Báo cáo: Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu và ứng dụng làm chất hấp phụ

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình đại học và thực hiện tốt khóa luận tốt nghiệp,
em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô khoa Hóa
cùng các thầy cô Phòng thí nghiệm Môi trường - Trường Đại học Quy Nhơn.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Diệu Cẩm đã
giao đề tài và tận tình giúp đỡ, động viên, chia sẻ, hướng dẫn em trong suốt quá trình
thực hiện đề tài khóa luận này.
Em cũng gửi lời cảm ơn tất cả các thầy cô trong khoa Hóa và toàn thể các
thầy cô đã dạy em trong suốt khóa học tại trường Đại Học Quy Nhơn.
Do hạn chế về thời gian cũng như trình độ hiểu biết nên đề tài nghiên cứu
này không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp của các
thầy, các cô để bản báo cáo được hoàn thiện hơn.
Quy Nhơn, tháng
Sinh viên

năm


MỤC LỤC

MỤC LỤC..........................................................................................................2
4.1.2. Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen.......................................3
Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng. Mỗi loại
than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể. Tuy
nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm
chung quyết định đến khả năng hấp phụ là:Kích thước hạt, diện tích bề mặt
riêng, cấu trúc vật lý và khối lượng riêng............................................................11
1.2.1. Kích thước hạt [167-1]..............................................................................11
Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng chất
lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề
mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt

độ sôi của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính
toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi
chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn
thì khả năng hấp phụ kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu
trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt
hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao........13
Chương 2. THỰC NGHIỆM.............................................................................27
2.1. Thiết bị, hóa chất, dụng cụ.........................................................................27
2.1.1. Thiết bị....................................................................................................27
3.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân..........................................41
3.2. Đặc trưng vật liệu than hoạt tính điều chế.................................................42


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BET

Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (the Brunauer – Joyner
– Halenda)

DTA

Phân tích nhiệt vi sai (Different Thermo Analysis)

TGA

Phân tích nhiệt trọng lượng (Different Thermo Gravimetry
Analysis)

IR
XPS

Phương pháp quang phổ hồng ngại (Infrared Spectroscopy IR)
Phương pháp phổ quang điện tử tia X (X – ray photoelectron
spectroscopy)
Diện tích bề mặt riêng tính theo phương trình BET

SBET
SI

Diện tích bề mặt tính theo hấp phụ iot

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Mcroscopy)

UIPAC

Danh pháp Hóa học theo Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần
túy và Hóa học ứng dụng (International Union of Pure and
Applied Chemistry Nomenclature)


DANH MỤC BẢNG

MỤC LỤC..........................................................................................................2
4.1.2. Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen.......................................3
Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng. Mỗi loại
than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể. Tuy
nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm

chung quyết định đến khả năng hấp phụ là:Kích thước hạt, diện tích bề mặt
riêng, cấu trúc vật lý và khối lượng riêng............................................................11
1.2.1. Kích thước hạt [167-1]..............................................................................11
Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng chất
lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề
mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt
độ sôi của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính
toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi
chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn
thì khả năng hấp phụ kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu
trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt
hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao........13
Chương 2. THỰC NGHIỆM.............................................................................27
2.1. Thiết bị, hóa chất, dụng cụ.........................................................................27
2.1.1. Thiết bị....................................................................................................27
3.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân..........................................41
3.2. Đặc trưng vật liệu than hoạt tính điều chế.................................................42


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đường chuẩn xanh methylen...................Error: Reference source not found
Hình 1.2. Cấu trúc mao quản của than hoạt tính......Error: Reference source not found
Hình 1.3. Mô hình hấp phụ đơn lớp Langmuir và đa lớp BETError: Reference source
not found
Hình 1.4. Mô hình hấp phụ vỏ SAM.......................Error: Reference source not found
Hình 2.1: Quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu.....Error: Reference source not
found
Hình 3.1. Ảnh hưởng nhiệt độ hoạt hóa đến khả năng hấp phụ của than hoạt tínhError:
Reference source not found
Hình 3.2. Ảnh hưởng tỉ lệ chất họat hóa đến khả năng hấp phụ than hoạt tính...Error:

Reference source not found
Hình 3.3. Ảnh hưởng thời gian ngâm hoạt hóa đến khả năng hấp phụ than hoạt tính
................................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hoạt hóa khả năng hấp phụ của than hoạt
tính..........................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân đến khả năng hấp phụ của than hoạt
tính..........................................................................Error: Reference source not found
3.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân. Error: Reference source not found
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính
................................................................................Error: Reference source not found
3.2. Đặc trưng vật liệu than hoạt tính điều chế........Error: Reference source not found
Hình 3.7. Ảnh SEM của vật liệu (a) AC6, (b) AC-Na-6 và (c) AC-Na-8............Error:
Reference source not found
Hình 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 đối với vật liệu AC và AC821128..........................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.9. Phổ IR của vật liệu AC và AC821-128....Error: Reference source not found


