NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA THAN HOẠT TÍNH TỪ TRẤU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI
NẶNG CỦA THAN HOẠT TÍNH TỪ TRẤU

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG GIANG
LƯƠNG THÁI QUYÊN
Ngành:
Niên khóa:

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
2004 – 2008

-- Tháng 10/2008 --


NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG
CỦA THAN HOẠT TÍNH TỪ TRẤU

Tác giả

NGUYỄN HOÀNG GIANG
LƯƠNG THÁI QUYÊN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Công Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn:
PHÓ GIÁO SƯ – TIẾN SĨ NGUYỄN ĐÌNH THÀNH

Tháng 10 năm 2008

i


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS - Nguyễn Đình Thành, người
thầy đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo cho chúng em trong suốt thời gian con thực hiện đề tài
tốt nghiệp tại Viện.
Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô Bộ Môn Công Nghệ Hóa
Học – Trường Đại học Nông Lâm TPHCM đã chỉ dạy, động viên em rất nhiều trong
suốt những năm học trên giảng đường.
Chúng em xin cảm ơn các cán bộ, các anh chị của Viện Khoa Học Vật Liệu
Ứng Dụng đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài này.
Chúng mình xin cảm ơn các bạn đã động viên, giúp đỡ mình trong thời gian
vừa qua, mình đã học hỏi được từ các bạn rất nhiều.
Chúng con xin cảm ơn cha mẹ đã ủng hộ và lo lắng cho con rất nhiều trong suốt
những năm tháng qua, con sẽ nổ lực thật nhiều để không phụ lòng cha mẹ.
Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng bài viết của chúng em sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót và kiến thức còn hạn hẹp. Chúng em rất mong nhận được những góp ý
của thầy cô và bạn bè.

iii

TÓM TẮT
Trấu là một sản phẩm phụ có giá trị thấp của ngành trồng lúa, tuy được sử dụng
trong một số ngành nhưng có giá trị không đáng kể. Mục tiêu của khóa luận là nghiên
cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu bằng tác nhân hoạt hóa là muối kẽm và
khí CO2. Điều kiện công nghệ sản xuất được nghiên cứu với các thông số sau: than
hóa ở điệu kiện nhiệt độ khoảng 480 0C trong 40 phút. Sau đó tiến hành quá trình hoạt
hóa bằng tác nhân hoạt hóa ở nhiệt độ 800 0C, tỷ lệ muối kẽm tẩm vào than trấu với tỷ
lệ ZnCl2 : than là 2:1 và thời gian hoạt hóa 3 – 4 giờ. Sản phẩm than hoạt tính thu được
có chất lượng trung bình (diện tích bề mặt 257 m2/g, khả năng hấp phụ xanh
methylene khoảng 75 mg/g than).
Thông qua việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu mở ra một hướng
mới về sản xuất vật liệu hấp phụ với giá rẻ, tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp.
Đồng thời có thể sử dụng than hoạt tính trong việc xử lý nước thải và hấp phụ ion kim
loại nặng trong nước như Ni, Cd, Zn….

iv


MỤC LỤC
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... 0
DANH SÁCH CÁC HÌNH................................................................................................ 0
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................... 0
Chương 1 ............................................................................................................................ 1
MỞ ĐẦU............................................................................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 1
1.2 Mục đích đề tài.......................................................................................................... 3
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................... 3
Chương 2 ............................................................................................................................ 4

TỔNG QUAN..................................................................................................................... 4
2.1 Nguyên liệu trấu – sản lượng và ứng dụng ............................................................... 4
2.1.1 Sản lượng lúa gạo trên thế giới.......................................................................... 4
2.1.2 Nguyên liệu trấu ................................................................................................ 6
2.1.3 Thành phần hóa học của trấu [28] ..................................................................... 7
2.1.4 Những ứng dụng của trấu trên thế giới ............................................................. 8
2.2 Than hoạt tính ......................................................................................................... 11
2.2.1 Định nghĩa – Phân loại..................................................................................... 11
2.2.2 Cấu trúc của than hoạt tính .............................................................................. 14
2.2.3 Thành phần hóa học và tính chất bề mặt của than hoạt tính............................ 21
2.2.4 Ứng dụng của chất hấp phụ - than hoạt tính.................................................... 21
2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất than hoạt tính............................................. 22
2.3.1. Quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính .................................................. 22
2.3.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu ...................................... 31
2.4 Các phương pháp đánh giá chất lượng than hoạt tính............................................. 34
2.4.1 Các phương pháp đánh giá chất lượng thông thường...................................... 34
2.4.2 Tổng quan về hấp phụ...................................................................................... 36
2.5 Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường ............................................................... 45
2.5.1 Kim loại nặng – Cơ chế hấp phụ kim loại nặng .............................................. 45
2.5.2 Nguồn phát sinh kim loại nặng........................................................................ 47
v


