Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện chƣơng trình và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp, tác giả đã
nhận đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn nhiệt tình của các quý Thầy, Cô của Viện Kỹ
thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là các Thầy, Cô của Bộ
môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất.
Với đề tài "Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi
nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon", tác giả xin chân thành cảm ơn
Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Phạm Ngọc Anh đã giành thời gian và tâm huyết để
hƣớng dẫn tác giả thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này.
Đồng thời tác giả xin cảm ơn các Thầy, Cô của Viện Kỹ thuật Hóa học đặc
biệt là các thầy cô đã dạy và hƣớng dẫn tác giả trong thời gian tác giả học tại
trƣờng, đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả học tập và hoàn thiện tốt khóa học.
Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn trong lớp 13B-KTHH đã tạo điều
kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành tốt luận văn.
Tác giả:

Nguyễn Công Quý

1


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không
trùng lặp với các đề tài khác, trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong luận văn.
Tác giả:

Nguyễn Công Quý

2


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 2
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................................. 6
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH ............................................... 10
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ........................................................................................................... 10
1.2. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH ...................................................... 13
1.2.1. CÁC ĐẶNG TRƢNG CƠ HỌC ............................................................................................ 13
1.2.2. CÁC ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ ............................................................................................... 14
1.2.3. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH ............................................................ 14
1.2.4. CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH ...................................................................... 15
1.3. PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH........................................................................................... 18
1.3.1. PHÂN LOẠI THEO MISEC ................................................................................................. 18
1.3.2. PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA ..................................................................................... 19
1.4. ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH ................................................................................. 21
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH .................................................... 25
2.1. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ................................................................ 25

2.2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ................................................................... 26
2.2.1. QUÁ TRÌNH CACBON HÓA............................................................................................... 26
2.2.2. QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA .................................................................................................... 26
2.3. MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ....................................... 37
CHƢƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƢỚC ........... 39
3


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
3.1. LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG ................................................................................. 39
3.1.1. PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC, BẬC PHẢN ỨNG CỦA NHỮNG PHẢN ỨNG ĐỒNG
THỂ .................................................................................................................................................. 39
3.1.2. ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC DỊ THỂ .......................................................... 45
3.1.3. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA
PHẢN ỨNG HÓA HỌC .................................................................................................................. 47
3.2. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƢỚC .......................... 48
CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH HOÁ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI
NƢỚC .............................................................................................................................................. 60
4.1. XỬ LÝ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ THIẾT LẬP
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC .................................................................................................................. 60
4.2. SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG α VÀ HẰNG SỐ k0 ........................ 63
4.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN........................................................................................................... 64
CHƢƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI
NƢỚC .............................................................................................................................................. 65
5.1. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ ................................................................................... 65
5.2. THUYẾT MINH LƢU TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................................ 66
5.3. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT ...................................................................................................... 67
5.3.1. TỔNG NHIỆT CẤP VÀO ..................................................................................................... 68
5.3.2. TỔNG NHIỆT TIÊU HAO .................................................................................................... 73
5.4. TÍNH CÂN BẰNG CHẤT ....................................................................................................... 79

5.4.1. THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CHẤT ........................................................... 79
5.4.2. TỐC ĐỘ CHUYỂN HOÁ THAN GÁO DỪA ...................................................................... 82
5.4.3. THỜI GIAN PHẢN ỨNG ..................................................................................................... 84
5.4.4. TÍNH SƠ BỘ CHIỀU DÀI LÒ .............................................................................................. 84
5.4.5. SỐ VÒNG QUAY CỦA LÒ .................................................................................................. 85
KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 87

4


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BET

Brunauer-Emmett-Teller

ch

Chuyển hóa

CNSX

Công nghệ sản xuất

hh

Hỗn hợp

hp

Hấp phụ

kk

Không khí

kl

Khói lò

min

Tối thiểu

n

Nƣớc

nl

Nguyên liệu

nlv

Nguyên liệu vào

p/u

Phản ứng

tt

Tổn thất

WHO

Tổ chức Y tế Thế giới

5


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
1.1

Cấu trúc graphit của cacbon

13

2.1

Sơ đồ khối các công đoạn sản xuất than hoạt tính

25

2.2

Thiết bị hoạt hóa lớp tĩnh

32

2.3

Thiết bị hoạt hóa tầng sôi

33

2.4

Thiết bị hoạt hóa lò quay

34

2.5

CNSX cacbon hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học bằng ZnCl2 35

2.6

CNSX cacbon hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học bằng hơi
nƣớc

36

2.7

CNSX cacbon hoạt tính từ nguyên liệu than antraxit

36

3.1

Mô hình lớp vỏ không phản ứng

48

4.1

Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng

4.2

Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình trong thí nghiệm chuyển hóa

và hằng số k0

bằng hơi nƣớc tại nhiệt độ là 800oC, 850oC, 900oC
4.3

61

64

Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình trong thí nghiệm chuyển
hóa bằng CO2 tại nhiệt độ là 820oC, 860oC, 915oC

