Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu xử lý N-NH4+ bằng than hoạt tính biến tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
===& T) £ Q G 8 = = =

PHẠM THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ N-NH4+
BẰNG THAN HOẠT TÍNH
BIẾN TÍNH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: H óa Công nghệ - M ôi trường

HÀ NỘI - 2016


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Phạm Thị Hải Thịnh đã giao
đề tài và nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em, cho em những kiến thức rất đáng
quý trong quá trình nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam và các thầy cô trong phòng công nghệ xử lý nước - Viện công
nghệ môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm thực
nghiệm.
Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Hóa học trường ĐHSP Hà Nội 2
đã cung cấp những kiến thức cơ bản trong quá trình học tập để em có thể hoàn
thành khóa luận này.

Cảm ơn các anh, chị làm việc trong phòng công nghệ xử lý nước đã
giúp đỡ em trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thành khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Sinh viên

Pham
• Thỉ• Hanh
•

Khóa luận tốt nghiệp


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH
1. Danh mục các bảng
Bảng 2.1. Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu..................... 24
Bảng 2.2. Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứ u.......................... 24
Bảng 2.3. Bảng xây dựng đường chuẩn amoni.............................................. 28
Bảng 3.1. Bảng phân tích amoni bằng mô hình động vói nồng độ amoni
đầu vào 8,68 mg/1 và tốc độ dòng 2 ml/phút.................................................. 36
Bảng 3.2. Bảng phân tích amoni bằng mô hình động với nồng độ amoni
đầu vào 17,96 mg/1 và tốc độ dòng 2 ml/phút.............................................. 37
Bảng 3.3. Bảng phân tích amoni bằng mô hình động với nồng độ amoni
đầu vào 27,95 mg/1 và tốc độ dòng 2 ml/phút............................................... 38
Bảng 3.4. Bảng so sánh hiệu suất xử lý amoni ở cùng tốc độ dòng 2
ml/phút.............................................................................................................38

Bảng 3.5. Bảng phân tích amoni với nồng độ 17,96 mg/1 và tốc độ dòng
3 ml/phút..........................................................................................................39
Bảng 3.6. Bảng so sánh hiệu suất xử lý amoni ở tốc độ dòng khác nha........ 40
Bảng 3.7. Bảng phân tích amoni trong nước thải sinh hoạt............................ 41
2. Danh mục các hình
Hình 1.1. Bề mặt của một dạng than hoạt tính oxi hóa...................................13
Hình 2.1. Mô hình hệ thống thí nghiệm..........................................................26
Hình 2.2. Đường chuẩn xác định nồng độ amoni........................................... 28
Hình 2.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir............................................. 29
Hình 2.4. Đồ thị xác định các hằng số ừong phương trình Langmuir............ 30
Hình 3.1. Đồ thị xác định thời gian hấp phụ cực đại của than ACo................ 31
Hình 3.2. Đồ thị xác định thời gian hấp phụ cực đại của than ACi................ 32
Hình 3.3. Đồ thị xác định tải trọng hấp phụ cực đại của than ACo................. 33
Hình 3.5. Đồ thị biểu thị ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của
than A C i...........................................................................................................35

Khóa luận tốt nghiệp


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hình 3.6. Đồ thị phân tích amoni trong nước thải sinh hoạt bằng mô hình
động.................................................................................................................41

Khóa luận tốt nghiệp


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

KÍ HIỆU VÀ VIÉT TẮT

ACo

: Than hoạt tính nguyên liệu

ACi

: Than biến tính

BOD

: Nhu cầu oxy sinh hóa

BODs

: Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày ở 20°c

COD

: Nhu cầu oxy hóa học

FTIR

: Quang phổ hồng ngoại

IR

: Phổ hồng ngoại

IUPAC

: Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và
Hóa học ứng dụng

JICA

: Văn phòng Họp tác quốc tế

NMR

: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

n -n h 4+

: Nitơ amoni

PTN

: Phòng thí nghiệm

QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

ss

: Hàm lượng các chất lơ lửng

TSS

: Tổng chất rắn lơ lửng

XPS

: Phổ quang điện tử tia X

X -r a y

: Phổ nhiễu xạ tia X.