2.5.3 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến độc tính kim loại nặng ....................... 48
2.5.4 Các kim loại nặng độc hại trong khí quyển ..................................................... 50
2.5.5 Kim loại nặng trong nước và bùn .................................................................... 50
2.5.6 Kim loại nặng trong môi trường cạn ............................................................... 52
2.5.7 Tác dụng độc của kim loại nặng ...................................................................... 55
2.5.8 Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước .......................................... 61
2.6 Các phương pháp đo trong quá trình thực nghiệm ................................................. 63

2.6.1 Phương pháp đo bề mặt ................................................................................... 63
2.6.2 Đo khả năng hấp phụ xanh methylene của than hoạt tính ............................... 64
2.6.3 Đo hấp thu nguyên tử....................................................................................... 66
2.7 Phương pháp thực hiện............................................................................................ 67
2.7.1 Công nghệ sản xuất than hoạt tính................................................................... 67
2.7.2 Khảo sát tính chất lý hóa của than hoạt tính.................................................... 68
2.7.3 Khảo sát khả năng hấp phụ xanh methylene ................................................... 68
2.7.4 Khảo sát khả năng hấp phụ một số kim loại nặng của vật liệu........................ 68
2.7.5 Kiểm tra các kết quả thí nghiệm trên máy AAS.............................................. 68
2.7.6 Xử lý số liệu..................................................................................................... 69
2.8 Kết luận ................................................................................................................... 69
Chương 3 .......................................................................................................................... 71
THIẾT BỊ - NGUYÊN LIỆU – HÓA CHẤT ................................................................ 71
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................. 71
3.1 Địa điểm thực hiện .................................................................................................. 71
3.2 Thời gian thực hiện ................................................................................................. 71
3.3 Nguyên liệu – Hóa chất........................................................................................... 71
3.3.1 Nguyên liệu:.................................................................................................... 71
3.3.2 Hóa chất: .......................................................................................................... 71
3.4 Thiết bị - tiến hành thí nghiệm................................................................................ 73
3.4.1 Quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu ....................................... 73
3.4.2 Thí nghiệm than hóa ........................................................................................ 75
3.4.3 Thí nghiệm hoạt hóa ........................................................................................ 75
3.5 Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 78
v


3.5.1 Bố trí thí nghiệm .............................................................................................. 78
3.5.2 Khảo sát khả năng hấp phụ xanh methylen của than hoạt tính........................ 78
3.5.3 Chuẩn bị đường chuẩn ..................................................................................... 79

3.6 Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính từ trấu ..................... 81
3.6.1 Mẫu nghiên cứu ............................................................................................... 81
3.6.2 Phân tích mẫu................................................................................................... 81
3.6.3 Thí nghiệm trong bể......................................................................................... 81
Chương 4 .......................................................................................................................... 83
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ............................................................. 83
4.1 Quá trình hoạt hóa: Hiện tượng – Kết quả - Bàn luận ............................................ 83
4.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ ZnCl2 tẩm vào than ........................................................ 83
4.1.2 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa.................................................................. 89
4.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa.................................................................... 93
4.2 Kết quả đo diện tích bề mặt riêng ........................................................................... 96
4.3 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính từ trấu. ....... 97
Chương 5 ........................................................................................................................ 101
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 101
5.1 Kết luận ................................................................................................................. 101
5.2 Kiến nghị............................................................................................................... 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 103
PHỤ LỤC

v


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
B.E.T : Brunauer – Emmett - Teller
SBET : Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp B.E.T
EPDT : Etylen – Popylen – Diene – Tepolymer
PVDC: Polivinylinden clorua
PVC : Polyvinyl clorua
AAS : Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử
ALAD: delta và alpha aminolevulinic acid dehydrogenase

ALAS: ALA synthetase
ALA : Delta aminolevulinic acid
BBB: Blood brain barrier
TMT : Thiếc trimethyl
TET: Thiếc triethyl
GABA :gamma-aminobutyric acid.
RNA: Axít ribonucleic
DNA : Acid deoxyribonucleic
BVTV: Bảo vệ thực vật.
LC50 : Lethal concetration ( nồng độ gây chết)
ATP: Adenosin triphosphat.