64

4.4

Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng

65

5.1

Sơ đồ công nghệ sản xuất than hoạt tính từ gáo dừa

6

và hằng số k0

67


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

DANH MỤC BẢNG
Trang
3.1

Hoạt hóa cacbon bằng hơi nƣớc ở 800oC

55

3.2

Hoạt hóa cacbon bằng hơi nƣớc ở 850oC

56

3.3

Hoạt hóa cacbon bằng hơi nƣớc ở 900oC

57

7


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Than hoạt tính đang ngày càng đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên tất cả các
lĩnh vực. Chính vì vậy, để nâng cao năng suất, ta cần phải nghiên cứu động học của
phản ứng chuyển hóa cacbon, đặc biệt là phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi
nƣớc với những ƣu điểm của nó. Trên hết, từ việc tìm ra mô hình động học của
phản ứng, ta có thể ứng dụng để thiết kế, chế tạo lò hoạt hóa cacbon.
2. Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng chuyển hóa cacbon
bằng hơi nƣớc, xây dựng mô hình động học của phản ứng và ứng dụng để thiết kế
lò hoạt hoá cacbon.
3. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Cơ sở khoa học của đề tài: tiến hành các nghiên cứu động học của phản ứng
chuyển hóa carbon bằng hơi nƣớc: C + H2O.

Ý nghĩa thực tiễn: trên cơ sở các nghiên cứu động học của phản ứng chuyển
hóa carbon bằng hơi nƣớc xây dựng mô hình động học của phản ứng và trên cơ sở
đó ứng dụng để thiết kế lò hoạt hóa carbon.
4. Nội dung đề tài
Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: nghiên cứu lý thuyết về động
học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc, từ đó, xây dựng mô hình động học
của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nƣớc, ứng dụng thiết kế lò hoạt hoá
cacbon, cuối cùng phân tích và thảo luận các kết quả đạt đƣợc.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 5 chƣơng:
- Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu than hoạt tính
- Chƣơng 2: Công nghệ sản xuất than hoạt tính
8


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
- Chƣơng 3: Động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc
- Chƣơng 4: Tính toán mô hình hóa động học phản ứng chuyển hóa cacbon
- Chƣơng 5: Tính toán thiết bị chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc

9


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT
TÍNH
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Cacbon hoạt tính là một chất hấp phụ, không cực, chứa 8598% cacbon, tuỳ
theo các điều kiện sản xuất, phần còn lại là tro vô cơ. Than hoạt tính có khả năng

hấp phụ và giữ lại trên bề mặt những lƣợng lớn chất khí, hơi hay chất tan. Chúng đã
đƣợc sử dụng từ lâu đời nay với mục đích là chất hấp phụ trong quá trình phân tách,
các quá trình làm sạch hệ khí và hệ lỏng, đồng thời chúng cũng đƣợc dùng nhƣ là
các chất xúc tác hoặc chất mang xúc tác trong các quá trình hoá học xúc tác dị thể.
Hiện nay, trong các ngành công nghiệp hoá học, công nghiệp thực phẩm,
công nghiệp dƣợc phẩm…chất hấp phụ đƣợc sử dụng với một lƣợng rất lớn với
mục đích tẩy màu, tẩy mùi, làm khô các hỗn hợp chất, thu hồi các dung môi quý,
làm chất xúc tác, làm chất mang chất xúc tác… Trong các chất hấp phụ rắn thì than
hoạt tính có vị trí quan trọng và phạm vi sử dụng rộng rãi nhất, vì than hoạt tính có
khả năng giữ các khí, các hơi cũng nhƣ các chất tan tốt. Chính hiện tƣợng hấp phụ
trên bền mặt chất rắn đƣợc phát hiện lần đầu tiên ở than gỗ.
Từ thời xa xƣa, khi con ngƣời chƣa biết đến hấp phụ thì than gỗ không chỉ
đƣợc sử dụng làm chất đốt mà còn đƣợc sử dụng trong y học để điều trị một số bệnh
về dạ dày và đƣờng ruột.
Hiện tƣợng hấp phụ vẫn không đƣợc mọi ngƣời biết đến cho tới năm 1785,
viện sĩ hàn lâm khoa học Nga nhận thấy than gỗ có thể tẩy màu đƣợc nhiều dung
dịch và đề nghị đƣợc dùng trong sản xuất axit lactric tinh thể. Khi đó, những tài liệu
đầu tiên về hấp phụ đã xuất hiện. Đến năm 1793, Kenso đã biết sử dụng than gỗ để
khử mùi hôi ở vết thƣơng.

10


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Nhờ việc phát hiện ra hiện tƣợng hấp phụ mà ngƣời ta đã biết dùng than gỗ
để tẩy màu trong công nghiệp sản xuất đƣờng và đến năm 1811 ngƣời ta đã nghiên
cứu và chỉ ra rằng than xƣơng tẩy màu dịch đƣờng tốt hơn than gỗ rất nhiều và than
xƣơng nhanh chóng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp mía đƣờng và cả củ
cải đƣờng.