Khóa luận tốt nghiệp


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu................................................................................... 2
4. Nội dung nghiên cứu......................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU........................................................3
1.1. Tổng quan về than hoạt tính...................................................................... 3
1.1.1. Than hoạt tính và những ứng dụng trong đòi sống................................ 3

1.1.2. Cấu trúc xốp của than hoạt tín h ............................................................. 7
1.1.3. Cấu trúc hóa học của bề m ặt.................................................................. 9
1.1.4. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon - oxy lên tính chất hấp phụ....... 14
1.1.5. Tâm hoạt động trên bề mặt th an .......................................................... 14
1.1.6. Biến tính bề mặt than hoạt tín h ........................................................... 15
1.2. Tổng quan về quá trình hấp p h ụ ............................................................16
1.2.1. Khái niệm............................................................................................... 16
1.2.2. Các chất hấp phụ.................................................................................... 17
1.3. Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt và các phương pháp xử lý
amoni................................................................................................................ 18
1.3.1. Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt............................................... 18
1.3.2. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt chứa amoni.....................20
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u ............................. 24
2.1. Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu............................ 24
2.2. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................24
2.2.1. Chuẩn bị vật liệu....................................................................................24
2.2.2. Phương pháp xác định ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ
amoni của than hoạt tính biến tính.................................................................. 25

Khóa luận tốt nghiệp


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

2.2.3. Khảo sát thời gian hấp phụ cực đại đối với amoni bằng phương pháp
hấp phụ tĩnh......................................................................................................25
2.2.4. Khảo sát tải ttọng hấp phụ cực đại đối với amoni bằng phương pháp
hấp phụ tĩnh......................................................................................................25

2.2.5. Khảo sát khả năng xử lý amoni trên mô hình động............................. 26
2.2.6. Phương pháp xác định amoni trong dung dịch.................................... 27
2.3. Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu .......................... 28
2.3.1. Hấp phụ tĩnh...........................................................................................28
2.3.2. Hấp phụ động ........................................................................................30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................. 31
3.1. Khảo sát thời gian hấp phụ cực đại amoni của than hoạt tính ACo và
ACi...................................................................................................................31
3.2. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu...................................... 32
3.3. Anh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ amoni của than hoạt tính
biến tính ACi....................................................................................................35
3.4. Khảo sát khả năng trao đổi của than biến tính với amoni bằng mô hình
động..................................................................................................................36
3.4.1. Tốc độ dòng 2 ml/phút...........................................................................36
3.4.2. Tốc độ dòng 3 ml/phút...........................................................................39
3.4.3. Xử lý amoni có trong nước thải sinh hoạt............................................. 40
KẾT LUẬN.....................................................................................................42
•