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 - Cây lúa – hạt lúa ......................................................................... 4
Hình 2.2 - Vỏ trấu ........................................................................................ 6
Hình 2.3 - Quá trình xay xát lúa .................................................................. 7
Hình 2.4 - Sản phẩm than hoạt tính ............................................................ 11
Hình 2.5 - Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính .......................................... 14
Hình 2.6 - Cấu trúc than Graphit hóa ......................................................... 15
Hình 2.7 - Cấu trúc than không Graphit hóa .............................................. 16
Hình 2.8 - Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính ............................................ 18
Hình 2.9 - Cấu trúc hóa học của than hoạt tính .......................................... 19
Hình 2.10 - Quy trình sản xuất than hoạt tính ............................................ 22
Hình 2.11 - Cấu trúc lỗ lớn ........................................................................ 24
Hình 2.12 - Cấu trúc lỗ trung ..................................................................... 25
Hình 2.13 - Cấu trúc lỗ nhỏ ....................................................................... 25
Hình 2.14 - Hệ thống máy đo bề mặt vật liệu ............................................ 64

Hình 2.15 - Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy UV-VIS ....................... 64
Hình 2.16 - Xác định nồng độ CC của mẫu từ đường chuẩn ...................... 65
Hình 2.17 - Máy quang phổ UV-VIS JASCO V550 ................................. 65
Hình 2.18 – Nguyên tắc hoạt động của máy AAS ..................................... 66
Hình 3.1 - Công thức hóa học của xanh methylene .................................... 70
Hình 3.2 - Quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu ................. 72
Hình 3.31 - Thiết bị thí nghiệm thực tế ...................................................... 74
Hình 3.4 - Hệ thống thiết bị thí nghiệm ..................................................... 75
Hình 3.5 - Đường chuẩn hấp phụ xanh methylene ........................... 79
Hình 4.1 - Ảnh chụp các lọ chứa dung dịch xanh methylene sau khi
đã được hấp phụ ở đợt 1

84

Hình 4.2 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 1 .............................................. 84
Hình 4.3 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 2 .............................................. 85
Hình 4.4 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 3............................................... 85
Hình 4.5 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 4 .............................................. 86
Hình 4.6 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 5 ............................................... 86
Hình 4.72 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 6 ............................................ 87
Hình 4.8 - Đồ thị so sánh kết quả đo hấp phụ giữa các mẫu ...................... 87
Hình 4.9 - Ảnh chụp các lọ chứa dung dịch xanh methylene sau khi
vii


đã được hấp phụ ở đợt 2 ............................................................................. 89
Hình 4.10 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 7............................................. 89
Hình 4.11- Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 8 ............................................. 90
Hình 4.12 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 9 ............................................ 90
Hình 4.13 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 10 .......................................... 91

Hình 4.14 - Đồ thị so sánh kết quả đo hấp phụ giữa các mẫu .................... 91
Hình 4.15 - Ảnh chụp các lọ chứa dung dịch xanh methylene sau khi
đã được hấp phụ ở đợt 3 ............................................................................. 93
Hình 4.16 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 11 .......................................... 93
Hình 4.17 - Đồ thị kết quả đo hấp phụ mẫu 12 .......................................... 94
Hình 4.18 - Biểu đồ so sánh kết quả đo hấp phụ giữa các mẫu ................. 94
Hình 4.19 - Đồ thị biểu diễn sự hấp phụ của than hoạt tính theo
phương trình Langmuir .............................................................................. 97
Hình 4.20 - Đồ thị biểu diễn sự hấp phụ của than hoạt tính theo
phương trình Freundlich ............................................................................. 98

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 - Sản lượng lúa gạo và trấu thế giới .............................................. 5
Bảng 2.2 - Thành phần cơ bản của trấu ....................................................... 7
Bảng 2.3 - Các nguồn năng lượng sinh học chủ yếu ở Việt Nam ................ 8
Bảng 2.4 - Cơ hội sử dụng và tiềm năng của trấu thóc .............................. 10
Bảng 2.5 – So sánh than hoạt tính với tác nhân hoạt hóa là Na và K ........ 33
Bảng 2.6 - Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm (mg/g) của than
hoạt tính từ trấu ......................................................................................... 36
Bảng 2.7 - Hàm lượng kim loại ở đất mặt .................................................. 52
Bảng 2.8 - Mức độ hấp thu tương đối của cây đối với một số kim loại ... 53
Bảng 2.9- Các dấu hiệu lâm sàng khi tiếp xúc với Et4Pb hoặc Et3Pb......... 57
Bảng 2.10 - Tần số các triệu chứng lâm sàng và triệu chứng bệnh
Minamata Thiếc .......................................................................................... 59
Bảng 2.11 - Các kim loại nặng gây ung thư ở người ................................. 60
Bảng 2.12 - Các kim loại có tiềm năng thúc đẩy ung thư ......................... 61
Bảng 3.1 – Thông số tối ưu cho quá trình than hóa ................................... 74