Cho đến cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã có nhiều cố gắng trong
nghiên cứu, sản xuất than hoạt tính để tẩy màu từ các nguyên liệu khác nhau và đã
đạt đƣợc những thành tựu nhất định. Năm 1856, Stonhaul đã sản xuất thành công
than tẩy màu bằng cách nung hỗn hợp bột hắc-ín và manhecarbonat. Đến năm 1863,
đã sản xuất đƣợc than hoạt tính bằng cách cho hơi nƣớc quá nhiệt và không khí tác
dụng với than bùn. Năm 1868, Willson và Seidel đã nung bã thải của quá trình sản
xuất giấy với phốt phát cũng tạo ra đƣợc than tẩy màu.
Sang đầu thế kỷ XX, Billse đã chế tạo thành công than hoạt tính tẩy màu có
khả năng hấp phụ cao, khả năng tẩy màu cao gấp 20 tới 50 lần than xƣơng. Than
này đƣợc sản xuất bằng cách trộn máu với pôtat sau đó nung, rửa và sấy, nó giữ
đƣợc vị trí đứng đầu trong các loại than tẩy màu cho tới khi sản xuất đƣợc than hoạt
tính hiện đại.
Đối với các khí than thì từ khi phát hiện ra hiện tƣợng hấp phụ năm 1773 và
trải qua các thí nghiện trong hơn 40 năm mới có công trình nghiên cứu định lƣợng
về hấp phụ trên than gỗ. Công trình này đƣợc công bố do Derseal, theo ông thì than
gỗ hút khí khá nhanh, nhanh hơn cả các vật xốp khác. Độ hấp phụ các chất trên than
không những phụ thuộc vào bản chất hoá học của nó mà còn phụ thuộc vào trạng
thái vật lý của nó nhƣ: than hạt hấp phụ tốt hơn than bột, than đã hấp phụ bão hoà
một khí còn có thể hấp phụ thêm một số khí khác.

11


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Ngƣời đầu tiên nghiên cứu than gáo dừa là Hanter vào năm 1872, ông đã
nghiên cứu và tìm ra rằng than gáo dừa có khả năng hấp phụ đƣợc các khí nhƣ: N2,
H2, NH3, HCN ở khoảng nhiệt độ từ 00C tới 700C. Đến năm 1904, Dival nghiên cứu
khả năng hấp phụ của than gáo dừa đối với N2, H2, O2, Ar và He ở những nhiệt độ
thấp và đƣa ra kết luận rằng than gáo dừa kết hợp với phƣơng pháp lạnh thâm độ có

thể tách phân đoạn các khí khỏi hỗn hợp.
Đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng hấp phụ của than gáo dừa
nhƣ: Horlflei đã nghiên cứu khả năng hấp phụ ở khoảng nhiệt độ từ - 1900C đến
1000C với các áp suất thay đổi. Đến năm 1912, Hampel và Fater đã chứng minh
đƣợc rằng nhiệt độ tốt nhất để hoạt hoá than gáo dừa là 6000C và khi nung tới nhiệt
độ 13600C thì khả năng hấp phụ giảm mạnh đột ngột. Tiếp sau đó là hàng loạt
những mô tả về chế tạo than hoạt tính để tinh chế chất lỏng nhƣ: rƣợu nguyên liệu,
carbuahydro… Than hoạt tính đƣợc chế tạo bằng cách trộn bụi than với chất vô cơ
rồi đem nung hoặc cho than bão hoà oxy rồi nung trong môi trƣờng chân không
hoặc môi trƣờng không có không khí.
Cho tới đầu thế kỷ XX, việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính đã đạt đƣợc
những thành tựu nhất định, song vẫn chƣa đủ để chế tạo đƣợc than hoạt tính thƣơng
phẩm. Mãi đến năm 1900 – 1901, nhà khoa học ngƣời Đức là Otstei đã mở đƣờng
cho việc phát triển công nghiệp sản xuất than hoạt tính bằng công trình mô tả quá
trình cơ bản sản xuất than hoạt tính theo phƣơng pháp kẽm clorua. Theo phƣơng
pháp này, than hoạt tính đƣợc sản xuất bằng cách trộn nguyên liệu thực vật với
dung dịch kẽm clorua rồi nung ở nhiệt độ thích hợp.
Hiện nay, có rất nhiều loại nguyên liệu có thể sản xuất đƣợc than hoạt tính,
do đó cũng có nhiều chủng loại than hoạt tính khác nhau về màu sắc, tính chất và