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................43

Khóa luận tốt nghiệp


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Hiện nay, nước thải giàu dinh dưỡng là một trong những nguồn chủ yếu
gây ô nhiễm môi trường và làm suy giảm chất lượng nguồn nước. Nguồn
nước thải giàu dinh dưỡng rất đa dạng và phức tạp: nước thải từ các chuồng
trại chăn nuôi, lò mổ, nhà máy chế biến thực phẩm, thuộc da, nước thải nông
nghiệp, nước thải sinh hoạt... Nguồn nước thải này không qua xử lý được xả
trực tiếp vào các thuỷ vực gây ra các hiện tượng: phú dưỡng, làm giảm oxy
hòa tan trong nước, phá hủy hệ động, thực vật thủy sinh của các thủy vực tiếp
nhận, gây mùi hôi thối ảnh hưởng đến cảnh quan, môi trường, sức khỏe của
con người và thậm chí có thể làm chết các loài động vật sống dưới nước.
Tình trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt ở các đô thị thấy rõ nhất là ở
thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Đây là hai thành phố đông dân
nhất ở Việt Nam vì vậy lượng nước thải sinh hoạt được thải ra mỗi ngày là rất
nhiều. Tuy nhiên ở hai thành phố này lại không có hệ thống xử lý nước tập
trung mà trực tiếp thải ra nguồn tiếp nhận như sông, hồ, kênh, mương... Bên
cạnh đó, còn có rất nhiều cơ sở sản xuất, doanh nghiệp, công ty không có hệ
thống xử lý nước thải. Theo các phương tiện thông tin đại chúng gàn đây đưa
tin, người dân Hà Nội đang sử dụng các nguồn nước ô nhiễm, đặc biệt là ô
nhiễm amoni, ngay cả nguồn nước của các nhà máy nước, hàm lượng amoni
xác định được cũng vượt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn. Hàm
lượng cho phép của thành phần nitơ được quy định khá ngặt nghèo trong tiêu
chuẩn thải của nhiều quốc gia cũng như của Việt Nam. Vì vậy, trong xử lý
nước thải ngoài việc xử lý các thành phần ô nhiễm hữu cơ BOD, COD, s s
việc xử lý nitơ cũng là yêu cầu rất quan trọng.
Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước. Tuy nhiên,
ứng dụng của nó trong xử lí nước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các họp chất
hữu cơ và một số các thành phần không phân cực có hàm lượng nhỏ trong

Khóa luận tốt nghiệp

1

Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

nước. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong
việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là loại bỏ các
cation và anion ttong nước khi dùng than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý
amoni em đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý N-NH4+ bằng than
hoạt tính biến tính”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định được các điều kiện hấp phụ tĩnh và hấp phụ động (thời gian
hấp phụ cân bằng và tải trọng hấp phụ) đối vói N-NH4+bằng than hoạt tính
biến tính.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Than hoạt tính: Sử dụng than hoạt tính từ gáo dừa do Công ty cổ phần
Trà Bắc sản xuất, kích thước hạt 0,5 - 1 mm, được axit hóa bằng HNƠ3 8M
và được biến tính bằng NaOH 0,5M với tỷ lệ than hoạt tính : NaOH = 1 gam :
20 ml.
- Nước thải:
+ Nước thải nhân tạo: Nguồn amoni được pha ừong nước thải từ
(NH^SCtí (amoni sunfat) với nồng độ gốc là 1000 mg/1. Tùy vào các chế độ
thí nghiệm khác nhau mà pha với các nồng độ khác nhau từ dung dịch gốc.
+ Nước thải sinh hoạt: Được lấy từ cống thải của sông Tô Lịch gần
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (khi lấy về phải xác định
các thông số đặc trưng của nước thải sinh hoạt như pH, NH4+, COD).
4. Nội dung nghiên cứu
+ Xác định thời gian cân bằng hấp phụ NH4+ với than hoạt tính biến
tính.

+ Xác định tải trọng hấp phụ cực đại với than hoạt tính biến tính.
+ Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính.
+ Khảo sát khả năng trao đổi của than biến tính với amoni bằng mô
hình động.

Khóa luận tốt nghiệp

2


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về than hoạt tính
1.1.1. Than hoạt tính và những ứng dụng trong đòi sống
Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, có thể nói 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 lớn.
Cacbon là thành phàn chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng
85 - 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như
Hydro, Nitơ, Lưu huỳnh và Oxy. 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 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 1500 m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6 cm3/g. Diện tích
bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2 nm.