Bảng 3.2 – Tỷ lệ muối kẽm ........................................................................ 76
Bảng 3.3 - Kết quả đo màu các mẫu chuẩn ....................................... 79
Bảng 4.1 - Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính đợt 1 ... 83
Bảng 4.2 - Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính đợt 2 ... 88
Bảng 4.3 - Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính đợt 3 .. 92
Bảng 4.4 - So sánh kết quả giữa các tác nhân hoạt hóa ............................. 95
Bảng 4.5 - Kết quả đo bề mặt riêng ........................................................... 95
Bảng 4.6 - Số liệu phân tích nồng độ các ion kim loại hấp phụ bởi
than hoạt tính từ trấu ........................................................................ 96
Bảng 4.7 - Các hệ số phương trình Langmuir ................................... 97
Bảng 4.8 - Các hệ số phương trình Freundlich ................................ 98

viii


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay bên cạnh với sự phát triển kinh tế, phát triển công - nông nghiệp dịch vụ, luôn kèm theo một vấn đề rất đáng lo ngại cho đất nước ta, đó là vấn đề ô
nhiễm môi trường – mối hiểm họa có ảnh hưởng lâu dài và rất nguy hiểm trong tình
hình hiện nay.
Dư lượng kim loại nặng trong nước với một lượng lớn vượt quá tiêu chuẩn cho
phép sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người. Nhiễm độc cadimi gây ung
thư, bệnh phổi và xương ; kẽm gây độc đến hệ tiêu hóa, niken gây bệnh về da. Dư
lượng kim loại nặng kẽm, cadimi, niken thường được tìm thấy nhiều nhất trong nước
thải của ngành sản xuất xi mạ, nước thải này đổ ra sông gây ảnh hưởng xấu đến chất
lượng nguồn nước mặt và nước ngầm.
Hấp phụ là một trong những phương pháp được sử dụng rất rộng rãi trong việc
xử lý môi trường. Vật liệu đang được sử dụng rất nhiều hiện nay đó là than hoạt tính
với các ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác, đó là tính chọn lọc, dung

lượng hấp phụ cao, tốc độ hấp phụ nhanh. Than hoạt tính được sử dụng rất rộng rãi
trong thực tế hiện nay nhưng vẫn có giá tương đối cao
Ở nước ta cũng như các nước nông nghiệp Đông Á, Đông Nam Á, Nam Á nói
chung, hàng năm sản lượng lúa gạo rất lớn dùng cho nhu cầu nội địa cũng như xuất
khẩu. Một trong các sản phẩm phụ của sản xuất gạo đó là trấu, thường được đem đốt
cháy, gây ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, ở vùng nông thôn chúng ta hiện nay, đặc
biệt là các nhà máy dệt nhộm, các khu công nghiệp vấn đề ô nhiễm nguồn nước đang
là một vấn đề bức xúc
Nếu việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu trấu có hiệu quả thì
không những chúng ta giải quyết được vấn đề xử lý trấu thải mà còn có thể sản xuất
nguồn than hoạt tính rẻ tiền trong khi chất lượng than vẫn bảo đảm sử dụng tốt trong
thực tế.

Trang 1


Việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu bằng phương pháp hoạt hóa
bằng hơi nước đang được sử dụng hiện nay. Bên cạnh đó chúng ta còn nghiên cứu sản
xuất than hoạt tính theo phương pháp hóa học. Do vậy mục đích của khóa luận này là
nghiên cứu sản xuất than hoạt tính bằng hai phương pháp vật lý và hóa học nhằm mục
đích so sánh để đưa ra phương pháp tối ưu nhất trong kinh doanh và sản xuất, đồng
thời ứng dụng khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước của than hoạt tính từ trấu
nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay.

Trang 2


1.2 Mục đích đề tài
Nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu
Khảo sát quá trình hoạt hóa bằng phương pháp tẩm ZnCl2 hoạt hóa bằng CO2 từ

đó so sánh với phương pháp hoạt hóa bằng hơi nước và đưa ra phương pháp tối ưu.
Khảo sát khả năng hấp phụ dung dịch xanh metylen của 2 sản phẩm than hoạt
tính từ hai phương pháp khác nhau.
Khảo sát diện tích bề mặt của 2 sản phẩm từ 2 phương pháp khác nhau từ đó
đưa ra phương pháp tối ưu nhất.
Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng cadmi, kẽm, niken trong nước từ than
hoạt tính
Giải quyết một số vấn đề cần sử dụng than hoạt tính hiện nay
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc sản xuất than hoạt tính và hấp phụ kim nặng từ nguồn trấu là một hướng đi
khả thi bởi lẽ:
Tận dụng được nguồn nguyên liệu trấu phế thải trong nông nghiệp
Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước.
Về mặt khoa học, đã đưa ra được quy trình công nghệ tối ưu cho việc sản xuất
than hoạt tính bằng phương pháp hóa học.
Quy trình đơn giản, dễ thực hiện, chi phí sử dụng năng lượng và nguyên liệu
thấp.