12


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

ứng dụng. Ngày nay, việc ứng dụng than hoạt tính đã trở nên rất rộng rãi, vì vậy
việc nghiên cứu chi tiết và toàn diện cũng gặp nhiều khó khăn.
Ở nƣớc ta, từ những năm đầu của thập kỷ 60 đã có một số cán bộ hoá lý
tham gia nghiên cứu chế tạo than hoạt tính dùng trong mặt nạ phòng độc phục vụ
cho kháng chiến chống chiến tranh hoá học của đế quốc Mỹ. Bên cạnh đó cũng

nghiên cứu chế tạo các dạng than hoạt tính phục vụ nhu cầu phát triển công nghiệp,
những nghiên cứu đã từng bƣớc đƣợc áp dụng vào thực tế sản xuất. Cho đến nay,
nƣớc ta đã có nhà máy sản xuất than hoạt tính nhƣ nhà máy sản xuất than hoạt tính
Trà Bắc với công suất đạt 4000 tấn/năm.
1.2. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH
Than hoạt tính là một loại vật liệu hấp phụ chứa carbon, đƣợc hình thành bởi
quá trình than hóa và hoạt hóa những hợp chất hữu cơ từ thực thể sống. Đặc tính
quan trọng nhất của nó là khả năng hấp phụ rất mạnh, do nó có một cấu trúc với độ
xốp cao.
1.2.1. CÁC ĐẶNG TRƢNG CƠ HỌC
a) Độ cứng: Độ cứng của cacbon hoạt tính đƣợc tính bằng lƣợng cacbon
hoạt tính mẫu còn lại trên sàng 0,5 mm so với lƣợng cacbon hoạt tính mẫu ban
đầu.
b) Độ bền chịu mài mòn: Độ bền chịu mài mòn của cacbon hoạt tính đƣợc
tính bằng lƣợng cacbon hoạt tính mẫu còn lại ở trên sàng 0,315 mm so với lƣợng
cacbon hoạt tính mẫu ban đầu.

13


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học
1.2.2. CÁC ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ
a) Cấu trúc tinh thể của cacbon hoạt tính: Cacbon hoạt tính là một loại vật
liệu có cấu trúc graphit, các nguyên tử cacbon trên đỉnh các lục giác đều, nằm cách
nhau những khoảng nhất định.
b) Chỉ số xanh Methylen: Chỉ số xanh metylen là số millilit dung dịch xanh
metylen có nồng độ 1,5g/l (0,15%) bị mất màu bởi 0,1 gam cacbon hoạt tính (đã
nghiền mịn).
c) Chỉ số Iod: Chỉ số Iod là lƣợng Iod (tính bằng mg trong một dung dịch
loãng 0,2N) đƣợc hấp phụ trên 1g cacbon hoạt tính (đã nghiền mịn).

d) Bề mặt riêng BET: Bề mặt riêng của các mẫu cacbon hoạt tính đƣợc xác
định bằng phép đo hấp phụ nitơ ở nhiệt độ thấp.
1.2.3. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH
Than hoạt tính là một loại vật liệu có cấu trúc graphit, nét điển hính của cấu
trúc graphit là sự xắp xếp các nguyên tử carbon trên đỉnh các lục giác đều và nằm
cách nhau những khoảng nhất định. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ Rơnghen,
Hoffmann thấy rằng, cacbon hoạt tính đƣợc hợp thành từ những tinh thể nhỏ kiểu
grafit 1030  (13nm).
Các nguyên tử carbon đƣợc phân bố trong những mặt phẳng song song,
chúng cách nhau một khoảng 1,42  và khoảng cách giữa các mặt lục giác là 3,35
 [1]

14


3,35Å

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

3,35Å

Hình 1.1: Cấu trúc graphit của carbon

1.2.4. CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH
Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính đƣợc đánh giá bởi thể tích các lỗ xốp tính
cho một đơn vị khối lƣợng (cm3/g) hay một đơn vị thể tích (cm3/cm3). Quá trình
hoạt hoá ngoài việc làm sạch bề mặt than khỏi các tạp chất hữu cơ cũng nhƣ làm
sạch các tạp chất vô cơ có trong nguyên liệu ban đầu, để giải phóng các lỗ xốp do
quá trình hoạt hoá tạo ra, nó còn phá huỷ một phần các tinh thể carbon nhằm tạo ra
không gian trống giữa các tinh thể. Nghĩa là tạo ra thêm lỗ xốp cho than.

Khi thực hiện quá trình hoạt hoá thích hợp sẽ tạo ra trong than một lƣợng
mao quản, tổng diện tích tạo thành các mao quản lớn, bề mặt riêng lớn thƣờng
khoảng 400 tới 1000 m2/g và có thể lên tới 2000 m2/g.
Cấu trúc xốp của than đƣợc đánh giá bởi thể tích các lỗ xốp tính cho một đơn
vị khối lƣợng hay một đơn vị thể tích.
Vx =

-

≈ 0,65 ÷ 1,4 (cm3/g) [1]