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 ừong môi trường ừơ và sự hoạt hóa sản phẩm
của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950°c - 1000°c.
Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về
dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban
đàu 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
ban 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

Khóa luận tốt nghiệp

3


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

dạng khác của nguyên liệu 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 trong mạng tinh thể tới vị trí bền
hơn (có thể < 1 nm), 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. 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. Vì vậy
cần một phản ứng tác động lên lớp graphen để tạo ra một loại than xốp từ
những nguyên liệu này. Bằng sự than hóa pha lỏng, dạng có thể graphit hóa
được tạo thành. Quá trình than hóa pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với
than hóa pha rắn.
Pha khí: 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 ừọng 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 vói chất nền
thích hợp và bằng một cơ chế bao gồm sự chuyển động các nguyên tử cacbon,
cấu trúc phiến diện graphit được hình thành.
Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưói tinh thể cacbon dưói tác dụng
của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống có lỗ
có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động ưên bề mặt. Có
thể hoạt hóa bằng hơi nước. Hoạt hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho than
hoạt hóa gỗ. Phương pháp này khác vói hoạt hóa bằng hơi, ừong đó có quá

Khóa luận tốt nghiệp

4


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

trình than hóa và quá trình hoạt hóa xảy ra đồng thời. Nguyên liệu thô thường
sử dụng là gỗ được trộn vói chất hoạt hóa và chất hút nước thường được sử
dụng là axit photphoric hoặc ZnCỈ2. Sự hoạt hóa thường xảy ra ở nhiệt độ
500°c, nhưng đôi khi cũng lên tới 800°c. Trong suốt quá trình hoạt hóa axit
photphoric như một chất ổn định, làm cho gỗ phình ra và nở cấu trúc
cenlulose của gỗ, đảm bảo cho than không bị xẹp trở lại. Ket 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 hoi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc
từ than bùn, than đá, gỗ, gáo dừa... Trước hết nguyên liệu thô được chuyển
hóa thành than bằng nhiệt. Khi than được sử dụng làm nguyên liệu trong quá
trình 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. Một nguyên liệu
cứng như gáo dừa tạo ra nhiều lỗ nhỏ trong khi nguyên liệu mềm như than
bùn luôn tạo ra nhiều lỗ trung. Nếu tiếp tục thổi hơi nước trong một thòi gian
dài, nhiều hơn rất nhiều các túi khí tạo thành dòng khí và để lại các lỗ trống.
Đầu tiên ta thu được lỗ nhỏ, khi tiếp tục quá trình xung quanh các túi khí cũng
chuyển thành khí và lỗ xốp phát triển thành lỗ trung và nếu tiếp tục 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 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 hàu 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 vói nhau thành các lớp thơm liên kết với
nhau một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân theo
quy 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.

Khóa luận tốt nghiệp

5


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Cacbon nguyên chất là chất kị nước. Tính kị nước càng giảm thì tính ưa
nước của than càng tăng, do lượng oxy liên kết với cacbon bề mặt tăng. Muội
than với hàm lượng oxy 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 oxy để làm tăng tính ưa nước của chúng, chúng làn lượt cải thiện sự bám dính
vói 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 ra
bởi sự oxi hóa và độ bền của composite trong trường hợp của nhựa phenola
cũng như nhựa epoxi làm vật liệu nền.
Anh hưởng của nhóm oxy đưa lên bề mặt sọi cacbon bằng quá trình oxi
hóa trong không khí tại 700°c và các tính chất composite đã được nghiên cứu.
Trong trường họp than hoạt tính, sự có mặt của nhóm axit trên 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.
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa được sử dụng từ nhiều
thế kỷ trước. Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 năm trước công
nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh. Người Hindú 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 họp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi

nước hoặc CO2. Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ
nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy
hiểm[5].
Than hoạt tính là chất hấp phụ quý và linh hoạt được sử dụng rộng rãi
cho nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp

Khóa luận tốt nghiệp

6


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp, thu hồi dung
môi, làm sạch không khí, trong làm sạch kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí
thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược
phẩm, sản phẩm, thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí. Chúng được sử
dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng bạc và các
kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng được biết đến trong nhiều
ứng dụng y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số
bệnh nhất định.
1.1.2. Cấu trúc xốp của than hoạt tính[5]
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên
kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một 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 nở 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 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.