Hình 3.10. Phổ XPS của vật liệu (a, b) AC và (c, d) AC821-128......Error: Reference
source not found
Hình 3.11. Giản đồ DTG-TGA của mẫu trấu không hoạt hóa.Error: Reference source
not found
Hình 3.12. Giản đồ DTG-TGA của mẫu trấu hoạt hóa.....Error: Reference source not
found
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc ΔpHi và pHi của AC821-128Error: Reference
source not found
Hình 3.15. Ảnh hưởng pH hấp phụ xanh methylen của AC821-128..Error: Reference
source not found
Hình 3.16. Ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ xanh methylen của AC821-128
................................................................................Error: Reference source not found
Hình 3.17. Đường đẳng nhiệt hấp Langmuir của AC821-128 Error: Reference source

not found

MỤC LỤC..........................................................................................................2
4.1.2. Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen.......................................3
Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng. Mỗi loại
than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể. Tuy
nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm
chung quyết định đến khả năng hấp phụ là:Kích thước hạt, diện tích bề mặt
riêng, cấu trúc vật lý và khối lượng riêng............................................................11
1.2.1. Kích thước hạt [167-1]..............................................................................11
Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng chất
lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề
mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt
độ sôi của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính
toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi
chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn
thì khả năng hấp phụ kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu
trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt
hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao........13


Chương 2. THỰC NGHIỆM.............................................................................27
2.1. Thiết bị, hóa chất, dụng cụ.........................................................................27
2.1.1. Thiết bị....................................................................................................27
3.1.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân..........................................41
3.2. Đặc trưng vật liệu than hoạt tính điều chế.................................................42


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác
nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp.
Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời có thể làm sạch nước, không khí thậm chí
là tham gia vào các quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích khác. Hiện nay trên thị
trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp và
đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí thiên nhiên, bã thải nông nghiệp
hay than bùn, … Tuy đa dạng về mặt mẫu mã, chủng loại nhưng những tính chất cơ
bản của chúng không khác xa nhau.
Việt Nam là một nước có truyền thống Nông nghiệp lâu đời, hiện nay
tuy xã hội phát triển một số ngành nghề đa dạng như: Công nghiệp, Thương nghiệp,
Dịch vụ… nhưng không vì thế mà Nông nghiệp mất đi vị thế của mình. Tiêu biểu như:
Việt Nam vẫn là nước đứng thứ hai trên thế giới trong lĩnh vực xuất khẩu gạo chỉ sau
Thái Lan. Mỗi năm Việt Nam sản xuất 40 triệu tấn lúa và thải ra hơn 8 triệu tấn trấu
khi xay sát. Đây là nguồn năng lượng lớn và ổn định có khuynh hướng tăng đều mỗi
năm. Trước đây, những phế phụ phẩm nông nghiệp này thường được dùng để làm chất
đốt để nấu ăn, dùng trong các lò sấy, nung gạch, một phần được đốt thành tro ủ để bón
cho tơi xốp đất. Những năm gần đây do sản lượng nông nghiệp tăng nhanh nên lượng
phế phụ phẩm nông nghiệp thải ra hàng năm rất lớn. Nhiều nơi trở thành vấn nạn. Ví
dụ như việc xả trấu bừa bãi xuống kênh rạch và đốt vỏ trấu ở một số thời điểm trong
năm đã làm ô nhiễm trầm trọng.
Theo một số nghiên cứu thì trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do thành
phần có 75% là chất xơ: 1kg trấu khi đốt sinh ra 3400 kcal bằng 1/3 năng lượng được
tạo ra từ dầu hỏa nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần (năm 2006). Hiện nay đã có một
vài cơ sở chế biến trực tiếp vỏ trấu thành củi trấu và trấu viên làm chất đốt cho sinh
hoạt nhưng chủ yếu là ở các vùng nông thôn vì củi trấu và than trấu vẫn gây ra nhiều
khói và khí độc có trong trấu nên các sản phẩm này vẫn chưa được cung cấp cho các
khu vực có nhu cầu chất đốt cao như đô thị, khu vực đông dân, các nhà máy, khu
công nghiệp và nhiệt điện.

1

Những phế phụ phẩm này nếu sản xuất tạo thành than hoạt tính với số lượng
lớn thì có thể là nguyên liệu chất lượng cao và rẻ tiền cung cấp cho các đô thị, khu vực
đông dân, các nhà máy, khu công nghiệp và nhiệt điện. Đem lại lợi ích kinh tế lớn
đồng thời giải quyết được vấn nạn ô nhiễm môi trường. Trên cơ sở lý luận và thực tiễn
được phân tích ở trên chúng em chọn đề tài: ‘‘Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ
trấu và ứng dụng làm chất hấp phụ’’.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu có khả năng hấp phụ các chất hữu
cơ (đại diện là xanh metylen) nhằm ứng dụng làm chất hấp phụ trong công nghệ xử lý
nước cấp và nước thải.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Vỏ trấu.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu gồm một giai đoạn: than hóa và hoạt hóa
đồng thời bằng cách nung yếm khí một giai đoạn.
- Đánh giá khả năng hấp phụ xanh methylen trong dung dịch nước của các vật
liệu AC điều chế quy mô phòng thí nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1 Nghiên cứu lý thuyết
4.1.1 Chế tạo than hoạt tính bằng phương pháp hoạt hóa hóa học
Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như:
- Nhiễu xạ Rơnghen: nhằm xác định cấu trúc.
- Kính hiển vi điện tử quét: nhằm xác định hình thái bề mặt ngoài của vật liệu.
- Phổ hồng ngoại: nhằm xác định các liên kết trong vật liệu điều chế được.
- Diện tích bề mặt và phân bố mao quản: được đo bởi kỹ thuật hấp phụ và giải
hấp phụ N2 ở 77 K.

