
= 1, với as 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 CO2 (oxy có thể tạo ra CO2 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 CO2 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 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