Khóa luận tốt nghiệp

7


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

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
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 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, lỗ lớn.
Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ
hơn 2 nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đày 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 vói lỗ trung và bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực
hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Chúng có thể tích lỗ từ 0,15 - 0,7
cm3/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 vói bán kính hiệu dụng nhỏ
hơn 0,6 - 0,7 nm và siêu vi lỗ với bán kính hiệu dụng từ 0,7 đến 1,6 nm. cấu
trúc vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hấp phụ khí, 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 0,2 cm3/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 có thể đạt được từ 0,2 - 0,65 cm3/g và
diện tích bề mặt của chúng đạt 200 m2/g. Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng

Khóa luận tốt nghiệp

8


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

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
0,5 m2/g. Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50 nm và thường trong
khoảng 500 - 2000 nm với thể tích lỗ từ 0,2 - 0,4 cm3/g. Chúng hoạt động
như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ đầy
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 một 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 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 đày 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.
1.1.3. Cấu trúc hóa học của bề mặt[5]
Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học.
Tuy nhiên, hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ sở ít hơn nhiều so
với tâm ở cạnh hay ở các vị trí khuyết. Do đó, cacbon được graphit hóa cao
với bề mặt đồng nhất chứa chủ yếu mặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vô định
hình. Grisdale và Hennig thấy rằng tốc độ oxi 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 Waals. Trong graphit, quá trình hấp

Khóa luận tốt nghiệp

9


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

phụ được quyết định chủ yếu bởi thành phàn phân tán của lực London. Trong
trường họp 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 electrón trong khung cacbon và kết quả là tạo ra các
electrón 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 vói 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 họp than đã
hấp phụ các loại phân tử xác định như amin, nitíobenzen, phenol và các loại
catión 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,
cachón - hydro, cacbon - nitơ, 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.
Nhóm cacbon - oxy bề mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng
đến đặc trung bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính axit, 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 họp 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

Khóa luận tốt nghiệp

10


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

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 họp 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 phàn 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 electron 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
oxi hóa như ozone và oxit của nitơ. Chúng cũng phân hủy dung dich muối
bạc, halogen, sắt (in) clorua, KMn04, amonipersunfat, axit nitric... Trong
mỗi trường họp, có sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành họp chất cacbon oxy bề mặt. Than hoạt tính cũng có thể được oxy hóa bằng nhiệt trong không
khí, CO2hoặc oxy. Bản chất và lượng nhóm oxy - cacbon bề mặt tạo thành từ
các sự oxi hóa khác nhau phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra

Khóa luận tốt nghiệp

11


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

nó, diện tích bề mặt của nó, bản chất chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình. Phản
ứng của than hoạt tính vói oxy ở nhiệt độ dưới 400°c chủ yếu tạo ra sự hấp
phụ hóa học oxy và sự tạo thành họp chất cacbon - oxy bề mặt, khi ở nhiệt độ
trên 400°c, sự phân hủy họp chất bề mặt và khí hóa cacbon là các phản ứng
trội hơn hẳn.
c + O2—> C(O)

(<400°C) Sự tạo thành họp chất bề mặt

c + 0 2 —>CO + CO2

(>400°C) Sự khí hóa

C(O) —» c o + CO2

(>400°C) Sự phân hủy họp chất bề mặt

Trong trường họp sự oxi 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 họp 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 phàn tím hiểu
nguyên nhân và cơ chế than có bản chất axit 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 axit - 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 axit - bazơ
của than là kết quả của quá trình oxy hóa bề mặt, phụ thuộc vào cách tạo
thành và nhiệt độ của quá trình oxy hóa. Dạng nhóm cacbon - oxy bề mặt
(axit, bazơ, trung hòa) đã được xác định, các nhóm axit bề mặt là rất đặc trưng
và được tạo thành khi than được xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400°c hoặc
bằng phản ứng vói 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 ừơ ở nhiệt độ từ 350°c đến 750°c và giải phóng CO2. Các nhóm

