NGHIÊN cứu CHẾ tạo THAN HOẠT TÍNH từ vỏ hạt cà PHÊ để hấp PHỤ HIỆU QUẢ một số CHẤT hữu cơ TRONG DUNG DỊCH nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
-----c&d-----

NGUYỄN VĂN THỤ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH
TỪ VỎ HẠT CÀ PHÊ ĐỂ HẤP PHỤ HIỆU QUẢ MỘT SỐ
CHẤT HỮU CƠ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC
Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
Mã số: 60.44.01.19

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ VĂN KHU


Hà Nội- 2015

2


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại - Bộ môn Hóa lí thuyết và hóa lí- Trường
Đại học Sư phạm Hà Nội.
Với tấm lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS
Lê Văn Khu đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện
tốt nhất để tôi hoàn thành đề tài này.
Tôi vô cùng biết ơn các thầy cô giáo trong tổ bộ môn Hóa lí thuyết và
hóa lí – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã quan tâm và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động viên, giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Thụ

i


MỤC LỤC
Trang

Trang.............................................................................................................xiv
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu................................................................................................3
3. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................................3
4. Nhiệm vụ nghiên cứu................................................................................................3
5. Phương pháp tiến hành nghiên cứu......................................................................4
1.1. tổng quan về than hoạt tính.................................................................................5

1.1.1. Thực trạng việc sử dụng và chế tạo than hoạt tính ở Việt Nam.............5
1.1.2. Phương pháp chế tạo than hoạt tính........................................................6
1.1.2.1. Than hóa...................................................................................................................6
1.1.2.2. Hoạt hóa...................................................................................................................7

1.1.3. Cấu trúc của than hoạt tính......................................................................9
1.1.3.1. Cấu trúc xốp của than hoạt tính [32], [35]................................................................9
1.1.3.2. Các nhóm chức bề mặt trên than hoạt tính............................................................10

Hình 1.1. Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính [23]..........11
Hình 1.2. Ảnh hưởng của các nhóm chức đến điện tích bề mặt của than hoạt
tính [31]........................................................................................12
Hình 1.3. Sự phân hủy nhóm chức bề mặt của than hoạt tính xác định bởi
phương pháp giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ [18].......13
1.1.4. Một số ứng dụng của than hoạt tính......................................................13
1.2. tổng quan về thuốc nhuộm [9], [10].................................................................14

1.2.1. Sự phân loại thuốc nhuộm.....................................................................15
Hình 1.4. Cấu trúc phân tử thuốc nhuộm DR-23 (C35H25N7Na2O10S2) [3]
......................................................................................................16
1.2.5. Các phương pháp xử lý màu nước thải dệt nhuộm...............................18
1.2.5.1. phương pháp hóa lý [ 4], [34].................................................................................18
1.2.5.2. Các phương pháp hóa học [4], [34].........................................................................20
1.2.5.3. Phương pháp xử lý sinh học....................................................................................20

1.3.1. Hiện tượng hấp phụ...............................................................................21
1.3.1.2. Hấp phụ hóa học.....................................................................................................22

i


1.3.3.3. Hấp phụ trong môi trường nước............................................................................22

1.3.2 .Cân bằng hấp phụ .................................................................................23
1.3.2.1. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ..........................................................23
1.3.2.2. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt BET (Brunauer-Emmet-Teller) [14]..............................25
1.3.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich.........................................................26
1.3.2.4. Phương trình Toth..................................................................................................26

1.3.2.5. Phương trình Redlich-Peterson...............................................................................26

1.3.3. Tính chất hấp phụ của than [8]..............................................................26
2.1. quy trình thực nghiệm........................................................................................28

2.1.1. Chuẩn bị hóa chất, dụng cụ...................................................................28
2.1.1.1. Hóa chất..................................................................................................................28

2.1.2. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê ................................................28
2.1.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu..............................................................................................28
2.1.2.2. Than hóa và hoạt hóa ............................................................................................29

2.1.3. Chuẩn bị dung dịch thuốc nhuộm..........................................................29
2.1.4. Xác định khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trong dung dịch nước
trên than hoạt tính........................................................................29
2.2. các phương pháp phân tích sử dụng................................................................30

2.2.1. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (phương pháp
BET) [14].....................................................................................30
2.2.1.1. Nguyên lý................................................................................................................30

Hình 2.1. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K theo
phân loại của IUPAC...................................................................31
2.2.1.2. Thiết bị, điều kiện đo..............................................................................................31

