Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê trung nguyên, khảo sát khả năng hấp phụ và khả năng lọc bỏ chất điện li ra khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận cái răng cần thơ

TÓM TẮT
Với hơn 3 tỉ cốc cà phê tiêu thụ mỗi ngày cà phê là loại nước
uống phổ biến nhất trên thế giới. Hiện nay, diện tích canh tác cà phê
lên đến hơn 11 triệu ha và được trồng ở hơn 80 quốc gia. Việc sản
xuất và tiêu dùng cà phê trên thế giới đang ngày càng tăng và hàng
năm có tới hàng tấn bã cà phê được thải ra môi trường. Chúng chỉ
được xử lý bằng hình thức tiêu hủy đơn giản cùng với nhiều loại chất
thải khác gây ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó bã cà phê có hàm
lượng carbon khá cao (chiếm 53,78 %) là một trong những nguồn
nguyên liệu lý tưởng để chế tạo than hoạt tính. Nhằm tận dụng
nguồn chất thải biến bã cà phê đã sử dụng thành vật liệu hấp phụ
mới với giá thành rẻ hứa hẹn sẽ giúp giảm thiểu hay thậm chí loại bỏ
các chất độc hại trong môi trường, đảm bảo về vấn đề sử dụng nước
sạch và nâng cao chất lượng cuộc sống cho mọi người.
Trong nghiên cứu này, than hoạt tính được chế tạo từ bã cà phê
Trung Nguyên bằng phương pháp nung yếm khí có hoạt hóa bằng
KOH. Ngâm bã cà phê đã qua sử dụng trong dung dịch H 3PO4 khuấy
từ có gia nhiệt ở 45 °C trong 12 giờ. Sau đó, rửa bằng nước cất đến
khi pH bằng 7 lọc lấy bã, bã thu được sấy khô ở nhiệt độ 60 °C trước
khi được chuyển sang giai đoạn hoạt hóa KOH mà ở đó hỗn hợp vẫn
được khuấy từ có gia nhiệt ở 45 °C trong 12 giờ, rửa bằng nước cất
đến khi pH bằng 7, lọc lấy bã, bã thu được sấy khô ở nhiệt độ 60 °C
và 110 °C. Nung yếm khí ở các mức nhiệt độ 150 °C, 300 °C, 400 °C,
450 °C. Nghiền và rây để thu than hoạt tính có kích thước đồng nhất.
So sánh tỷ trọng của than hoạt tính từ bã cà phê (THTCP) và
than hoạt tính thị trường (THTTT). Xác định đặc điểm hình thái bề
mặt của vật liệu THTCP. So sánh khả năng hấp phụ acid acetic của
THTCP và THTTT, đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu dựa vào
phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Từ đó, xác
định được dung lượng hấp phụ cực đại (q max) và hằng số hấp phụ k
của THTCP và THTTT.

Sử dụng vật liệu THTCP để khảo sát khả năng lọc - khử chất điện
li ra khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng 1


Cần Thơ. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
chất điện li Ca2+, Na+, Cl- của vật liệu THTCP và tìm được thời gian tối
ưu. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu THTCP đến khả năng
hấp phụ chất điện li Ca2+, Na+, Cl- của vật liệu THTCP và tìm được
khối lượng vật liệu hấp phụ tối ưu.
Các kết quả thực nghiệm khẳng định vật liệu hấp phụ mới được
chế tạo từ bã cà phê Trung Nguyên có khả năng hấp phụ tương đối
chất điện li trong môi trường nước máy tại quận Cái Răng - Cần Thơ.
Với ưu điểm tận dụng được nguồn nguyên liệu hấp phụ sẵn có, rẻ
tiền và thân thiện với môi trường góp phần cải thiện nguồn nước
máy sạch và chất lượng hơn.

MỤC LỤC

2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Tính chất vật lý của sợi carbon...........................................6
Bảng 2.2 Bảng so sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa
học.................................26
Bảng 3.1 Danh mục thiết bị và dụng cụ sử dụng trong quá trình
nghiên
cứu
...........................................................................................................
35