15


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

(Trong than hoạt tính kỹ thuật thì: δ = 0,55 ÷ 0,9 g/cm3, d = 2,25 g/cm2)
Trong than hoạt tính có rất nhiều loại lỗ xốp khác nhau, từ dạng lỗ xốp lớn
đến loại lỗ xốp nhỏ (gọi là cấu trúc xốp hỗn tạp). Do trong quá trình hoạt hoá, ngoài
sự hình thành lỗ xốp mới luôn có sự mở rộng kích thƣớc lỗ xốp đã có sẵn. Trong
quá trình hấp phụ, mỗi dạng lỗ xốp có chức năng riêng, lỗ xốp nhỏ có ý nghĩa quan
trọng về hấp phụ.
Dạng xốp lớn
Những lỗ xốp có kích thƣớc lớn, có thể quan sát trực tiếp bằng kính
hiển vi quang học thì đƣợc xếp vào dạng xốp lớn.
Khi nghiên cứu cấu trúc xốp của than hoạt tính bằng phƣơng pháp nén
thuỷ ngân thì vừa xác định đƣợc kích thƣớc lỗ lớn vừa thiết lập đƣợc phân bố thể
tích lỗ xốp lớn theo kích thƣớc của chúng. Do thuỷ ngân là chất không thấm ƣớt
thành mao quản nên để nạp đƣợc thuỷ ngân vào các lỗ xốp phải dùng áp suất. Ứng
với áp suất ép thuỷ ngân là P, lƣợng thuỷ ngân ép đƣợc vào lỗ xốp là V thì bán kính

của lỗ xốp nhỏ nhất trong số những lỗ đƣợc nạp thuỷ ngân sẽ là:
r = Trong đó: σ_Sức căng bề mặt của thuỷ ngân
θ_Góc thấm ƣớt
Dạng xốp trung
Đây là dạng xốp nhỏ hơn của than hoạt tính và có thể quan sát đƣợc
bằng kính hiển vi điện tử.

16


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Cũng nhƣ dạng xốp lớn, có thể dùng phƣơng pháp ép thuỷ ngân để
nghiên cứu dạng xốp trung. Nhƣng thƣờng nghiên cứu dạng xốp trung bằng phƣơng
pháp hấp phụ và dựa vào những biến đổi trên đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ để đánh giá
tính xốp của nó.
Chẳng hạn xét quá trình hấp phụ hơi trên than hoạt tính trong khoảng
áp suất tƣơng đối: ⁄

= 0 ÷ 1. Khi áp suất tƣơng đối còn thấp bề mặt than đƣợc

phủ lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ. Tăng áp suất sẽ có sự hình thành các lớp tiếp
theo, hấp phụ bây giờ là đa lớp. Nếu trong than có những lỗ xốp đƣờng kính vƣợt
quá kích thƣớc phân tử bị hấp phụ một số lần, thì khi áp suất tỷ đối tiến tới khoảng
⁄

= 0,2 ÷ 0,3 lƣợng chất bị hấp phụ mà than hút giữ sẽ bị vƣợt quá lƣợng ứng

với hấp phụ đa lớp.
Ở đây song song với hấp phụ đa lớp, còn quá trình khác xảy ra theo

cơ chế ngƣng tụ mao quản. Do tăng áp suất trong pha khí, độ dày lớp hấp phụ đa
phân tử tăng cho đến lúc màng chất hấp phụ kết hợp lại tại nơi tiết diện lỗ nhỏ nhất
tạo ra mặt khum lỏng. Khi chất hấp phụ thấm ƣớt thành mao quản mặt khum sẽ là
mặt lõm, ở đây hơi ngƣng tụ áp suất thấp hơn áp suất hơi bão hoà.
Dạng xốp nhỏ
Đây là dạng lỗ nhỏ nhất trong than hoạt tính, hiện nay chƣa quan sát
trực tiếp đƣợc lỗ này. Những nghiên cứu hấp phụ cho phép kết luận rằng kích thƣớc
lỗ xốp nhỏ gần với kích thƣớc phân tử chất bị hấp phụ. Loại lỗ xốp này có bán kính
hiệu dụng khoảng ≤ 10 .
Đặc trƣng của quá trình hấp phụ trên lỗ xốp nhỏ là tính thuận nghịch
hấp phụ, nghĩa là quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ trùng nhau.

17


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Hiệu ứng nạp đầy lỗ xốp nhỏ xảy ra theo một cơ chế khác với ngƣng
tụ mao quản nạp đầy lỗ trung. Theo lý thuyết thế của hiện tƣợng hấp phụ trên thành
đối diện của lỗ nhỏ rất gần nhau, trƣờng hấp dẫn che phủ lẫn nhau. Phân tử các chất
bị hấp phụ rơi vào trƣờng sẽ chịu tác dụng rất mạnh trong lỗ nhỏ và ngay ở áp suất
rất thấp đã chuyển thành trạng thái lỏng nạp đầy lỗ nhỏ. Ở đây, sự nạp đầy và sự
khử rỗng diễn ra thuận nghịch. Một thay đổi vô cùng nhỏ áp suất trong pha hơi, ở
giai đoạn bất kỳ nào của quá trình hấp phụ cũng dẫn đến sự chuyển dịch cân bằng
theo chiều ngƣợc lại, đƣa hệ về điểm nó đã đi qua.
Trong quá trình hấp phụ mỗi dạng lỗ xốp có chức năng riêng, nhƣng
xốp nhỏ có ý nghĩa lớn nhất về hấp phụ vì bề mặt riêng của nó lên tới cả ngàn m2/g.
Lỗ xốp trung có vai trò trong hai lĩnh vực, về hấp phụ nó là nơi xảy ra ngƣng tụ
mao quản khi áp suất đủ lớn, tác dụng thứ hai là làm đƣờng dẫn chất bị hấp phụ vào
lỗ xốp nhỏ. Còn vai trò của lỗ xốp lớn chủ yếu là tạo điều kiện để phân tử bị hấp