Trang 3


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Nguyên liệu trấu – sản lượng và ứng dụng
2.1.1 Sản lượng lúa gạo trên thế giới [8], [20], [21], [22]
Gạo là thực phẩm chủ yếu trong cuộc sống của con người, với tình hình phát
triển dân số thế giới và nhu cầu cuộc sống con người ngày càng tăng về số lượng lẫn
chất lượng nên việc tăng cường sản xuất lương thực thực phẩm để đáp ứng cho cuộc
sống là một vấn đề then chốt hiện nay.
Diện tích trồng lúa chiếm khoảng 1% diện tích bề mặt trái đất, là nguồn cung

cấp lương thực cho hàng tỉ người trên thế giới. Hàng năm khoảng 600 triệu tấn lúa
được sản xuất ra, trong đó trấu chiếm khoảng 20% sản lượng lúa.

Hình 2.1 - Cây lúa – hạt lúa

Trang 4


Bảng 2.1 - Sản lượng lúa gạo và trấu thế giới [22]
Nước

Sản lượng lúa
(nghìn tấn)

Sản lượng trấu
(nghìn tấn)

Trung Quốc

177589

35517

Ấn Độ

123000

24600

Indonesia

48654

9730

Bangladesh

39000

7800

Việt Nam

31319

6263

Thái Lan

27000

5400

Myanmar

21200

4240

Philippines

12684

2537

Nhật

11264

2537

Brazil

10489

2098

USA

9616

1923

Hàn Quốc

7429

1485

Pakistan

5776

1155

Ai Cập

5700

1140

Nepal

4570

950

Cambodia

4099

820

Nigieria

3367

673

Srilanca

2794

559

Colombia

2353

470

Lào

2300

460

Một số nơi khác

29091

5818

Tổng

579476

115895

Từ bảng thống kê trên ta thấy nước ta là nước có sản lượng lúa gạo thuộc hạng

cao trên thế giới. Lượng lúa gạo nước ta tập trung tại đồng bằng Bắc Bộ khoảng 20%,
đồng bằng Trung Bộ khoảng 10%, đồng bằng Nam Bộ khoảng 70%.

Trang 5


Hằng năm sản lượng trấu của nước ta vào khoảng 8 triệu tấn, giá bán trấu vào
khoảng 300 – 400 ĐVN/kg. Đó là nguồn nguyên liệu rất dồi dào, rẻ tiền tại những
trung tâm sản xuất lúa gạo, thuận tiện cho việc sản xuất than trấu làm chất hấp phụ và
sử dụng chúng để xử lý môi trường.
2.1.2 Nguyên liệu trấu [21], [22]

Hình 2.2 - Vỏ trấu
Sử dụng các phế phẩm của quá trình dưới:
-

Rơm rạ: sử dụng trong chăn nuôi, làm giấy , trồng nấm, bón ruộng.

-

Trấu gạo: sử dụng để tạo năng lượng, trong vật liệu xây dựng, bón ruộng.

-

Cám : thức ăn gia súc, dầu ăn.

-

Gạo tấm: làm bột mì, mì sợi.

Trấu thu được sau quá trình xay xát được cho vào kho bảo quản ở nhiệt độ
thường.

Trang 6


Cây lúa
Rơm
Hạt thóc

Gạo tấm (10-20%)

Trấu (20- 25 %)

Cám ( 6 – 10 %)
Gạo(50 – 60 %)

Hình 2.3 - Quá trình xay xát lúa [21]
2.1.3 Thành phần hóa học của trấu [28]
Trấu thu được sau quá trình xay xát, trong thành phần của trấu chiếm khoảng
75% các thành phần hữu cơ (trong đó chủ yếu là cellulose, hemicellulose, ligin và một
phần nhỏ các chất hữu cơ khác), 15% SiO2 và 10% nước theo bảng.
Bảng 2.2 - Thành phần cơ bản của trấu [28]
Thành phần
Cellulose
Hemicellulose
Ligin
Chất chiết
Nước
Tro khoáng chất

Thành phần hóa học trong tro khoáng chất
SiO2
K2O
MgO
Fe2O3
Al2O3
K2O

Trang 7

%
32.24
21.34
21.44
1.82
8.11
15.05
96.34
2.31
0.45
0.2
0.41
0.08


2.1.4 Những ứng dụng của trấu trên thế giới [3], [11], [12], [13], [18],
[20], [21], [22]
Trấu chứa thành phần chất xơ thấp nhưng hàm lượng tro cao chiếm khoảng 1822%. Trước đây, trấu không sử dụng, mà được xem như một chất thải không có giá trị
về mặt kinh tế, do đó trấu được thải ra môi trường gây ô nhiễm, ngoài ra khi bị vi sinh
vật phân hủy tạo ra khí metan

- Sử dụng làm chất đốt: hiện nay trấu chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu đốt
để sấy nông sản, lò nấu đường thủ công. Tại một số nước người ta nghiên cứu sử dụng
lượng trấu lớn làm nhiên liệu để chạy máy phát điện.
Bảng 2.3 - Các nguồn năng lượng sinh học chủ yếu ở Việt Nam [20]
STT
I
1
2
3
II
1
2
3
4
5
6
7
8
9
II
1
2
3