Khóa luận tốt nghiệp

12


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

chức axit bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, các nhóm này
là cacboxylic, 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°c sau
đó làm nguội ở nhiệt độ phòng, được tiếp xúc với khí oxy. Garten và Weiss
đề xuất cấu trúc dạng pyron cho nhóm chức bazơ, 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 CO2 khi xử lý nhiệt. Các
nhóm trung hòa trên bề mặt bền hơn so vói các nhóm axit và bắt đầu phân
hủy trong khoảng nhiệt độ 500°c - 600°c và bị loại bỏ hoàn toàn ở 950°c.
Một dạng của bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóa được công bố bởi
Tarkovskya ở hình dưới đây.

Hình 1.1. Bề mặt của một dạng than hoạt tính oxi hóa
Nhiều nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu để xác định và định lượng các
nhóm oxy - cacbon bề mặt sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học và hóa

Khóa luận tốt nghiệp

13


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

lý để giải hấp lớp oxit, trung hòa với kiềm, chuẩn độ điện thế, phương pháp
phổ như phổ IR, X-ray. Các nghiên cứu này đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhóm
chức, quan trọng hơn cả là các nhổm cacboxyl, lacton, phenol, quinon 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 oxy đã
kết hợp.
1.1.4. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon - oxy lên tính chất hấp phụ
Người ta biết rằng than hoạt tính chứa một lượng đáng kể oxy và hydro
được hấp phụ hóa học, chúng có ở dạng phức bề mặt cacbon - oxy. 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, hidroquinon 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 oxy liên kết
không được giải thích. Vì thế, vấn đề này không được làm sáng tỏ một cách
phù họp, cũng như các cấu trúc, cơ chế khác nhau. 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 CƠ2 và tương tự có sự tồn tại bề
mặt phân biệt có thể tạo ra c o trong quá trình xử lý nhiệt trong chân không
hoặc trong 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 oxy hấp phụ hóa học có mặt chủ yếu tại cạnh và
góc phụ, nên những nhóm oxy này ảnh hưởng nhiều tới các đặc trưng bề mặt
và tính chất bề mặt của than hoạt tính.
1.1.5. Tâm hoạt động trên bề mặt than [5,13]
Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vòng thơm
ngưng tụ đính với nhau trong những lớp không phân cực. Những lớp này có
những kích thước giới hạn, do đó tạo thành các góc. Bên cạnh đó, những lớp

Khóa luận tốt nghiệp

14


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

này có những chỗ khuyết, biến dị và gián đoạn. Những nguyên tử cacbon ở
những vị trí này có những cặp elecừon không ghép đôi và những hóa trị thừa
ra, có thế năng cao hơn. Do đó, những nguyên tử cacbon này có hoạt tính cao,
tạo thành những tâm hoạt động. Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu
số lượng và bản chất của các tâm hoạt động này vì những tâm hoạt động này
quyết định độ hoạt động của bề mặt, những phản ứng bề mặt và khả năng xúc
tác của than hoạt tính. Bởi vì xu hướng cacbon hấp phụ hóa học oxy lớn hơn
các chất khác nên nhiều nghiên cứu đã kết luận tâm hoạt động này là từ sự

hấp phụ hóa học oxy.
1.1.6. Biến tính bề mặt than hoạt tính [13]
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 họp 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 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, CS2, H2S, SO2. Cacbon - nitơ ừong
quá trình xử lý than hoạt tính với amoniac. Cacbon - halogen được tạo thành
bằng quá trình xử lý than hoạt tính vói 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.