2


4.1.2. Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen
Phương pháp lập đường chuẩn xanh methylen được tiến hành như sau: Pha các
dung dịch chuẩn xanh methylen có nồng độ lần lượt là 0,2 mg/L, 0,4 mg/L, 0,8 mg/L,
1,0 mg/L và 2,0 mg/L, 4 mg/L, 6 mg/L, 8 mg/L, 9 mg/L, 10mg/L. Sau đó tiến hành đo
mật độ quang của các dung dịch chuẩn trên tại bước sóng 662,5 nm, ghi lại các các giá
trị mật độ quang (A) và nồng độ tương ứng (C) của xanh methylen.
Vẽ đồ thị biễu diễn mốiquan hệ giữa (C) và (A) bằng phần mềm Excel 2007.
Phương trình đường chuẩn có dạng: A = a.C + b
Trong đó: C là nồng độ của xanh methylen; A là mật độ quang và a, b là các
hằng số.
Phương pháp lập đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen được tiến hành
như trên, kết quả được trình bày ở Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn xanh methylen
Nồng
độxanh metylen
(mg/L)
0,2

Nồng

Mật độ

độxanhmetylen

quang
(Abs)

Mật độ
quang
(Abs)

0,039

(mg/L)
4,0

0,4

0,106

6,0

1,601

0,8

0,201

8,0

2,062

1,0

0,291

9,0

2,256

2,0

0,619

10

2,527

1,119

Từ kết quả đã xác định Bảng 1.1, xây dựng đồ thị và phương trình biểu diễn sự
phụ thuộc giữa mật độ quang A và nồng độ xanh methylen Hình 1.1. Giới hạn đường
chuẩn của xanh methylen có nồng độ nhỏ hơn 10 mg/L

3


Hình 1.1. Đường chuẩn xanh methylen
4.2 Nghiên cứu thực nghiệm
- Điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu gồm một giai đoạn: hoạt hóa hóa học và
than hóa đồng thời bằng cách nung yếm khí một giai đoạn.
- Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu theo phương pháp chuẩn. Nồng độ
hợp chất hữu cơ được xác định theo phương pháp trắc quang.
- Xác định các đặc trưng vật liệu: phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR),
phương pháp hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET), phương pháp hiển vi điện tử quét
(SEM), phổ quang điên tử tia X (XPS), phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA).
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH

1.1. Giới thiệu chung về than hoạt tính
1.1.1. Định nghĩa
Gần đây, cacbon được xem như là một nguyên tố tuyệt vời của cuộc cách mạng
khoa học vật liệu. Từ cacbon chúng ta sẽ có được than hoạt tính, một chất hấp phụ xốp
rất tốt, với các đặc tính tuyệt vời, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Than hoạt tính là một thuật ngữ thường được sử dụng cho một nhóm các chất
hấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc dạng mao quản làm cho diện tích bề mặt lớn, khả
năng hấp phụ tốt hơn.
Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối

4


lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,… có sẵn
trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa.
Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S và 67% 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 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6
cm3/g [19].
Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá hay các vật
liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon,
đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự. Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được
tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng trăm, thậm chí hàng ngàn
lần.
Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách than hóa và
xử lý tiếp. Trong quá trình này, một vài thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơi
khỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản).
Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng:
- Than hoạt tính dạng bột
- Than hoạt tính dạng hạt

- Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao), thường là viên.
1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỉ
trước:
- Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ
chữa bệnh.
- Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than
gỗ.
Sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm 1900,
được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên
liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi nước hoặc CO 2. Than hoạt tính còn được sử
dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất.

5


- Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tính
hoại tử.
- Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp phụ trên than gỗ.
- Năm 1777 Phôn-tan-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trên
thủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất.
- Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy
màu nhiều dung dịch.
- Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường mía
và năm 1805 Gu-li-on đã dung than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đường.
- Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạo
than tẩy màu.
-Than được chế tạo bằng cách trộn than máu với potdineeg rửa và sấy.
- Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N 2, H2 ,NH3 và
HCN ở khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn NH3, N2, H2.

- Tại Việt Nam, than hoạt tính được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ
trước (Bách Khoa Hà Nội, Quốc phòng) và được sản xuất từ nguyên liệu than đá + dầu
cốc (Quốc phòng) hay từ bã mía (Nhà máy phân đạm Bắc Giang). Các loại sản phẩm
trên có chất lượng không cao, sản lượng thấp vì không đáp ứng được chất lượng. Vào
thập kỷ 90, nhà máy than hoạt tính Trà Bắc được đưa vào hoạt động, sản phẩm được
sản xuất từ xơ dừa với chất lượng tốt (diện tích bề mặt ~ 1000 m2/g). Sản phẩm có
nhiều dạng: xử lý nước, nước thải hay xử lý khí. Sản lượng hàng năm của nhà máy đạt
xấp xỉ 1000 tấn, phần lớn dành cho xuất khẩu [7].
Một vài nghiên cứu than hoạt tính dạng sợi với mục tiêu sử dụng làm mặt nạ
phòng độc được tiến hành ở bộ quốc phòng. Nguyên liệu sử dụng là các loại vải. Than
hoạt tính dạng sợi được chế tạo theo phương pháp than hoá và hoạt hoá với hơi nước
[8].Tại viện Khoa học Việt Nam, viện Vật liệu (TP. HCM) cũng đã tiến hành nghiên
cứu than hoạt tính dạng sợi từ xơ dừa, xơ đay, chế tạo theo công nghệ than hoá và hoạt
hoá với hơi nước [9].
1.1.3. Phân loại
1.1.3.1. Phân loại theo Misec