Hình 2.2. Đồ thị sự phụ thuộc của theo .........................................................33
2.2.2. Chuẩn độ Boehm....................................................................................34
2.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR...........................................................35
2.2.3.1. Nguyên tắc..............................................................................................................35
2.2.3.2. Thiết bị đo và điều kiện đo.....................................................................................36

2.2.4. Phương pháp TGA.................................................................................36
2.2.4.1. Nguyên lý................................................................................................................36
2.2.4.2. Thiết bị đo và điều kiện đo.....................................................................................37

ii


2.2.5. Phương pháp EDX.................................................................................37
2.2.5.1. Nguyên lý................................................................................................................37
2.2.5.2. Thiết bị đo và điều kiện đo.....................................................................................37

2.2.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron
Microscopy).................................................................................38
2.2.6.1. Nguyên tắc..............................................................................................................38
2.2.6.2. Thiết bị đo và điều kiện đo.....................................................................................39

2.2.7. Khảo sát pH tại điện tích bằng không (pH point of zero charge) của các
loại than [29]................................................................................39
2.2.8. Phương pháp nhiễu xạ tia X ( X-Ray Diffraction-XRD) .....................40
Hình 2.3. Sự tán xạ tia X từ các mặt phẳng tinh thể.......................................40
2.2.9. phương pháp đo phổ UV-Vis................................................................41
2.2.9.1 Nguyên tắc...............................................................................................................41
2.2.9.2 nguyên lý..................................................................................................................41

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................42
3.1. Qui trình chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê...............................42
3.1.1. khảo sát sơ bộ....................................................................................................42
3.1.1.1 Khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt..........................................42

Hình 3.1. Giản đồ TGA-DTA của vỏ hạt cà phê trong Ar..............................43
Hình 3.2. Giản đồ TGA-DTA của mẫu than tẩm ZnCl2 trong Ar..................44
3.1.1.2. Khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray)............................45

Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vỏ hạt cà phê và các mẫu than............45

3.1.2 nghiên cứu chi tiết................................................................................46
3.1.2.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm .................................................................46

Bảng 3.1. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo thời gian
ngâm.............................................................................................47
3.1.2.1.1. Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM...................................47
Hình 3.4. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian ngâm khác nhau
......................................................................................................47
3.1.2.1.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET.....................................48

iii


Bảng 3.2. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than chế tạo
được với thời gian ngâm than với ZnCl2 khác nhau..................48
Hình 3.5. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về thời gian ngâm
than với ZnCl2.............................................................................49
Hình 3.6. Sự phân bố độ rộng mao quản tính theo phương pháp BJH của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về thời gian ngâm
than với ZnCl2.............................................................................51
3.1.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ ZnCl2/Than...............................................................51

Bảng 3.3. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo tỉ lệ

ZnCl2/Than..................................................................................52
3.1.2.2.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM.....................................52
Hình 3.7. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian ngâm khác nhau
......................................................................................................53
3.1.2.2.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET....................................54
Hình 3.8. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về tỉ lệ ZnCl2/Than
......................................................................................................54
Bảng 3.4. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo được với tỉ lệ ZnCl2/Than khác nhau.............................55
3.1.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa............................................................56

Bảng 3.5. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo nhiệt độ
hoạt hóa........................................................................................56
3.1.2.3.1. Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM....................................56
Hình 3.9. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau....57
3.1.2.3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET.....................................57
Hình 3.10. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau...............................58
Bảng 3.6. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau...............................................59

iv


3.1.2.4. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa...........................................................59

Bảng 3.7. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo thời gian
hoạt hóa........................................................................................60
3.1.2.4.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM.....................................60

Hình 3.11. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian hoạt hóa khác
nhau..............................................................................................60
3.1.2.4.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET.....................................60
Hình 3.12. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo với thời gian hoạt hóa khác nhau....................61
Bảng 3.8. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo với thời gian hoạt hóa khác nhau...................................61

3.2. xác định một số đặc trưng vật lí và hóa lí, khả năng hấp phụ thuốc
nhuộm của một số mẫu than tiêu biểu.........................................................63
Bảng 3.9. Điều kiện chế tạo và kí hiệu bốn mẫu than được lựa chọn............63
3.2.1. Nghiên cứu một số đặc trưng vật lí và hóa lí của các mẫu than ............63