Chất thải Công –
Nông Nghiệp
Mạt cưa
Vỏ bào
Củi đun
Rơm

Trấu thóc
Vỏ bắp
Cuống sắn
Bã mía
Bã củ cải đường
Vỏ đậu phộng
Vỏ và lá dừa
Vỏ cà phê
Phân lợn
Phân gia súc
Phân trâu

Số lượng( triệu tấn)

Năng lượng (GJ)

Chất thải gỗ và củi đun
0.27
3,132
1.33
19,950
12.4
186,000
Chất thải nông sản
64.7
905,800
6.81
77,634
5.8
72,500

1.25
15,625
1.68
21,000
5.5
39,655
0.12
1,500
5
90,000
0.28
4,359
Khí đốt lấy từ phân của vật nuôi
634 triệu m3
12,685,301
3
460 triệu m
9,194,343
3
446 triệu m
8,916,582

- Trong ngành sản xuất thép: Vì tro trấu có tính cách nhiệt tốt, nhiệt độ nóng
chảy cao, nên tro trấu được sử dụng làm chất cách nhiệt giữa các tấm thép để ngăn
chặn việc bị nguội nhanh để đảm bảo sự đông đặc ổn định hình dáng của thép
Trang 8


- Trong sản xuất xi măng: Vì tro trấu có hàm lượng SiO2 cao ở dạng vi hạt nên
tro trấu được sử dụng trong ngành sản xuất xi măng để tăng cường độ bền của xi

măng,
- Sản xuất gạch chịu lửa: nhờ tính cách nhiệt, tro trấu được sử dụng để sản xuất
gạch chịu lửa sử dụng trong lò nung.
- Vật liệu nhẹ: Tro trấu được sử dung làm vật liệu nhẹ trong công nghiệp đóng
tàu ở các nước phát triển.
- Tổ hợp vi mạch:
Tổ chức Space Reseach ở Ấn Độ đã thành công trong việc sản xuất SiO2 tinh
khiết cao từ tro trấu và có tiềm năng trong công nghiệp máy tính.
- Ngăn chặn sự tấn công của côn trùng:
Nhiều nhà khoa học đã kiểm tra sự hiệu quả của việc này. Đậu nành Indonesia
thỉnh thoảng bị tấn công của bọ cánh cứng, tro trấu được dùng để ngăn chặn sự phá
hoại của chúng bằng hỗn hợp 0.5% tro vào đậu tương, các nghiên cứu thực nghiệm
chứng minh là tro trấu dùng tốt hơn tro gỗ và nước vôi.
- Trong lưu hóa cao su: Tro trấu như một tác nhân lưu hóa cao su chính là nhờ
hàm lượng Si cao trong tro trấu. Tro trấu lưu hóa với Etylen Popylen Diene Tepolymer
(EPDT) và nó như là một vật trám đầy giữa các phân tử cao su EPDT.
- Ngoài ra tro trấu còn được ứng dụng để xử lý nước thải, làm chất hấp phụ
bằng than hoạt tính, cải tạo đất sét làm tăng tính xốp và khả năng giữ nước và đất….
Một số nước sử dụng tro trấu làm năng lượng như Thái Lan, tại Việt Nam việc
sử dụng trấu làm năng lượng vẫn còn ở quy mô nhỏ.

Trang 9


Bảng 2.4 - Cơ hội sử dụng và tiềm năng của trấu thóc [22]
Ứng
dụng
Sản xuất
thép

Tình trạng
phát triển

Đang có
thị trường
Có thị
Sản xuất trường, và
được
bê tông
nghiên cứu
Có thị
Vật liệu
trường và
nhẹ
nghiên cứu
Chíp
Nghiên
silicon
cứu
Than
Nghiên
hoạt tính
cứu
để xử lý
nước
Sản
phẩm
Sử dụng ít
gốm sứ
gia đình

Nhu cầu
hiện tại

Nhu cầu
tiềm
năng

Khu vực
sử dụng

Giá

Sự thích hợp với
thị trường

Trung
bình

Giảm

Thế giới

Trung
bình

Không mở rộng

Thấp,
trung

bình

Cao

Thế giới

Thấp

Đang mở rộng

Thấp

Trung
bình

Thế giới

Thấp

Tiềm năng trong
tương lai

Thấp

Cao

Thế giới

Thấp

Tiềm năng giới
hạn

Thấp

Cao

Thế giới

Cao

Thị trường tiềm
năng lớn

Thấp

Thấp

Châu Á

Thấp

Không khả thi

Trang 10


2.2 Than hoạt tính [4], [6], [9], [14], [17]
2.2.1 Định nghĩa – Phân loại
Than hoạt tính là vật liệu carbon có nhiều lỗ xốp được tạo thành nhờ than hóa

rồi hoạt hóa các chất hữu cơ có nguồn gốc chủ yếu từ sinh vật học. Giá trị lớn nhất của
than hoạt tính là khả năng hấp thụ rất lớn do có cấu trúc xốp rất cao được hình thành
trong quá trình sản xuất.