6


Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính. Cách đơn giản nhất theo Misec là
phân loại theo hình dáng bên ngoài của nó. Theo cách này than hoạt tính được phân
thành hai nhóm:
a. Than bột:
Nhóm này gồm than tẩy màu và than y tế. Vì độ khuếch tán trong dung dịch
nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch rất chậm. Để tăng cường độ thiết lập
cân bằng hấp phụ than được nghiền thành bột mịn.
b. Than hạt
Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên gọi là
than khí. Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trường lỏng, đặc biệt là để lọc

nước.
Than hạt có thể là dạng mảnh hoặc dạng trụ. Nguyên liệu được xay đến kích
thước nhất định và được hoạt hóa. Than hạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quy
trình phức tạp hơn. Nguyên liệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắt
thành hạt rồi tiếp tục các bước sản xuất khác.
1.1.3.2. Phân loại Meclenbua
Meclenbua phân loại than hoạt tính theo mục đích sử dụng và vì vậy than gồm
nhiều loại:
a. Than tẩy màu
Đây là nhóm cơ bản, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để
tẩy màu dung dịch. Ở đây, than hấp phụ chất bẩn có màu. Kích thước phân tử chất màu
thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thường tới dạng lớn và tới các tiểu
phân có độ phân tán keo. Than tẩy màu dùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng
80 – 100 µm. Than tẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính.
b. Than y tế
Than có khả năng hấp phụ các chất tan phân tán dạng keo trong dịch dạ dày và
ruột. Đây cũng là than tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao. Trong quá trình sản xuất
không nên dùng những chất tẩm chứa nhiều cation độc như thiếc, đồng, thủy ngân,…
c. Than hấp phụ
Tùy vào chất lượng và đích sử dụng, than hấp phụ còn được chia thành ba loại:

7


- Than ngưng tụ: Than được dùng để gom hơi các chất hữu cơ trong không khí,
chẳng hạn dùng để tách benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm quay vòng dung môi dễ
bay hơi trở lại quy trình sản xuất. Than có hoạt tính cao, độ bền cơ học cao, trở lực lớp
than đối với dòng khí nhỏ, khả năng lưu trữ chất bị hấp phụ thấp. Thường than được
sản xuất dưới dạng viên định hình hay dạng mảnh đường kính từ 2 – 8 mm, chiều dài
khoảng 1,5 lần đường kính.

- Than xúc tác: cũng là một dạng than khí, có độ xốp lớn, có thể dùng làm chất
xúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ.
- Than khí: Than có khả năng hấp phụ chọn lọc khí và hơi. Có thể dùng than
này để tách các hợp phần khí hay hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng. Than có ứng dụng
rộng rãi trong công nghệ dầu mỏ để làm sạch các chất thơm, không khí,…; để làm
sạch nước,… Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt định hình với kích thước
tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
1.1.3.3. Phân loại theo Đu-bi-nin
Đu-bi-nin đã dựa vào cấu trúc xốp để phân loại than hoạt tính. Chia than hoạt
tính thành dạng thu hồi và dạng khí là không có ý nghĩa về đặc trưng cấu trúc. Theo
ông chia than thành ba dạng dưới đây là hợp lý:
a. Than hoạt tính hấp phụ khí
Dùng cho hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi. Dạng than này thuộc chất
hấp phụ có cấu trúc xốp nhỏ loại I. Đặc trưng cấu trúc của dạng than này là khi tăng
thể tích hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ làm dễ dàng cho sự hấp phụ đẳng nhiệt
b. Than hoạt tính thu hồi
Dùng hấp phụ hơi các dung môi công nghiệp nhằm thu hồi và đưa chúng trở lại
chu trình sản xuất. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc hỗn tạp. Dung tích
hấp phụ lớn nhưng khả năng lưu giữ chất bị hấp phụ thấp, nhất là trong điều kiện khử
hấp phụ bằng hơi quá nhiệt.
c. Than tẩy màu
Than tẩy màu dùng để tẩy màu và lọc sạch dung dịch, chất lỏng. Than chủ yếu
thuộc chất hấp phụ có cấu trúc loại II. Than chứa tỷ lệ lớn lỗ có kích thước đủ lớn để
hấp phụ các phân tử màu và các tạp chất khác có mặt trong pha lỏng. Khi cần hấp phụ

8


các chất có phân tử nhỏ khỏi dung dịch thì dùng tan có cấu trúc loại I.
Sự phân loại than hoạt tính giúp chúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất và

trong việc tìm loại than thích hợp cho mục đích sử dụng của mình. Than hoạt tính
được sản xuất từ các cơ sở khác nhau, tuy có nhãn hiệu và tên thành phẩm khác nhau,
nhưng có thể có tính chất hấp phụ giống nhau.
1.1.4. Cấu trúc mao quản của than hoạt tính
Các mao quản trong than hoạt tính được chia thành ba loại theo kích thước của
chúng:
- Mao quản micro (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn 1 nm.
- Mao quản meso (mao quản trung): những mao quản có bán kính từ 1-25 nm.
- Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kính trên 25 nm.