3.2.1.1. Nghiên cứu bằng phương pháp EDX.................................................63
Hình 3.13. Phổ EDX của mẫu than CF5-48-600-2.........................................64
Bảng 3.10. Kết quả phân tích nguyên tố bằng EDX.......................................64
3.2.1.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR).................64
Hình 3.14. Phổ FT-IR của bốn mẫu than.........................................................65
3.2.1.3 Nghiên cứu bằng phương pháp chuẩn độ Boehm..............................66
3.2.1.4. Xác định pH tại điểm điện tích không (pHPZC)...............................67
3.2.1.5. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA)............68
Hình 3.16. Giản đồ TGA-DTA của 4 mẫu than nghiên cứu...........................69
Bảng 3.12. Độ giảm khối lượng trong các khoảng nhiệt độ của các mẫu
nghiên cứu....................................................................................69
3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 của các mẫu than ....70

Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 ở 300C ............71
của các mẫu than..............................................................................................71

v

Hình 3.19. Mô tả các đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 bằng các mô hình
Langmuir, Freundlich, Toth và Redlich-Peterson đối với mẫu
CF3-48-600-2 và CF5-48-600-2.................................................73
Bảng 3.13. Các tham số của bốn mô đẳng nhiệt phụ, tính từ dữ kiện thực
nghiệm
hấp phụ DR-23 ở 300C của các mẫu than,..................................74
Bảng 3.14. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 tại 30C của các mẫu
than...............................................................................................76
Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 của các mẫu than tính từ các. 77

KẾT LUẬN....................................................................................................79
I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT........................................................................................80
II. TÀI LIỆU TIẾNG NƯỚC NGOÀI.....................................................................80

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

XRD: X-Ray diffraction (Nhiễu xạ tia X)
EDX: Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán xạ năng lượng tia X)
FE-SEM: Field Emissom Scanning Electron microscope (Kính hiển vi điện tử quét)
UV-Vis: Ultraviolet–visible spectroscopy (Phổ tử ngoại khả kiến)
FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại chuyển dịch Fourier)
BET: Brunauer-Emmett-Teller (Hấp phụ và khử hấp phụ Nitơ)
pHPZC: pH point of zero charge ( pH tại điện tích bằng không)
DR-23: Direct Scarlet 4BS (Thuốc nhuộm màu đỏ cờ)
AC: Activated carbon (Than hoạt tính)

ASA: Active surface area (Diện tích bề mặt hoạt động)
ABS: Absorbance (Độ hấp thụ)
HPVL: Hấp phụ vật lý
HPHH: Hấp phụ hóa học

vii


DANH MỤC BẢNG
Trang

Trang xiv
MỞ ĐẦU 1
2. Mục đích nghiên cứu 3
3. Đối tượng nghiên cứu 3
4. Nhiệm vụ nghiên cứu 3
5. Phương pháp tiến hành nghiên cứu 4
1.1. tổng quan về than hoạt tính 5

1.1.1. Thực trạng việc sử dụng và chế tạo than hoạt tính ở Việt Nam 5
1.1.2. Phương pháp chế tạo than hoạt tính 6
1.1.2.1. Than hóa 6
1.1.2.2. Hoạt hóa 7

1.1.3. Cấu trúc của than hoạt tính 9
1.1.3.1. Cấu trúc xốp của than hoạt tính [32], [35] 9
1.1.3.2. Các nhóm chức bề mặt trên than hoạt tính 10

Hình 1.1. Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính [23] 11
Hình 1.2. Ảnh hưởng của các nhóm chức đến điện tích bề mặt của than hoạt

tính [31] 12
Hình 1.3. Sự phân hủy nhóm chức bề mặt của than hoạt tính xác định bởi
phương pháp giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ [18] 13
1.1.4. Một số ứng dụng của than hoạt tính 13
1.2. tổng quan về thuốc nhuộm [9], [10] 14

1.2.1. Sự phân loại thuốc nhuộm 15
Hình 1.4. Cấu trúc phân tử thuốc nhuộm DR-23 (C35H25N7Na2O10S2) [3]
16
1.2.5. Các phương pháp xử lý màu nước thải dệt nhuộm 18
1.2.5.1. phương pháp hóa lý [ 4], [34] 18
1.2.5.2. Các phương pháp hóa học [4], [34] 20
1.2.5.3. Phương pháp xử lý sinh học 20

1.3.1. Hiện tượng hấp phụ 21
1.3.1.2. Hấp phụ hóa học 22

viii


1.3.3.3. Hấp phụ trong môi trường nước 22

1.3.2 .Cân bằng hấp phụ 23
1.3.2.1. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 23
1.3.2.2. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt BET (Brunauer-Emmet-Teller) [14] 25
1.3.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 26
1.3.2.4. Phương trình Toth 26
1.3.2.5. Phương trình Redlich-Peterson 26