phụ nhanh đạt tới những lỗ xốp nhỏ hơn, nằm sâu hơn trong hạt than, bề mặt riêng
của lỗ xốp lớn nhỏ, bán kính lỗ xốp lại lớn nên chúng không có vai trò gì trong hấp
phụ nhƣng có vai trò rất lớn trong vận tải chất vào bên trong phân tử.
1.3. PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH
Hiện nay trên thị trƣờng có rất nhiều loại than hoạt tính và đƣợc phân loại
theo nhiều cách khác nhau nhƣ: phân loại theo hình dáng hạt, phân loại theo phạm
vi ứng dụng…
1.3.1. PHÂN LOẠI THEO MISEC
Than bột

18


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Loại than này đƣợc dùng tẩy màu và dùng trong y tế. Vì khả năng khuyếch
tán trong dung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch chậm. Để
tăng cƣờng thiết lập cân bằng hấp phụ, than đƣợc nghiền thành dạng bột mịn.
Nguyên liệu sản xuất chủ yếu là mùn cƣa.
Than hạt
Loại than này đƣợc dùng chủ yếu để hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên là
than khí. Ngoài ra than này còn đƣợc dùng trong hấp phụ dung dịch, đặc biệt là
trong quá trình xử lý nƣớc.
Than hạt là loại đƣợc dùng phổ biến trong công nghiệp hoá học với nhiệm vụ
chủ yếu là tác một số chất trong hỗn hợp nhờ quá trình hấp phụ.
Than hạt có thể ở dạng mảnh hoặc dạng trụ. Nguyên liệu đƣợc nghiền đến
kích thƣớc nhất định trƣớc khi hoạt hoá. Ngoài ra, nguyên liệu cũng có thể đƣợc
chuẩn bị ở dạng vữa đƣợc ép thành sợi, sau đó sợi đƣợc cắt thành hạt để tiếp tục các
nhiệm vụ sản xuất khác.
1.3.2. PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA

Than tẩy màu
Đây là loại than hoạt tính cơ bản, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành
công nghiệp để tẩy màu dung dịch. Ở đây, than hấp phụ các chất bẩn có màu, kích
thƣớc phân tử có màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thƣờng tới
dạng phân tử lớn và tới dạng tiểu phân tử có độ phân tán keo.
Than tẩy màu đƣợc dùng ở dạng bột mịn, có kích thƣớc trong khoảng 80μm 100 μm.

19


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Trong than tẩy màu còn đƣợc chia thành than kiềm, than axit và than trung
tính.
Than y tế
Than có khả năng hấp phụ các chất dạng tán keo trong dạ dày và ruột. Đây
cũng là loại than tẩy màu nhƣng có độ sạch cao hơn và trong sản xuất không dùng
những chất tẩm có chứa cation độc nhƣ: Mg2+, Cu2+, Zn2+…
Than hấp phụ
Tuỳ theo mục đích và chế độ sử dụng mà ta chia làm ba loại:
+ Than ngƣng tụ: Than đƣợc dùng để gom hơi của các chất
hữu cơ có trong không khí nhƣ tách Benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm thu hồi
dung môi dễ bay hơi đƣa trở lại quá trình sản xuất.
Than có độ hoạt tính cao, độ bền cơ cao và trở lực lớp than đối với dòng khí
nhỏ, khả năng giữ các chất bị hấp phụ thấp.
Than thƣờng đƣợc sản xuất dƣới dạng biến tính định hình hay dạng mảnh có
đƣờng kính khoảng 2 – 8 mm.
+ Than khí: Than này có khả năng hấp phụ chọn lọc các khí
và hơi, có thể dùng than này hấp phụ các khí và hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng.
Than đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp dầu mỏ để làm sạch các khí

thơm, làm sạch không khí, làm sạch nƣớc…
Than đƣợc sản xuất dƣới dạng mảnh hay định hình.