Bảng 3.2 Danh mục hóa chất sử dụng trong quá trình nghiên cứu
...........................................................................................................
36
Bảng 3.3 Các mẫu THTCP ở các nồng độ H3PO4 và KOH
...........................................................................................................
40
Bảng 4.1 Kết quả khảo sát sự hấp phụ acid acetic bằng vật liệu
THTTT
...........................................................................................................
46
Bảng 4.2 Kết quả khảo sát sự hấp phụ acid acetic bằng vật liệu
THTCP
H50.KBH
...........................................................................................................
47
Bảng 4.3 Kết quả khảo sát sự hấp phụ acid acetic bằng vật liệu
THTCP
H60.K2
...........................................................................................................
48
Bảng 4.4 Các hằng số hấp phụ tính theo phương trình hấp phụ đẳng
nhiệt Freundlich và Langmuir của vật liệu THTTT và THTCP
...........................................................................................................
49
Bảng 4.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng
hấp

phụ

tương

đối

chất

điện
3

li

của

vật

liệu

THTTT


...........................................................................................................
50
Bảng 4.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng
hấp phụ tương đối chất điện li của vật liệu THTCP H60.K2
...........................................................................................................
51
Bảng 4.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng
hấp phụ tương đối chất điện li của vật liệu THTTT H50.KBH
...........................................................................................................
51
Bảng 4.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của của vật liệu THTTT đến

khả
năng
hấp
phụ
tương
đối
chất
điện
li
...........................................................................................................
53
Bảng 4.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của của vật liệu THTCP H60.K2
đến
khả
năng
hấp
phụ
tương
đối
chất
điện
li
...........................................................................................................
53
Bảng 4.10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của của vật liệu THTCP
H50.KBH đến khả năng hấp phụ tương đối chất điện li
...........................................................................................................
54

DANH MỤC HÌNH

4


Hình 2.1 Cấu trúc than hoạt tính và mô phỏng khả năng lọc của than
hoạt tính............................................................................................3
Hình 2.2 Bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóa
...........................................................................................................
12
Hình 2.3 Các nhóm carbon - oxy trên bề mặt than hoạt tính
...........................................................................................................
13
Hình 2.4 Nguyên liệu bã cà phê Trung Nguyên
...........................................................................................................
18
Hình 2.5 Công thức cấu tạo của Caffein
...........................................................................................................
19
Hình 2.6 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir q theo Ccb
...........................................................................................................
31
Hình 2.7 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir C cb/q theo Ccb
...........................................................................................................
32
Hình 2.8 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich log q theo log C cb
...........................................................................................................
33
Hình 3.1 Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê
Trung Nguyên
...........................................................................................................

37
Hình 3.2 Nguyên liệu sạch 1
...........................................................................................................
38
Hình 3.3 Nguyên liệu sạch 2
...........................................................................................................
38
Hình 3.4 Mẫu than thô - NAC
...........................................................................................................
39
Hình 3.5 Bình đo tỷ trọng 10 mL
...........................................................................................................
40
5


Hình 3.6 Máy đo độ dẫn điện HANNA HI 2314
...........................................................................................................
43
Hình 4.1 PAC
...........................................................................................................
44
Hình 4.2 GAC
...........................................................................................................
44
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn tỷ trọng của vật liệu THTCP và THTTT dưới
dạng PAC và GAC
...........................................................................................................
45
Hình 4.4 Phổ XRD của bề mặt vật liệu hấp phụ

...........................................................................................................
45
Hình 4.5 Ảnh SEM của bề mặt vật liệu hấp phụ
...........................................................................................................
46
Hình 4.6 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của quá trình hấp phụ
acid acetic bằng vật liệu THTTT và THTCP
...........................................................................................................
48
Hình 4.7 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của quá trình hấp phụ
acid acetic bằng vật liệu THTTT và THTCP
...........................................................................................................
49
Hình 4.8 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ tương đối
của
vật
liệu
THTTT
và
THTCP
...........................................................................................................
52
Hình 4.9 Đồ thị ảnh hưởng của khối lượng đến độ hấp phụ tương đối
của
vật
liệu
THTTT
và
THTCP
...........................................................................................................

54

6


DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu,
chữ viết

Tiếng Anh

Tiếng Việt

tắt
Co

Nồng độ tại thời điểm ban đầu
Nồng độ tại thời điểm cân

Ccb
GAC
PAC
IR
IUPAC
SBAC
SEM
XRD
BET

bằng

Granular Activated

Than hoạt tính dạng hạt

Carbon
Powdered Activated

Than hoạt tính dạng bột

Carbon
Infrared Spectroscopy
International Union of

Quang phổ hồng ngoại
Liên minh quốc tế về hóa học

Pure and Applied

thuần túy và hóa học ứng

Chemistry
Solid Block Activated

dụng
Than hoạt tính dạng khối

Carbon
Scanning Electron

Phương pháp kính hiển vi điện

Microscope
X-Ray Diffraction
Brunauner Emmett

tử quét
Nhiễu xạ X-ray
Diện tích bề mặt riêng

Teller

q

q max
TCVN
THTCP
THTTT
X - ray
Rab
FTIR
XPS
NMR
HĐBM

Dung lượng hấp phụ
Dung lượng hấp phụ cực đại
Tiêu chuẩn Việt Nam
Than hoạt tính từ bã cà phê
Than hoạt tính thị trường