Hình 1.2. Cấu trúc mao quản của than hoạt tính
Than hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng,
còn việc hấp phụ thường sử dụng than hoạt tính có các mao quản vừa và nhỏ. Các mao
quản được hình thành trong quá trình sản xuất, khi mà nguyên liệu được hoạt hóa. Các
mao quản này không được tạo ra bằng phản ứng hóa học.
Than hoạt tính chế tạo từ than bùn có cả mao quản meso và micro. Trong quá
trình sản xuất có thể điều khiển được quá trình hình thành mao quản meso – micro và
tạo ra nhiều mao quản meso cho than hoạt tính có nhiều ứng dụng. Than hoạt tính
dạng bột có chứa nhiều mao quản meso. Than hoạt tính loại này có các mao quản

9


meso kích thước 1 - 4 nm, cùng với các mao quản meso lớn hơn, gần như là dạng bột.
Than hoạt tính chế tạo từ than đá cũng có cả mao quản micro và meso và cũng
đa chức năng. Một trong những loại than phổ biến nhất trên thị trường có cỡ hạt
khoảng 0,4 – 1,4 mm. Một loại than mới được sử dụng và ngày càng được dùng nhiều
có cỡ hạt nhỏ hơn, khoảng 0,4 – 0,85 mm.
Than hoạt tính sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cấu trúc mao quản micro, kích thước
dưới 1 nm.

Than hoạt tính chế tạo bằng hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so với
việc hoạt hóa bằng hơi nước, tạo ra được nhiều mao quản micro và meso.
1.1.5. Tái sinh than hoạt tính
Nếu loại bỏ hết các tạp chất trong than hoạt tính đã sử dụng thì chúng có thể
được tái sinh và sử dụng lại. Sau khi tái sinh, than hoạt tính có thể phục hồi đến 80%
hiệu quả sử dụng, mà trong thực tế là 100% vì ít khi sử dụng than hoạt tính đến giới
hạn của nó. Theo lý thuyết, việc này có thể thực hiện nhiều lần theo ý muốn. Đối với
các loại than hoạt tính mềm (than hoạt tính từ than bùn hay vỏ trấu sẽ giảm chất lượng
khi tái sinh) thì các hạt sẽ trở nên nhỏ hơn sau mỗi lần tái sinh. Còn với các loại than
hoạt tính cứng hơn, như vỏ dừa hay than đá, sẽ vẫn giữ được chất lượng tốt và có thể
tái sinh khoảng vài trăm lần. Có 2 cách để tái sinh than hoạt tính: bằng nhiệt (tái sinh
nhiệt) và bằng hơi nước (tái sinh hơi nước).
1.1.5.1. Tái sinh bằng nhiệt
Tái sinh bằng nhiệt trong công nghiệp được thực hiện theo các bước sau:
Than hoạt tính được sấy khô. Sau đó gia nhiệt để cacbon hóa các tạp chất chứa
trong các mao quản của than hoạt tính.Tiếp tục than hoạt tính được hoạt hóa ở khoảng
700 – 1000 °C. Ở nhiệt độ này các tạp chất sẽ chuyển thành hơi và thoát ra khỏi than
hoạt tính. Quá trình này được thực hiện trong môi trường yếm khí để đảm bảo rằng
than hoạt tính không bị đốt cháy. Bằng cách này, các mao quản sẽ được hình thành một
lần nữa và than hoạt tính được tái sinh.
Ở một số vùng, tái sinh nhiệt được thực hiện theo các bước sau:
Bắt đầu bằng việc đổ than hoạt tính vào sàng và rửa sạch với nước nóng từ vòi.
Nếu than hoạt tính có cỡ hạt 0,4 – 0,85 mm thì chúng sẽ chui qua được các lỗ sàng

10


thông thường khi rửa. Bạn có thể sàng với các loại lưới tốt hơn hoặc bỏ qua hoàn toàn
bước này. Sau đó đun sôi than hoạt tính trong nước 10 – 15 phút để hòa tan môt vài
rượu bậc cao (đã tái sinh được 15 – 20%). Đun đến khi bay hơi hoặc đun lại nếu cần

thiết.Than hoạt tính sau đó được sấy khô. Sau khi than đã khô, nó được đặt vào một lò
sấy điện. Bật lò ở 140 °C hoặc 150 °C và nung than hoạt tính trong khoảng 2 – 3 giờ,
tắt lò và đợi cho than hoạt tính nguội. Bây giờ nó đã sẵn sàng để tái sử dụng lại. Các
tạp chất khi bay hơi khỏi than hoạt tính trong quá trình đun nóng có mùi rất tệ. Đồng
thời, việc tái sinh than hoạt tính trong lò điện rất nguy hiểm vì nó có thể cháy. Than
hoạt tính làm từ gỗ và than bùn cháy ở khoảng 200°C còn than đá ở khoảng 400 °C.
Than đá vẫn có thể tái sinh trong lò điện ở khoảng 300 – 350 °C nếu muốn.
1.1.5.2. Tái sinh bằng hơi nước
Tái sinh bằng hơi nước được thực hiện theo các bước sau: Lọc ngược dòng với
nước nóng. Được thực hiện từ trên xuống. Trong các bộ lọc than hoạt tính luôn luôn
thực hiện từ dưới lên. Sau đó, hơi nước được cho đi qua than hoạt tính. Nó cũng được
thực hiện từ trên xuống. Hơi nước ở 120 – 130 °C và than hoạt tính cũng được làm
nóng đến nhiệt độ tương tự. Tất cả các tạp chất sẽ bay hơi khỏi các mao quản. Cuối
cùng than hoạt tính được rửa ngược và sẵn sàng sử dụng lại.
1.1.6. Ứng dụng
Than hoạt tính là một chấp hấp phụ quý và linh hoạt, được sử dụng cho nhiều
mục đích:Loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn hoặc các tạp chất hữu cơ, vô cơ
trong nước thải (công nghiệp và sinh hoạt).Làm sạch không khí, kiểm soát ô nhiễm
không khí từ khí thải công nghiệp, làm sạch hóa chất, dược phẩm, làm chất thu hồi
vàng, bạc và các kim loại quý khác trong lĩnh vực luyện kim. Đồng thời than hoạt tình
còn làm chất mang xúc tácvà loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh.
1.2. Tính chất vật lý
Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng. Mỗi
loại than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể. Tuy
nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm chung
quyết định đến khả năng hấp phụ là:Kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, cấu trúc vật
lý và khối lượng riêng.
1.2.1. Kích thước hạt [167-1]