Khóa luận tốt nghiệp

15


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.2. Tổng quan về quá trình hấp phụ [2]

1.2.1. Khái niệm
•
- Hấp phụ là quá trình liên kết khí hoặc chất lỏng ttên bề mặt vật thể
rắn xốp. Quá trình hấp phụ có thể là quá trình chọn lọc và thuận nghịch, có
nghĩa là mỗi chất hấp phụ có khả năng chỉ hấp phụ những chất xác định và
không hấp phụ những chất khác có trong hỗn hợp khí hoặc dung dịch. Các
chất bị hấp phụ có thể được tách ra khỏi chất hấp phụ bằng cách giải hấp phụ.
- Hấp phụ được định nghĩa là hiện tượng tăng nồng độ của một chất
lỏng, khí (hoặc hơi) của một chất nào đó ừên bề mặt một chất rắn so với xung
quanh nó.
- Chất hấp phụ nhờ có bề mặt riêng lớn (bề mặt trên một đơn vị thể
tích) nên khi hấp phụ có thể có tốc độ hấp phụ lớn và hấp phụ các cấu tử mà
bằng cách hấp phụ không thể tách được vì nồng độ của chúng trong hỗn hợp
quá thấp.
- Lực tương tác của các phân tử trên bề mặt chất rắn lên các phân tử
của chất bị hấp phụ hầu như không khác gì lực liên kết hóa học, vì vậy nên
quá trình hấp phụ phần lớn phát nhiệt mạnh. Từ đó cho thấy lượng của chất
hấp phụ ở trạng thái cân bằng sẽ giảm khi tăng nhiệt độ. Như vậy, khi tăng
nhiệt độ có khả năng tách chất bị hấp phụ trở lại trạng thái tự do. Lượng của
chất hấp phụ phụ thuộc vào bề mặt chất hấp phụ, vào nồng độ của chất bị hấp
phụ nằm xung quanh chất hấp phụ.
- Chất rắn được gọi là chất hấp phụ. Chất khí (hơi) hoặc một chất tan
nào đó trong dung dịch có khả năng làm giàu ừên bề mặt chất hấp phụ gọi là
chất bị hấp phụ. Chất bị hấp phụ khi đã được “gắn” vào bề mặt chất rắn gọi là
chất đã bị hấp phụ.
- Quá trình hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt, thông thường trong các
hệ hấp phụ vật lý xảy ra do tương tác giữa các phân tử (lực Van der Waals),
năng lượng tỏa ra từ các hệ đó thường không vượt quá 10 kcal/mol. Ở trạng

Khóa luận tốt nghiệp

16


Phạm Thị Hạnh

thái

CÓ

Trường ĐHSP Hà Nội 2

mức năng lượng như vậy, sự biến đổi về cấu trúc điện tử của chất bị

hấp phụ và chất hấp phụ là không đáng kể. Do vậy hấp phụ vật lý là một quá
trình thuận nghịch. Đối với các hệ xảy ra hiện tượng hấp phụ hóa học (trong
xúc tác dị thể, ví dụ quá trình hấp phụ của hydro ttên platin hoặc paladi) cấu
trúc electron của các chất tham gia quá trình có sự biến đổi sâu sắc, thậm chí
dẫn đến các liên kết hóa học. Khi đó năng lượng của hệ tỏa ra cao hơn nhiều
lần, có thể đạt giá trị từ 100 đến 200 kcal/mol, tức là năng lượng của các phản
ứng hóa học. Hấp phụ hóa học xảy ra mạnh và bất thuận nghịch.
1.2.2. Các chất hấp phụ
- Than hoạt tính là chất hấp phụ cacbon xốp được điều chế từ các loại
nguyên liệu hữu cơ khác nhau như: than bùn, than đá, than nâu, antraxit, vật
liệu bằng gỗ, bãi thải của công nghiệp thuộc da,... nó cũng được sản xuất từ
vỏ dừa và các loại hạt dẻ khác cũng như từ lõi hạt của nhiều loại quả. Than có
độ bền cơ học cao.
- Silicagen là một trong những chất hấp phụ vô cơ phổ biến nhất trong
công nghiệp. Mọi ứng dụng của silicagen dựa trên bản chất bề mặt phân cực
cao của SiƠ2 và các nhóm chức bề mặt của nó. Silicagen có khả năng hút ẩm