1.3.3. Tính chất hấp phụ của than [8] 26

2.1. quy trình thực nghiệm 28

2.1.1. Chuẩn bị hóa chất, dụng cụ 28
2.1.1.1. Hóa chất 28

2.1.2. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê 28
2.1.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu 28
2.1.2.2. Than hóa và hoạt hóa 29

2.1.3. Chuẩn bị dung dịch thuốc nhuộm 29
2.1.4. Xác định khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trong dung dịch nước
trên than hoạt tính 29
2.2. các phương pháp phân tích sử dụng 30

2.2.1. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (phương pháp
BET) [14] 30
2.2.1.1. Nguyên lý 30

Hình 2.1. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K theo
phân loại của IUPAC 31
2.2.1.2. Thiết bị, điều kiện đo 31

Hình 2.2. Đồ thị sự phụ thuộc của theo 33
2.2.2. Chuẩn độ Boehm 34
2.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR 35
2.2.3.1. Nguyên tắc 35
2.2.3.2. Thiết bị đo và điều kiện đo 36

2.2.4. Phương pháp TGA 36
2.2.4.1. Nguyên lý 36

2.2.4.2. Thiết bị đo và điều kiện đo 37

ix


2.2.5. Phương pháp EDX 37
2.2.5.1. Nguyên lý 37
2.2.5.2. Thiết bị đo và điều kiện đo. 37

2.2.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron
Microscopy) 38
2.2.6.1. Nguyên tắc 38
2.2.6.2. Thiết bị đo và điều kiện đo 39

2.2.7. Khảo sát pH tại điện tích bằng không (pH point of zero charge) của các
loại than [29] 39
2.2.8. Phương pháp nhiễu xạ tia X ( X-Ray Diffraction-XRD) 40
Hình 2.3. Sự tán xạ tia X từ các mặt phẳng tinh thể. 40
2.2.9. phương pháp đo phổ UV-Vis 41
2.2.9.1 Nguyên tắc 41
2.2.9.2 nguyên lý. 41

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1. Qui trình chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê 42
3.1.1. khảo sát sơ bộ 42
3.1.1.1 Khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt 42

Hình 3.1. Giản đồ TGA-DTA của vỏ hạt cà phê trong Ar 43
Hình 3.2. Giản đồ TGA-DTA của mẫu than tẩm ZnCl2 trong Ar 44
3.1.1.2. Khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray) 45

Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vỏ hạt cà phê và các mẫu than 45

3.1.2 nghiên cứu chi tiết 46
3.1.2.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm 46

Bảng 3.1. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo thời gian
ngâm 47
3.1.2.1.1. Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 47
Hình 3.4. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian ngâm khác nhau
47
3.1.2.1.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 48

x


Bảng 3.2. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than chế tạo
được với thời gian ngâm than với ZnCl2 khác nhau 48
Hình 3.5. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về thời gian ngâm
than với ZnCl2 49
Hình 3.6. Sự phân bố độ rộng mao quản tính theo phương pháp BJH của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về thời gian ngâm
than với ZnCl2 51
3.1.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ ZnCl2/Than 51

Bảng 3.3. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo tỉ lệ
ZnCl2/Than 52
3.1.2.2.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 52
Hình 3.7. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian ngâm khác nhau

53
3.1.2.2.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 54
Hình 3.8. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về tỉ lệ ZnCl2/Than
54
Bảng 3.4. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo được với tỉ lệ ZnCl2/Than khác nhau 55
3.1.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa 56

Bảng 3.5. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo nhiệt độ
hoạt hóa 56
3.1.2.3.1. Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 56
Hình 3.9. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau 57
3.1.2.3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 57
Hình 3.10. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau 58
Bảng 3.6. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau 59

xi


3.1.2.4. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa 59

Bảng 3.7. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo thời gian
hoạt hóa 60
3.1.2.4.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 60
Hình 3.11. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian hoạt hóa khác
nhau 60
3.1.2.4.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 60

Hình 3.12. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo với thời gian hoạt hóa khác nhau 61
Bảng 3.8. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo với thời gian hoạt hóa khác nhau 61

3.2. xác định một số đặc trưng vật lí và hóa lí, khả năng hấp phụ thuốc
nhuộm của một số mẫu than tiêu biểu 63
Bảng 3.9. Điều kiện chế tạo và kí hiệu bốn mẫu than được lựa chọn 63
3.2.1. Nghiên cứu một số đặc trưng vật lí và hóa lí của các mẫu than 63