20


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

+ Than xúc tác: Cũng thuộc loại than khí nhƣng có độ xốp
lớn hơn. Có thể dùng làm chất xúc tác tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng nhƣ các chất
hữu cơ khác.
Ngoài ra, than hoạt tính còn đƣợc phân loại theo Dubinin gồm 3 loại: than
hoạt tính hấp phụ khí, than hoạt tính thu hồi dung môi, than hoạt tính tẩy màu.
1.4. ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH
Than hóa các vật liệu chứa cacbon có nguồn gốc thực vật thu đƣợc hàng loạt
các sản phẩm có giá trị, tập trung trong hơi nhiệt phân. Từ hơi nhiệt phân ngƣng tụ,
ngƣời ta có thể tách ra các sản phẩm hoá học có giá trị cao nhƣ: metanol, phenol,
axit axetic, các loại dầu nhựa...
Trong quá trình hoạt hoá, sản phẩm chính là cacbon hoạt tính. Cacbon hoạt
tính có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp hoá chất nhƣ: thu hồi dung môi trong
công nghệ hóa học; khử mùi và các chất độc trong không khí cấp và khí thải; xử lý
khí SO2 khỏi các nguồn khói khí thải (khói); xử lý H2S; xử lý các đồng vị phóng xạ;
mặt nạ phòng độc; phân tách hỗn hợp khí; tẩy màu và làm sạch các sản phẩm lỏng,
dung dịch; tẩy màu, làm sạch các hóa chất cơ bản và dƣợc phẩm; hoặc ứng dụng
trong công nghiệp thực phẩm, dƣợc phẩm, y tế…
Khả năng ứng dụng của than hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của
than hoạt tính nhƣ: cấu trúc xốp, tính hấp phụ, tính chất cơ học…
Than hoạt tính đã đƣợc sử dụng từ lâu làm chất hấp phụ trong nhiều lĩnh vực
khác nhau. Hiện nay, than hoạt tính đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành
công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp xử lý nƣớc và môi trƣờng.

21


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

Ngày nay, việc ứng dụng rộng rãi than hoạt tính vào đời sống sinh hoạt của
con ngƣời là rất cần thiết khi môi trƣờng sống của chúng ta ngày càng biến đổi theo
chiều hƣớng bất lợi cho sức khoẻ, nguồn nƣớc sinh hoạt ngày càng khan hiếm và bị
nhiễm bẩn các chất thải công nghiệp, không khí thì ngày một ô nhiễm do khí thải
động cơ và các nhà máy công nghiệp gây ra.
Việc sử dụng than hoạt tính trong vấn đề này đã đƣợc một nhóm nghiên cứu
của công ty cổ phần xây dựng môi trƣờng phong thủy Hà Nội thử nghiệm tại một số
gia đình tại Hà Nội và Hòa Bình và kết quả cho thấy tại các gia đình đó môi trƣờng
sống đƣợc cải thiện rõ rệt, mùi hôi và ẩm mốc trong nhà giảm, không khí đƣợc lọc
sạch và sức khỏe của ngƣời sống trong nhà cũng đƣợc nâng lên. Và ngƣời ta nhận
thấy rằng xung quanh không gian than hoạt tính luôn có một trƣờng điện từ có tính
hấp thụ cực mạnh do nó sản sinh ra. Trƣờng điện từ này cũng là một trƣờng sạch vì
quá trình hình thành cũng là quá trình tiêu thụ các phân tử khí có hại, ion dƣơng tồn
tại trong không khí và bức xạ hồng ngoại.
Ngày nay mọi nguồn nƣớc sinh hoạt của ngƣời dân hầu hết bị ô nhiễm nặng.
Theo báo cáo mới đây của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) cho thấy, 80% các bệnh tật
của con ngƣời có liên quan đến nƣớc và vệ sinh môi trƣờng mà ta biết rằng không
có một công nghệ xử lý nƣớc nào có thể đảm bảo làm sạch hết các độc chất có trong
nƣớc gây hại cho sức khỏe cho con ngƣời. Vì vậy chúng ta phải tìm con đƣờng
khác, biện pháp khác đơn giản hơn tiết kiệm hơn để làm sạch nguồn nƣớc sinh hoạt
mà không làm thay đổi tính chất của nƣớc và đảm bảo đƣợc sức khỏe ngƣời sử
dụng, đó là sử dụng những chất hấp phụ. Những chất có khả năng hấp phụ thì rất
nhiều, việc lựa chọn và sử dụng hợp lý chất hấp phụ nào cũng rất cần thiết. Muốn
sử dụng chính xác một chất hấp phụ nào đó ta cần biết đƣợc tính chất hóa học cũng