đạt tói 40% khối lượng của bản thân nó, khả năng hút ẩm cao không chỉ dựa
trên tính năng hấp phụ mà còn dựa vào khả năng ngưng tụ mao quản của nước
trong hệ thống lỗ xốp của nó. Khả năng tái sinh của silicagen khá cao vì nước
hấp phụ vật lý trên bề mặt S1O2, có thể loại bỏ hoàn toàn ở 140°c.
- Oxit nhôm là một trong những chất hấp phụ vô cơ được sử dụng rộng
rãi trong kĩ thuật để làm khô các môi trường khác nhau. Ưu việt của oxit
nhôm là có độ bền nhiệt, điều chế tương đối dễ, nguyên liệu dễ kiếm,... Do
đó khả năng sử dụng của nó cũng tương tự như các chất hấp phụ khác.
- Zeolit với các tính năng đặc thù của nó là “rây phân tử” được sử dụng
rất có hiệu quả trong quá trình tách các hỗn hợp chất hữu cơ, vô cơ, loại bỏ
tạp chất ữong pha khí (hơi) và pha lỏng.

Khóa luận tốt nghiệp

17


Phạm Thị Hạnh

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.3. Hiện trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt và các phương pháp xử lý
amoni
1.3.1. Hiên trang ô nhiễm nước thải sinh hoat
Tốc độ phát triển kinh tế cao, bên cạnh việc mang lại những lợi ích to
lớn như cải thiện mức sống của người dân và tiềm lực cho đất nước, cũng có
tác động nặng nề đến chất lượng môi trường. Trong đó, ô nhiễm do nước thải
sinh hoạt và công nghiệp là một trong những vấn đề nhức nhối nhất. Ở nước
ta hiện nay, phần lớn nước thải sinh hoạt được xả trực tiếp ra môi trường, gây
ô nhiễm nghiêm họng nguồn nước mặt, nước ngầm. Theo một số nghiên cứu

đánh giá thì chỉ có 10% lượng nước thải đô thị được xử lí. Năng lực xử lí
nước thải của Việt Nam chỉ đáp ứng ở mức rất thấp so với nhu cầu thực tế.
Mức độ ô nhiễm nước đang ngày càng gia tăng do không kiểm soát
nguồn gây ô nhiễm hiệu quả. lìn h trạng này đang gây ra những ảnh hưởng
đến sức khỏe của con người, làm tăng nguy cơ ung thư, sảy thai và dị tật bẩm
sinh, dẫn đến suy giảm nòi giống. Tại một số địa phương của Việt Nam, khi
nghiên cứu các trường họp ung thư, viêm nhiễm ở phụ nữ cho thấy 40 - 50%
là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Theo thống kê và đánh giá của Bộ Y tế và
Bộ Tài Nguyên môi trường trung bình mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9.000
ngưòi tử vong vì nguồn nước và điều kiện vệ sinh kém và gần 200.000 trường
hợp mắc bệnh ung thư mới phát hiện, mà một trong những nguyên nhân chính
là sử dụng nguồn nước ô nhiễm. Báo cáo khảo sát ô nhiễm môi trường nước
của Trung tâm Quan trắc môi trường Quốc gia - Tổng cục Môi trường (Bộ Tài
nguyên và Môi trường) cũng cho thấy hiện trạng môi trường nước nhiều nơi
bị ô nhiễm nghiêm trọng. Miền Bắc tập trung đông dân cư (đặc biệt là Đồng
bằng sông Hồng) lượng nước thải đô thị lớn hầu hết của các thành phố đều
chưa được xử lý và xả trực tiếp vào các kênh mương và chảy thẳng ra sông.
Đối với nước thải sinh hoạt, tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy
rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Đây là hai thành

Khóa luận tốt nghiệp

18