3.2.1.1. Nghiên cứu bằng phương pháp EDX 63
Hình 3.13. Phổ EDX của mẫu than CF5-48-600-2 64
Bảng 3.10. Kết quả phân tích nguyên tố bằng EDX 64
3.2.1.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) 64
Hình 3.14. Phổ FT-IR của bốn mẫu than 65
3.2.1.3 Nghiên cứu bằng phương pháp chuẩn độ Boehm 66
3.2.1.4. Xác định pH tại điểm điện tích không (pHPZC) 67
3.2.1.5. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA) 68
Hình 3.16. Giản đồ TGA-DTA của 4 mẫu than nghiên cứu 69
Bảng 3.12. Độ giảm khối lượng trong các khoảng nhiệt độ của các mẫu
nghiên cứu 69
3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 của các mẫu than 70

Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 ở 300C 71
của các mẫu than 71

xii


Hình 3.19. Mô tả các đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 bằng các mô hình

Langmuir, Freundlich, Toth và Redlich-Peterson đối với mẫu
CF3-48-600-2 và CF5-48-600-2 73
Bảng 3.13. Các tham số của bốn mô đẳng nhiệt phụ, tính từ dữ kiện thực
nghiệm
hấp phụ DR-23 ở 300C của các mẫu than, 74
Bảng 3.14. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 tại 30C của các mẫu
than 76
Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 của các mẫu than tính từ các 77

KẾT LUẬN 79
I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 80
II. TÀI LIỆU TIẾNG NƯỚC NGOÀI 80

xiii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang

Trang xiv
MỞ ĐẦU 1
2. Mục đích nghiên cứu 3
3. Đối tượng nghiên cứu 3
4. Nhiệm vụ nghiên cứu 3
5. Phương pháp tiến hành nghiên cứu 4
1.1. tổng quan về than hoạt tính 5

1.1.1. Thực trạng việc sử dụng và chế tạo than hoạt tính ở Việt Nam 5
1.1.2. Phương pháp chế tạo than hoạt tính 6
1.1.2.1. Than hóa 6

1.1.2.2. Hoạt hóa 7

1.1.3. Cấu trúc của than hoạt tính 9
1.1.3.1. Cấu trúc xốp của than hoạt tính [32], [35] 9
1.1.3.2. Các nhóm chức bề mặt trên than hoạt tính 10

Hình 1.1. Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính [23] 11
Hình 1.2. Ảnh hưởng của các nhóm chức đến điện tích bề mặt của than hoạt
tính [31] 12
Hình 1.3. Sự phân hủy nhóm chức bề mặt của than hoạt tính xác định bởi
phương pháp giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ [18] 13
1.1.4. Một số ứng dụng của than hoạt tính 13
1.2. tổng quan về thuốc nhuộm [9], [10] 14

1.2.1. Sự phân loại thuốc nhuộm 15
Hình 1.4. Cấu trúc phân tử thuốc nhuộm DR-23 (C35H25N7Na2O10S2) [3]
16
1.2.5. Các phương pháp xử lý màu nước thải dệt nhuộm 18
1.2.5.1. phương pháp hóa lý [ 4], [34] 18
1.2.5.2. Các phương pháp hóa học [4], [34] 20
1.2.5.3. Phương pháp xử lý sinh học 20

1.3.1. Hiện tượng hấp phụ 21
1.3.1.2. Hấp phụ hóa học 22

xiv


1.3.3.3. Hấp phụ trong môi trường nước 22

1.3.2 .Cân bằng hấp phụ 23
1.3.2.1. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 23
1.3.2.2. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt BET (Brunauer-Emmet-Teller) [14] 25
1.3.2.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 26
1.3.2.4. Phương trình Toth 26
1.3.2.5. Phương trình Redlich-Peterson 26

1.3.3. Tính chất hấp phụ của than [8] 26
2.1. quy trình thực nghiệm 28

2.1.1. Chuẩn bị hóa chất, dụng cụ 28
2.1.1.1. Hóa chất 28

2.1.2. Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê 28
2.1.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu 28
2.1.2.2. Than hóa và hoạt hóa 29

2.1.3. Chuẩn bị dung dịch thuốc nhuộm 29
2.1.4. Xác định khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trong dung dịch nước
trên than hoạt tính 29
2.2. các phương pháp phân tích sử dụng 30

2.2.1. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (phương pháp
BET) [14] 30
2.2.1.1. Nguyên lý 30

Hình 2.1. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K theo
phân loại của IUPAC 31
2.2.1.2. Thiết bị, điều kiện đo 31