11

Có nhiều nhiều phương pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên các loại
than hoạt tính có nhiều tính chất, hình dạng và kích thước hạt khác nhau. Trước khi
đưa vào sử dụng cần xác định được các thông số như kích thước hạt và diện tích bề
mặt riêng của hạt than,… Vì những thông số này là một trong những nhân tố ảnh
hưởng trực tiếp đến tính chất của than hoạt tính. Người ta thường sử dụng hai phương
pháp để xác định kích thước hạt than là:Phương pháp hiển vi điện tử và phương pháp
hấp phụ lên bề mặt.Vì kích thước và diện tích bề mặt các hạt than khác nhau nên trong
tính toán thường lấy giá trị trung bình. Phương pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển
vi điện tử cho giá trị đường kính trung bình hạt than với các phương pháp sản xuất
khác nhau. Ví dụ, than máng có đường kính hạt trung bình là 100 ÷ 300 Å; than sản
xuất bằng lò lỏng có đường kính hạt trung bình là 180 ÷ 600 Å; than sản xuất bằng lò
khí có đường kính hạt trung bình là 400 ÷ 800 Å. Phương pháp nhiệt phân cho than
hoạt tính có đường kính hạt trung bình lớn nhất là 1400 ÷ 4000 Å. Người ta đã đưa ra
công thức tính đường kính trung bình của hạt than hoạt tính [45-2].

Trong đó: n – số hạt; d – đường kính hạt.
Kích thước hạt cũng được xác định bằng phương pháp gián tiếp nhờ phương
pháp hấp phụ theo BET.
1.2.2. Diện tích bề mặt riêng [168-1]
Hai phương pháp thường dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của than hoạt
tính là:Phương pháp tính toán hình học và phương pháp tính toán theo lượng chất lỏng
phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng được hấp phụ lên bề mặt
của than hoạt tính.
Theo phương pháp thứ nhất, các kích thước hình học của than hoạt tính được
xác định bằng kính hiển vi điện tử. Nếu chấp nhận các hạt than hoạt tính có dạng khối
cầu và bề mặc các hạt than phẳng nhẵn tuyệt đối thì diện tích bề mặt riêng S h được tính
theo công thức:

Trong đó:

– khối lượng riêng của than hoạt tính;

12


DA – đường kính bề mặt trung bình hạt than;

Trong đó: n – số hạt; d – đường kính hạt;
Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp này gọi là diện tích bề mặt
hình học riêng (Sh).
Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng
chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề
mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt độ sôi
của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính toán bằng
phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi chất lỏng hấp
phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ
kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu trúc than có thể sử dụng tỷ
số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt hình học riêng. Tỷ số này càng lớn
bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao.
1.2.3. Cấu trúc vật lý [169-1]
Cấu trúc của than hoạt tính được đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc bậc
nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phương pháp sản xuất và
nguyên liệu đầu đưa vào để sản xuất than. Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất
trong than sản xuất bằng phương pháp lò. Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho cấu
trúc có độ bền cao. Số lượng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối
với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao.
Trong thời gian bảo quản, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc với
nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hai của than hoạt tính. Mức độ bền

vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu trúc bậc nhất và
dao động trong khoảng độ bền của liên kết Van der Waals đến độ bền liên kết hydro có
trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích thước càng nhỏ,
mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lượng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng
cao.
Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử
và có thể đánh giá gián tiếp qua lượng dầu được than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu của