22


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

nhƣ tính chất vật lý của nó cũng nhƣ giá thành của nó trên thị trƣờng có phù hợp
không.
Than hoạt tính là chất hấp phụ lí tƣởng bởi vì diện tích bề mặt hấp phụ của
nó vô cùng lớn, kích thƣớc các khe mao quản nhỏ và trong quá trình hấp phụ nó
không sinh ra bất kì một chất nào khác cũng nhƣ bản thân nó là chất hấp phụ không
độc. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ tất cả các chất không phân cực, phân cực
hay là các kim loại nặng là nguyên nhân chính gây nên các bệnh tật nguy hại cho
sức khỏe con ngƣời.
Ngoài việc sử dụng than hoạt tính trong lọc nƣớc sinh hoạt ngƣời ta còn sử
dụng than hoạt tính trong việc lọc sạch không khí, khử mùi hôi trong tủ lạnh, trong
điều hòa không khí, trong đầu lọc thuốc lá. Hay sử dụng để làm sạch không khí
trong bệnh viện khử mùi tạp uế và tạo ra môi trƣờng vô trùng.
Trong y tế, than hoạt tính còn đƣợc biết đến nhƣ một loại dƣợc phẩm quan
trọng (carbon medicinalis) dùng để tẩy trùng và hấp phụ các độc tố sau khi bị ngộ
độc thức ăn. Hay gần đây nhất ngƣời ta nghiên cứu sử dụng than hoạt tính chữa
bệnh Gút một căn bệnh khá phổ biến hiện nay.
Trong công nghiệp Hóa chất và Thực phẩm, than hoạt tính đƣợc sử rộng rất
rộng rãi. Ngay từ thế kỷ trƣớc ngƣời ta đã sử dụng một lƣợng lớn than xƣơng một
dạng khác của than hoạt tính để tẩy màu dung dịch đƣờng trong ngành công nghiệp
mía đƣờng. Trong công nghiệp hóa chất, than hoạt tính đƣợc sử dụng làm chất xúc
tác cho các phản ứng hóa học nhƣ phản ứng tổng hợp benzen từ axetilen hay đƣợc
dùng làm các chất mang xúc tác cho các phản ứng hóa học. Trong các ngành công
nghiệp hóa học sử dụng một số dung môi là cần thiết nhƣng hầu hết các dung môi
đó đều gây độc hại hoặc có giá thành tƣơng đối cao, việc thải trực tiếp ra môi

trƣờng là rất nguy hiểm và gây ô nhiễm môi trƣờng, hủy hoại sinh thái hay một số
23


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

dung môi có giá trị kinh tế cao cần phải thu hồi lại. Than hoạt tính ngoài khả năng
hấp phụ thu hồi một số dung môi hay là các kim loại nặng mà còn có khả năng phân
tách riêng các hỗn hợp với nhau dựa vào khả năng hấp phụ khác nhau của các chất.
Trong công nghiệp ngƣời ta thƣờng sử dụng tính chất này của than hoạt tính để
phân tách riêng các dung môi với nhau.
Trong lĩnh vực quân sự, từ thế kỉ trƣớc ngƣời ta đã dùng than hoạt tính để
khử mùi hôi của các vết thƣơng cho các binh sĩ. Nhƣng ứng dụng thật sự của nó là
làm mặt nạ phòng độc để chống lại các cuộc chiến tranh bằng vũ khí hóa học. Nó
đƣợc bắt nguồn từ sự việc tháng 4 – 1945 trên chiến địa giữa quân Pháp và Đức
trong cuộc đại chiến thế giới thứ II, quân Đức đã phóng ra một loại chất độc hóa
học có màu vàng xanh theo hƣớng gió thổi về phía quân Pháp làm cho binh sĩ bị
ngạt thở và bị lở loét tại những chỗ bị nhiễm chất độc. Để đối phó với hình thức
chiến tranh mới này các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu một loạt các biện
pháp nhằm hạn chế thấp nhất thiệt hại của nó gây ra. Các nhà khoa học quân sự
phát hiện ra rằng đa số các chất độc đều ở thể lỏng và lực liên kết giữa các phân tử
của chúng tƣơng đối lớn so với khí oxy. Dựa vào sự khác biệt đó, các nhà khoa học
phát hiện ra một loại vật chất có thể chống lại khí độc đó, đó là than hoạt tính. Ngay
lập tức than hoạt tính đƣợc sử dụng làm mặt nạ phòng độc.

24


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH
2.1. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH
Hiện nay ở nƣớc ta có rất nhiều loại nguyên liệu có thể dùng để sản xuất than
hoạt tính mà trƣớc đây chỉ đƣợc sử dụng để làm nhiên liệu đốt lấy nhiệt hoặc dùng
làm phân hữu cơ. Ngày nay, khoa học phát triển và nhu cầu về than hoạt tính ngày
càng tăng nên ngƣời ta tận dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất than hoạt tính,
do đó những loại nguyên liệu này ngày càng trở nên quan trọng trong công nghiệp
sản xuất than hoạt tính.
Các loại nguyên liệu dùng để sản xuất than hoạt tính bao gồm các loại phế
liệu thực phẩm nhƣ các phế liệu từ gỗ do các xí nghiệp chế biến nông – lâm sản thải
ra. Ví dụ nhƣ: xí nghiệp tinh dầu Lạng Sơn mỗi năm thải ra hàng ngàn tấn bã hồi,
hàng năm các nhà máy đƣờng từ Bắc vào Nam thải ra một lƣợng bã mía khổng lồ,
xí nghiệp dầu Tùng Mậu – Lâm Đồng thì thải ra than thông, các tỉnh phía Nam thì
có một lƣợng gáo dừa rất lớn nhƣ Bến Tre, Trà Vinh…
Những nguyên liệu dùng để sản xuất than hoạt tính gồm những nguyên liệu
sau:
+) Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật nhƣ:
- Gỗ
- Bã mía
- Rơm, rạ
- Xƣơng quả (gáo dừa)
- Vỏ quả

25