Hình 2.2. Đồ thị sự phụ thuộc của theo 33
2.2.2. Chuẩn độ Boehm 34
2.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR 35
2.2.3.1. Nguyên tắc 35
2.2.3.2. Thiết bị đo và điều kiện đo 36

2.2.4. Phương pháp TGA 36
2.2.4.1. Nguyên lý 36
2.2.4.2. Thiết bị đo và điều kiện đo 37

xv


2.2.5. Phương pháp EDX 37
2.2.5.1. Nguyên lý 37
2.2.5.2. Thiết bị đo và điều kiện đo. 37

2.2.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron
Microscopy) 38
2.2.6.1. Nguyên tắc 38
2.2.6.2. Thiết bị đo và điều kiện đo 39

2.2.7. Khảo sát pH tại điện tích bằng không (pH point of zero charge) của các
loại than [29] 39
2.2.8. Phương pháp nhiễu xạ tia X ( X-Ray Diffraction-XRD) 40
Hình 2.3. Sự tán xạ tia X từ các mặt phẳng tinh thể. 40
2.2.9. phương pháp đo phổ UV-Vis 41
2.2.9.1 Nguyên tắc 41
2.2.9.2 nguyên lý. 41

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1. Qui trình chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê 42
3.1.1. khảo sát sơ bộ 42
3.1.1.1 Khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt 42

Hình 3.1. Giản đồ TGA-DTA của vỏ hạt cà phê trong Ar 43
Hình 3.2. Giản đồ TGA-DTA của mẫu than tẩm ZnCl2 trong Ar 44
3.1.1.2. Khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray) 45

Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vỏ hạt cà phê và các mẫu than 45

3.1.2 nghiên cứu chi tiết 46
3.1.2.1. Ảnh hưởng của thời gian ngâm 46

Bảng 3.1. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo thời gian
ngâm 47
3.1.2.1.1. Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 47
Hình 3.4. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian ngâm khác nhau
47
3.1.2.1.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 48

xvi


Bảng 3.2. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than chế tạo
được với thời gian ngâm than với ZnCl2 khác nhau 48
Hình 3.5. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về thời gian ngâm
than với ZnCl2 49
Hình 3.6. Sự phân bố độ rộng mao quản tính theo phương pháp BJH của các

mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về thời gian ngâm
than với ZnCl2 51
3.1.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ ZnCl2/Than 51

Bảng 3.3. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo tỉ lệ
ZnCl2/Than 52
3.1.2.2.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 52
Hình 3.7. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian ngâm khác nhau
53
3.1.2.2.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 54
Hình 3.8. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo trong điều kiện khác nhau về tỉ lệ ZnCl2/Than
54
Bảng 3.4. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo được với tỉ lệ ZnCl2/Than khác nhau 55
3.1.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa 56

Bảng 3.5. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo nhiệt độ
hoạt hóa 56
3.1.2.3.1. Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 56
Hình 3.9. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau 57
3.1.2.3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 57
Hình 3.10. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau 58
Bảng 3.6. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau 59

xvii

3.1.2.4. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa 59

Bảng 3.7. Điều kiện chế tạo và kí hiệu các mẫu than hoạt tính theo thời gian
hoạt hóa 60
3.1.2.4.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp SEM 60
Hình 3.11. Ảnh SEM của các mẫu than chế tạo với thời gian hoạt hóa khác
nhau 60
3.1.2.4.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp BET 60
Hình 3.12. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77K của các
mẫu than chế tạo với thời gian hoạt hóa khác nhau 61
Bảng 3.8. Bề mặt riêng và các đặc trưng mao quản của các mẫu than
chế tạo với thời gian hoạt hóa khác nhau 61

3.2. xác định một số đặc trưng vật lí và hóa lí, khả năng hấp phụ thuốc
nhuộm của một số mẫu than tiêu biểu 63
Bảng 3.9. Điều kiện chế tạo và kí hiệu bốn mẫu than được lựa chọn 63
3.2.1. Nghiên cứu một số đặc trưng vật lí và hóa lí của các mẫu than 63

3.2.1.1. Nghiên cứu bằng phương pháp EDX 63
Hình 3.13. Phổ EDX của mẫu than CF5-48-600-2 64
Bảng 3.10. Kết quả phân tích nguyên tố bằng EDX 64
3.2.1.2. Nghiên cứu bằng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) 64
Hình 3.14. Phổ FT-IR của bốn mẫu than 65
3.2.1.3 Nghiên cứu bằng phương pháp chuẩn độ Boehm 66
3.2.1.4. Xác định pH tại điểm điện tích không (pHPZC) 67
3.2.1.5. Nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA) 68
Hình 3.16. Giản đồ TGA-DTA của 4 mẫu than nghiên cứu 69
Bảng 3.12. Độ giảm khối lượng trong các khoảng nhiệt độ của các mẫu
nghiên cứu 69
3.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 của các mẫu than 70

Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 ở 300C 71
của các mẫu than 71

xviii


Hình 3.19. Mô tả các đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 bằng các mô hình
Langmuir, Freundlich, Toth và Redlich-Peterson đối với mẫu
CF3-48-600-2 và CF5-48-600-2 73
Bảng 3.13. Các tham số của bốn mô đẳng nhiệt phụ, tính từ dữ kiện thực
nghiệm
hấp phụ DR-23 ở 300C của các mẫu than, 74
Bảng 3.14. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 tại 30C của các mẫu
than 76
Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ DR-23 của các mẫu than tính từ các 77

KẾT LUẬN 79
I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 80
II. TÀI LIỆU TIẾNG NƯỚC NGOÀI 80

xix


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay than hoạt tính được sử dụng rất nhiều trong thực tế như: lọc nước,
xử lý môi trường, chống độc.... Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển của khoa học và
công nghệ, các ngành công nghiệp như công nghiệp sơn, dệt, in, hoá dầu... đang
phát triển mạnh mẽ, đã tác động tích cực đến sự phát triển kinh tế - xã hội. Tuy

nhiên, ngoài những lợi ích mà nó mang lại thì những tác hại do chúng gây ra với
môi trường là rất đáng lo ngại. Ở Việt Nam đang tồn tại một thực trạng là nước thải
công nghiệp ở hầu hết các cơ sở sản xuất chỉ được xử lý sơ bộ, thậm chí thải trực
tiếp ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở
nhiều nơi đang bị ô nhiễm trầm trọng. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức giữ
gìn, bảo vệ môi trường của con người, siết chặt công tác quản lí, thanh kiểm tra môi
trường thì việc tìm ra cách thức, phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng,
các hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm có hoạt tính độc hại… ra khỏi môi trường
nước là có ý nghĩa hết sức to lớn.
Các loại thuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
như: dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm…. Thuốc nhuộm tan nhiều trong nước và là
tác nhân gây ô nhiễm các nguồn nước, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người
và các vi sinh vật trong nước. Với con người thuốc nhuộm có thể gây dị ứng da,
thậm chí gây ung thư. Với vi sinh vật nó có thể gây chết hoặc gây nhiễm bệnh làm
mất cân bằng sinh thái. Mặt khác, việc loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải gặp
nhiều khó khăn vì chúng có độ bền cao với nhiệt, ánh sáng và các yếu tố gây oxy
hoá. Trong số nhiều phương pháp được nghiên cứu để tách loại các phẩm màu trong
môi trường nước, phương pháp hấp phụ dùng than hoạt tính là một trong những
phương pháp được áp dụng rộng rãi và đã mang lại hiệu quả cao. Ưu điểm của
phương pháp này là đi từ nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền, qui trình đơn giản và không
đưa thêm vào môi trường những chất gây hại. Dung lượng hấp phụ cao của than
hoạt tính nhờ cấu trúc xốp được hình thành từ hệ nhiều mao quản: vi mao quản
(đường kính < 2nm) và mao quản trung bình (mao quản kích thước 2nm < d <50nm).

1


Hơn nữa, nguyên liệu dùng để sản xuất ra than hoạt tính rất đa dạng, phong phú, lấy
từ các phế phẩm công nông nghiệp khác nhau như: vỏ trấu, bã mía của nhà máy
đường, phế liệu của ngành trồng trọt như lá dứa, xơ dừa của vùng trồng dừa Nam