13


than). Trị số dầu của than họa tính là lượng dầu hay lượng chất lỏng không bốc hơi
(ml), trơ hóa học với than hoạt tính được hấp phụ lên bề mặt của than họa tính tạo
thành bột nhão. Theo lý thuyết, lượng dầu hấp phụ này chính là khoảng không gian
giữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia. Nếu cấu trúc của than càng
lớn, mức độ kết bó chặt chẽ của than giảm, lượng dầu cần thiết để trộn miết với than
càng nhiều hơn. Như vậy, trị số dầu là đại lượng tổng hợp để đánh giá giá trị diện tích
bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính.
1.2.4. Khối lượng riêng [170-1]
Khối lượng riêng của than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp
xác định nó. Chẳng hạn, nếu như dùng rượu, axeton để xác định khối lượng riêng của
than hoạt tính thì rượu và axeton lại là các phân tử quá lớn, không len lỏi và các khe,
kẽ giữa các hạt than và trên bề mặt than. Như vậy, thể tích do các hạt than chiếm sẽ lớn
và khối lượng riêng sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng thực của than. Khối lượng riêng của
than hoạt tính xác định bằng phương pháp này dao động trong khoảng từ 1800 ÷ 1900
km/m3. Khi xác định khối lượng riêng của than hoạt tính trong heli lỏng, thu được giá
trị từ 1900 ÷ 2000 kg/m3. Khối lượng riêng của than hoạt tính được tính toán theo hằng
số mạng tinh thể là 2160 ÷ 2180 kg/m3.
Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm sát bên nhau và ở các góc cạnh, các
cung là không khí, vì thế khối lượng riêng của nó nhỏ hơn nhiều và dao động từ 80 ÷

300 kg/m3, phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than. Than có cấu trúc càng
lớn, khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá trị khối lượng riêng càng nhỏ.
Qua ứng dụng của than hoạt tính, người ta thấy rằng giá trị khối lượng riêng
1860 kg/m3 thường được sử dụng khá phổ biến.
1.3. Tính chất hóa học [161-1]
Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơnghen cho thấy các
hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng, cấu tạo từ các vòng cacbon, vị trí sắp xếp
các nguyên tử cacbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong
benzen. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học như sau:
Khoảng 3 ÷ 7 mạng cacbon phẳng sắp xếp thành từng lớp, mạng này lên mạng khác,
nhưng không trồng khít và chính xác như nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng
khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính. Khoảng

14


cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1,42 Å, khoảng cách giữa các
nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3,6 ÷ 3,7 Å.
Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 ÷ 200 nguyên tử
cacbon. Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt
than đầu tiên. Số lượng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thước của
hạt than, chẳng hạn than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp khuếch tán
MacDG – 100 chứa khoảng 5000 ÷ 10000 tinh thể.
Trong quá trình sản xuất, do có sự va chạm, khuấy trộn, các hạt than sơ khai
thường có dạng khối cầu hoặc gần cầu. Các khối cầu nằm bên trong hỗn hợp phản ứng
lại liên kết với nhau nhằm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và
tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thước của chuỗi phụ thuộc vào tính chất của
từng loại than. Các chuỗi hạt như vậy được gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của than hoạt
tính. Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài
(cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn, và vì vậy, nó là trung tâm của các

quá trình oxy hóa tạo cho bền mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa
học khác nhau. Ngoài cacbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính còn có
hydro, lưu huỳnh, oxy và các chất khác. Các nguyên tử này được đưa vào than hoạt
tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình oxy hóa. Sự có mặt của các hợp chất
chứa oxy trên bề mặt than hoạt tính được chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù
trong nước của than hoạt tính.
Bảng 1.2. Thành phần nguyên tố một số loại than hoạt tính [252-2]
Hàm lượng (%)
Loại
Tăng cường máng
Bán tăng cường lò
Tăng cường lò

Cacbon

Oxy

Hydro

95,2
99,2

3,6
0,4

0,6
0,3

Chất dễ bay
hơi

5
1,2

98,2
0,8
0,3
1,4
lỏng
Nhìn chung, tùy vào từng loại than với các phương pháp sản xuất khác nhau,

thành phần của chúng cũng khác nhau, nhưng nằm trong giới hạn cho phép:Cacbon:
80 ÷ 99,5%, Hydro: 0,3 ÷ 1,3%, Oxy: 0,5 ÷ 1,5%, Nitơ: 0,1 ÷ 0,7% và Lưu huỳnh: 0,1
÷ 0,7% [142-4].
1.4. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính

15


Than hoạt tính là vật liệu rắn, đa mao quản (mao quản nhỏ, mao quản trung
bình và mao quản lớn), trên bề mặt than hoạt tính có chứa các tâm hoạt tính của các vi
tinh thể graphit biến dạng, các nhóm chức oxy - carbon (axit, bazơ, trung hòa, ưa nước
hoặc kỵ nước,...). Do đó, than hoạt tính là vật liệu hấp phụ đa năng.
Về cơ bản, than hoạt tính là vật liệu hấp phụ kỵ nước (hydrophobic), nhưng khi
biến tính bề mặt than hoạt tính bằng các nhóm C-OH, COOH,... thì tính kỵ nước của
than hoạt tính giảm và tính ưa nước tăng lên. Do đó than hoạt tính là chất hấp phụ tốt
cho các chất hữu cơ không phân cực hoặc phân cực yếu.
Mao quản nhỏ của than hoạt tính là “miền hấp phụ” tốt cho các phân tử nhỏ
(các hơi, khí của VOC, benzen, toluen, xylen,...). Các mao quản trung bình là “không
gian” thu hút các phân tử lớn (các hợp chất màu, thuốc nhuộm, các chất hữu cơ tự
nhiên NOC - Natural Organic Compounds,...).