Hình 2.4 - Sản phẩm than hoạt tính
Than hoạt tính có nhiều loại được sản xuất tùy thuộc vào kích thước lỗ, diện
tích bề mặt riêng SBET (m2/g)
Loại có kích thước lỗ ≤ 15 A0, SBET = 1000 ÷ 2000 m2/g. Đây là loại có thể tái
sinh, được sản xuất từ than đá, than gáo dừa… có độ bền cơ học cao được dùng trong
xử lý nước, hấp thu nguyên tố phóng xạ…
Loại có kích thước lỗ trung bình 15 ÷ 1000 A0, SBET khoảng vài trăm m2/g.
Loại này không thể tái sinh, được sản xuất từ than gỗ mềm, mùn cưa, trấu bã mía…
dùng để tẩy màu, tẩy mùi trong dung dịch…
Loại có kích thước lỗ lớn 1000 ÷ 2000 A0, SBET khoảng vài chục m2/g. Loại này
chỉ sản xuất cho những nhu cầu đặc biệt.
Than hoạt tính có tính chất hút giữ mạnh các khí, tẩy màu, mùi do bề mặt than
xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn. Những điều này có được là do bản chất cấu tạo bên
trong của than hoạt tính.
Tính chất than hoạt tính phụ thuộc vào ba yếu tố:
Tính chất nguyên tử carbon trong tập hợp carbon của than hoạt tính.
Trang 11


Sự có mặt các tạp chất trong tập hợp carbon và trên bề mặt than.
Trạng thái vật lý trên bề mặt than.
Than hoạt tính được chế tạo theo phương pháp loại trừ với nguyên liệu ban đầu
có chứa thành phần carbon: than, xenlulose, gỗ, gáo dừa, bã mía, trấu, tre, nứa, mùn
cưa … Trong nguyên liệu ngoài thành phần carbon còn tồn tại một số thành phần hợp
chất vô cơ, tạp chất gây ra thành phần tro khi đốt cháy (oxit kim loại) trong đó Ca, Mg,
K, Na có trong đó gây tính kiềm, vì vậy sản phẩm cuối nếu không rửa sạch sẽ có tính

kiềm.
Có thể xuất phát từ những nguyên liệu khác nhau khi chế tạo người ta có thể
qui về hai phương pháp sản xuất chính trong giai đoạn hoạt hóa – giai đoạn phát triển
độ xốp của than: hoạt hóa với hóa chất và hoạt hóa với khí, hơi. Hai quá trình này còn
được gọi là họat hóa hóa học và vật lý.
Quá trình hoạt hóa với hóa chất là đưa thêm một số tác nhân hóa học và nguyên
liệu hay những tác nhân đã tồn tại sẵn trong đó, chúng có tác dụng phân hủy hoặc đề
hydrat các phân tử chất hữu cơ trong quá trình than hoá hoặc thiêu đốt. Tác nhân hóa
học được đưa vào là các chất vô cơ: kiềm, muối carbon, sulfat, sulfat kiềm, clorua,
sunfat, photphat của kiềm thổ, kẽm clorua, acid sunfuric, photphoric. Chúng được
dùng riêng lẽ hay phối hợp với nhau theo tỷ lệ nào đó để tạo hiệu ứng cần thiết. Một số
nguyên liệu như xương, vỏ trấu chứa khá nhiều hợp chất vô cơ, những thành phần này
tác động tốt lên đặc tính hấp phụ của than khi than hóa trong môi trường yếm khí.
Ví dụ khi đốt than từ xương ở 750 ÷ 950 trong điều kiện yếm khí, thành phần
carbon trong đó chiếm 8 ÷ 12%, CaCO3 3 ÷ 8% còn phần lớn là canxi photphat
(70÷80%), tuy hàm lượng carbon thấp nhưng khả năng hấp phụ vẫn khá cao do carbon
được phân bố kiểu màng mỏng trên nền vật liệu vô cơ xốp. Tương tự như vậy than đá
sản xuất từ vỏ trấu cũng có tác dụng hấp phụ do carbon được phân tán đều trên bề mặt
silic oxit, thành phần chiếm đến 90% trong tro.
Thông thường than được sản xuất theo phương pháp hoạt hóa hóa học bằng
cách trộn hay tẩm nguyên liệu với các hóa chất và đốt yếm khí từ 500÷ 9000C. Các