Bộ, vỏ hạt cà phê ở các tỉnh Tây Nguyên và các tỉnh Tây Bắc.
Việt Nam là một trong những nước sản xuất cà phê chính của thế giới, hàng
năm đã thải ra một lượng khá lớn vỏ hạt cà phê. Thành phần chính của vỏ hạt cà phê
là xenlulozơ (chiếm khoảng 68%), là hợp chất bền, nên nếu để trong điều kiện tự
nhiên thì phải sau khoảng từ 2 đến 3 năm vỏ hạt cà phê mới bị phân huỷ hoàn toàn.
Như vậy, so với các phế phẩm nông nghiệp khác, vỏ hạt cà phê cần thời gian để phân
hủy lâu hơn dẫn tới gây ô nhiễm môi trường. Trong khi các nước trên thế giới đã có
một số công trình nghiên cứu sử dụng vỏ hạt cà phê để sản xuất thức ăn cho gia súc
gia cầm, trồng nấm ăn, ứng dụng lên men tạo phân bón, sản xuất hương thơm tự
nhiên, nghiên cứu ứng dụng nhiệt năng... thì ở nước ta hiện nay có rất ít công trình
nghiên cứu sử dụng loại phế thải nông nghiệp này. Hiện nay, một lượng nhỏ vỏ hạt cà
phê đã được sử dụng làm phân bón vi sinh hoặc ép bằng máy tạo thành các thanh
nhiên liệu để dùng trong các hộ gia đình. Lượng lớn vỏ hạt còn lại chưa qua xử lý
đang được bà con nông dân ở các vùng trồng cà phê tận dụng để bón vào gốc cây cà
phê. Tuy nhiên với cách làm này thì vỏ hạt cà phê chỉ có tác dụng làm cho đất tơi xốp
và hạn chế được cỏ dại. Lượng dinh dưỡng mà rễ cây hấp thu được từ vỏ hạt là rất ít.
Mặt khác, khi bón vỏ hạt cà phê vào gốc cây lại tạo ra môi trường thuận lợi để một số
vi sinh vật có hại phát triển, gây bệnh cho cây cà phê như: nấm gây bệnh gỉ sắt, nấm
gây bệnh đốm mắt cua, nấm gây bệnh nấm hồng….
Với thành phần xenlulozơ chiếm khoảng 68%, vỏ hạt cà phê là một nguồn
nguyên liệu giàu cacbon để có thể sản xuất than hoạt tính. Kết quả nghiên cứu chế
tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê từ phế thải nông nghiệp tại Phòng thí nghiệm
Hóa lý bề mặt – Khoa Hóa học − Trường Đại học Sư phạm Hà Nội cho thấy than
hoạt tính chế tạo từ vỏ hạt cà phê có bề mặt riêng rất lớn, có thể đạt tới 2200 m2/g [ 2].
Trong các nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã sử dụng tác nhân hoạt hóa là KOH
và NaOH nên than thu được chứa chủ yếu mao quản nhỏ (≈ 95%) với kích thước

2

mao quản 0,8 ≤ D < 3,0nm. Tuy nhiên với kích thước phân tử của thuốc nhuộm khá
lớn, phương pháp sử dụng than hoạt tính để hấp phụ thuốc nhuộm đòi hỏi than hoạt
tính phải chứa nhiều mao trung bình với độ rộng mao quản > 2nm. Vì vậy than hoạt
tính chế tạo với các tác nhân hoạt hóa NaOH và KOH tỏ ra chưa hiệu quả trong việc
hấp phụ thuốc nhuộm.
Các công bố gần đây cho thấy việc sử dụng ZnCl 2 làm tác nhân hoạt hóa
trong chế tạo được than hoạt tính từ thảo mộc [34, 60] hoặc sử dụng H 3PO4 làm tác
nhân hoạt hóa trong chế tạo than hoạt tính từ gỗ [53] cho phép thu được than với
tỉ lệ mao quản trung bình cao. Các loại than này có khả năng hấp phụ tốt các
chất màu trong dung dịch nước.
Nối tiếp hướng nghiên cứu của nhóm nghiên cứu chế tạo than từ phế
thải nông nghiệp của Bộ môn Hóa lí thuyết và Hóa lí – Khoa Hóa học cùng với
mong muốn chế tạo được than có khả năng hấp phụ tốt các chất hữu cơ có kích
thước phân tử lớn trong dung dịch nước, trong khuân khổ luận văn tốt nghiệp
chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê để hấp
phụ hiệu quả một số chất hữu cơ trong dung dịch nước.
2. Mục đích nghiên cứu
- Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê với bề mặt riêng lớn, chứa nhiều
mao quản trung bình.
- Xác định đặc trưng vật lí và hóa lí của than chế tạo được.
- Xác định khả năng hấp phụ thuốc nhuộm DR-23 trong dung dịch nước của
than chế tạo.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Vỏ hạt cà phê thải ra ở tỉnh Sơn La
- Thuốc nhuộm DR-23.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo than hoạt tính từ vỏ hạt cà phê, sử dụng tác nhân hoạt hóa ZnCl 2
trong các điều kiện khác nhau.
- Xác định các đặc trưng vật lí, hóa lí của than chế tạo được.

3