Như vậy, than hoạt tính là vật liệu hấp phụ có đặc trưng chủ yếu hydrophobic,
và đa năng: vừa hấp phụ tốt trong pha khí và vừa hấp phụ hiệu quả trong pha lỏng, có
thể hấp phụ chọn lọc các phân tử nhỏ và cũng có thể hấp phụ chọn lọc các phân tử lớn.
Tất nhiên, để đạt được các kết quả đó người ta phải biết cách điều chỉnh (trong sản
xuất và biến tính) cấu trúc mao quản và tính chất bề mặt của than hoạt tính một cách
hợp lý.
Để khảo sát khả năng hấp phụ (nhiệt động học hấp phụ) và tốc độ hấp phụ
(động học hấp phụ), người ta cần phải dựa vào các quy luật nhiệt động học phù hợp
cho quá trình hấp phụ trên than hoạt tính.
1.4.1. Nhiệt động học hấp phụ
1.4.1.1. Một số khái niệm về hấp phụ
Hấp phụ là hiện tượng gia tăng nồng độ một chất nào đó trên bề mặt phân cách
pha (khí - rắn hoặc lỏng - rắn) so với nồng độ trong pha thể tích (khí hoặc lỏng).
Chất được gia tăng nồng độ được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn có
bề mặt phân cách được gọi là chất hấp phụ (adsorbent).
Trong quá trình hấp phụ, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tương tác với nhau
bởi một lực liên kết đặc thù. Khi lực liên kết yếu, không làm thay đổi cấu trúc vỏ
electron của các tiểu phân hấp phụ (phân tử, nguyên tử, ion,..) thì sự hấp phụ được gọi

16


là hấp phụ vật lý. Khi lực liên kết mạnh dẫn đến sự hình thành liên kết hóa học, thì sự
hấp phụ được gọi là hấp phụ hóa học.
Dung lượng hấp phụ (adsorption capacity) là đại lượng đặc trưng cho khả năng
hấp phụ của một chất hấp phụ.
qe =

co − ce
V

m
(1.3)

Trong đó, qe: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
Co: nồng độ chất bị hấp phụ (mg/L)
Ce: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng (mg/L)
V: thể tích của pha khí (hoặc lỏng) chứa chất bị hấp phụ (mL)
m: khối lượng chất hấp phụ
Mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ (q e) với áp suất (pha khí) hay nồng độ
(pha lỏng) của chất bị hấp phụ (ở trạng thái cân bằng hấp phụ), tại một nhiệt độ không
đổi (T = const), được gọi là phương trình đẳng nhiệt hấp phụ, hoặc thường được gọi tắt
là đẳng nhiệt hấp phụ.

e = f(Pe)T

T= const

(1.4)

qe = f(Ce)T T= const
(1.5)
Mối quan hệ giữa qe và f(Pe)T, f(Ce)T trong phương trình 1.4; 1.5 được gọi là
đẳng nhiệt hấp phụ. Nó được xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hay bán kinh
nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất của hệ và kinh nghiệm xử lý số liệu
thực nghiệm.
Sau đây là các đẳng nhiệt hấp phụ thường được sử dụng trong nghiên cứu hấp
phụ trên than hoạt tính.
1.4.1.2. Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được thiết lập vào năm 1918 bởi nhà khoa
học Mỹ Langmuir, dựa vào các giả thiết sau:

- Các tiểu phân bị hấp phụ (phân tử, nguyên tử hoặc ion) liên kết với bề mặt
chất hấp phụ trên các tâm hấp phụ xác định, cố định (localized sites).
Mỗi một tâm hấp phụ chỉ liên kết với một tiểu phân bị hấp phụ.
Trạng thái năng lượng của các tiểu phân hấp phụ là như nhau trên mọi tâm hấp

17


phụ và không phụ thuộc vào sự có mặt hay không có mặt tiểu phân bị hấp phụ ở tâm
bên cạnh. Như vậy, mô hình Langmuir đã giả thiết rằng bề mặt là hoàn toàn đồng nhất
và không có (hoặc có thể bỏ qua) sự tương tác ngang giữa các tiểu phân bị hấp phụ.
Trên cơ sở giả thiết đó, phương trình đẳng nhiệt Langmuir được thiết lập như
sau:

[S - A]: phức hấp phụ
θ: phần bề mặt bị hấp phụ (1.6)
θ=

qe
qo

(1.7)

Trong đó, qe: dung lượng hấp phụ cân bằng
q0: dung lượng hấp phụ cực đại, khi toàn bề mặt bị hấp phụ, tạo thành đơn lớp
phân tử bề mặt
Do đó 0 ≤ θ ≤ 1
Khi đạt trạng thái cân bằng, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ khử hấp phụ. Từ
phương trình 1.6, ta có:
Tốc độ hấp phụ:

Tốc độ khử hấp
phụ:
Khi cân bằng:
hay

v1 =

k1 PA (1- θ)

v2 =

k2 θ

v1 =
k1 PA (1- θ)
θ=

v2
= k2 θ

KPA
1 + KPA (1.8)

Với
Biến đổi phương trình 1.7 và 1.8, ta có phương trình đẳng nhiệt
Langmuir dạng:
qe = q0

KPA
1 + KPA

(1.9)

Lưu ý rằng:
, do đó, K đặc trưng cho lực hấp phụ của tâm. Khi K
tăng, nghĩa là k1 tăng, k2 giảm, K càng lớn thì tâm có lực hấp phụ càng lớn.
q0: là dung lượng hấp phụ cực đại, đơn lớp đặc trưng cho khả năng hấp phụ của
vật liệu, q0 càng lớn, vật liệu có khả năng hấp phụ càng lớn.

18