Trang 12


hóa chất vô cơ khi đốt sẽ phân hủy thành các khí có tính oxy hóa hoặc phân hủy các
phân tử lớn trong chất lỏng (tẩy màu) ít thích hợp cho hấp phụ khí.
Tuy nhiên quá trình nhiệt phân hay than hóa một số nguyên liệu đặc thù như
PVC, polyvinylacetat, polyacryllonville cho ra các sản phẩm có diện tích lớn tới vài
ngàn m2/g. Tuy vậy những nguyên liệu này lại đắt, không thích hợp cho sản xuất đại

trà.
Phương pháp hoạt hóa vật lý thường tiến hành theo hai giai đoạn: than hóa và
hoạt hóa. Giai đoạn than hóa là giai đoạn đốt yếm khí 400 ÷ 500 0C nhằm loại bỏ các
thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đưa nguyên liệu trở về dạng carbon. Buớc hoạt
hóa là phát triển độ xốp của nguyên liệu thông qua phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ cao
(800÷1100 0C). Trong quá trình oxy hóa một số nguyên tử carbon bị đốt cháy thành
CO, CO2, khí này bay đi để lại lỗ trống. Đây chính là cơ chế tạo nên độ xốp, quá trình
hoạt hóa này vì vậy còn được gọi là khí hóa (gasification). Tác nhân oxy hóa có thể là
hơi nước, không khí (oxy), khí carbonic, khí thải. Do phản ứng với oxy tỏa nhiệt nên
nhiệt độ hoạt hóa thường thấp và khó điều khiển. Phản ứng với hơi nước, CO2 thu
nhiệt nên tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và dễ khống chế quá trình, do đó nó là phương
pháp sản xuất thông dụng nhất.
Chế độ hoạt hóa quyết định chất lượng của than hoạt tính: yếu tố cháy đều
trong thể tích hạt than là quan trọng nhất, khi khống chế được quá trình cháy đều thì
mức độ cháy của than (phần hao hụt so với nguyên liệu) sẽ quyết định độ xốp của sản
phẩm. Do phần lớn nguyên liệu sử dụng trong cho quá trình hoạt hóa vật lý đều có độ
đặc nhất định (khối lượng riêng lớn) như than đá, bùn, gáo dừa… nên có xu hướng
cháy từ ngoài vào trong, cháy đến đâu để lại lớp tro đến đó, có hình ảnh giống như đốt
củi. Cháy theo kiểu đó chỉ hoạt hóa được phía vỏ ngoài, lớp trong mất tác dụng nên
chất lượng sẽ kém.
Than hoạt tính thương phẩm được phân chia theo dạng bột hay hạt, loại tẩy màu
hay hấp phụ khí và kèm theo đó là một số chỉ tiêu: chỉ số Iod, chỉ số tẩy màu, chỉ số
phenol…
Than tẩy màu có thể sử dụng làm tẩy màu, làm trong, khử mùi, tinh chế cho
thực phẩm, đồ uống, dầu mỡ, nước. Nó có tác dụng chung nhất là hấp phụ trong pha
Trang 13


lỏng, diện tích bề mặt không lớn lắm, độ xốp cao, tạo điều kiện cho quá trình khuếch
tán, dạng bột

Than hấp phụ khí, khử mùi thường là dạng hạt, độ bên cơ học cao, diện tích bề
mặt và dung lượng hấp phụ lớn.
2.2.2 Cấu trúc của than hoạt tính [4], [7], [14], [17]
2.2.2.1 Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính [14], [17]
Than hoạt tính thuộc nhóm vật liệu Graphit, nét điển hình của cấu trúc là sự sắp
xếp các nguyên tử cacbon trên đỉnh lục giác đều nằm cách nhau những khoảng đồng
nhất, chúng được phân bố trong những mặt song song trên các đỉnh lục giác đều cách
nhau 1,42 A0, khoảng cách giữa các mặt phẳng lục giác là 3,35 A0.

Hình 2.5 - Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính
Trong mặt phẳng mạng nguyên tử cacbon liên kết với 3 nguyên tử cacbon lân
cận bằng lực liên kết hóa trị, lực điện tử hóa trị này theo thứ tự thực hiện mối liên kết
giữa các mặt phẳng, mối liên kết này yếu như liên kết nguyên tử trong phân tử kim
loại.
Theo tác giả [17] đã dùng phương pháp Rơn-ghen để nghiên cứu các mẫu chế
tạo bằng cách nhiệt phân polivinylinden clorua (PVDC), polyvinyl clorua (PVC) và
một số chất khác. Theo các công trình này thì 65% cacbon trong mẫu nghiên cứu nằm
trong lớp Graphit, lượng còn lại được sắp xếp kém trật tự hơn. Tác giả chia vật liệu
cacbon ( trừ kim cương) thành 2 lớp: lớp không Graphit hóa (cứng) và lớp Graphit hóa

Trang 14