Phương pháp nhiễu xạ tia X
Độ hấp phụ tương đối
Quang phổ hồng ngoại biến

Fourier Transform
Infrared
X-ray Photoelectron

đổi Fourier
Phổ quang điện tử tia X

Spectroscopy
Nuclear Magnetic

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

Resonance

Hoạt động bề mặt
7


8


CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1. GIỚI THIỆU
Trong thời đại công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, hiện
trạng tài nguyên thiên nhiên ở Việt Nam đang diễn ra theo chiều
hướng tiêu cực, ảnh hưởng không tốt đến nguồn nước sinh hoạt của

con người, đặc biệt ở tại các khu công nghiệp và thành thị. Nước máy
đang là nguồn nước sinh hoạt chính và được sử dụng phổ biến ở khu
vực thành thị. Tuy nhiên, trong quá trình xử lý nước máy vẫn còn
chứa hàm lượng Clo, mùi, ion kim loại Na +, Ca2+... chưa đảm bảo an
toàn và chất lượng.
Bên cạnh đó Việt Nam là nước nông nghiệp có sản lượng cà phê
xuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới (sau Brazil). Theo số liệu của Bộ
nông nghiệp Hoa Kì (USDA) lượng cà phê xuất khẩu của Việt Nam
niên vụ 2011 - 2012 là 21,6 ngàn tấn. Theo tổng cục thống kê 2011,
tổng nhu cầu tiêu thụ cà phê trong nước là 60 ngàn tấn/năm, trong
đó cà phê hòa tan chiếm khoảng 19 ngàn tấn, cà phê rang xay có
thương hiệu chiếm 35 ngàn tấn, còn lại là cà phê rang xay không có
thương hiệu. Năm 2014, Việt Nam là quốc gia nổi tiếng với cà phê
Robusta, sản lượng xuất khẩu cà phê đạt 1,7 triệu tấn với mức tăng
trung bình mỗi năm khoảng 30,1 % về khối lượng và 30,9 % giá trị so
với cùng kỳ năm trước. Đặc biệt, các quán cà phê rất phổ biến ở Việt
Nam có mức tiêu thụ nội địa ngày một tăng, riêng năm 2014 là 96
tấn cà phê. Trong bối cảnh đó, cà phê Trung Nguyên được biết đến
như là thương hiệu được người uống cà phê lựa chọn đầu tiên tại Việt
Nam.
Xuất phát từ các số liệu thực tiễn trên, có thể nhận thấy lượng
bã cà phê thải ra hàng năm của nước ta rất lớn. Trái cà phê sau khi
được thu hoạch hạt, chế biến và sử dụng, phần bã cà phê còn lại ít
được sử dụng, thải bỏ gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh,
gây lãng phí một nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất than
hoạt tính. Tận dụng nguồn nguyên liệu này để chế tạo than hoạt tính
sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường là rất cần thiết và có ý nghĩa
khoa học.
Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong xử lý nước chỉ dừng lại ở việc
loại bỏ tạp chất hữu cơ và các thành phần không phân cực có hàm

9


lượng nhỏ trong nước. Với hy vọng khai thác tiềm năng ứng dụng của
vật liệu chế tạo từ bã cà phê Trung Nguyên trong việc xử lý nước sinh
hoạt, đặc biệt ở một lĩnh vực rất mới là loại bỏ cation và anion trong
nước sinh hoạt chứa chất điện li. Đề tài được thực hiện với mục đích:
“Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung
Nguyên, khảo sát khả năng hấp phụ và khả năng lọc bỏ chất
điện li ra khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại
quận Cái Răng - Cần Thơ”.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung Nguyên
bằng phương pháp nung yếm khí có hoạt hóa bằng KOH.
Khảo sát khả năng hấp phụ và khả năng lọc bỏ chất điện li ra
khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng - Cần
Thơ.
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Bã cà phê Trung Nguyên trên thị trường.
Mẫu nước nhân tạo chứa các chất điện li (Ca 2+, Na+, Cl-) được pha
từ hóa chất gốc CaCl2.2H2O và NaCl.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung Nguyên
bằng phương pháp nung yếm khí có hoạt hóa bằng KOH.
So sánh tỷ trọng của THTCP và THTTT. Xác định đặc điểm hình
thái bề mặt của vật liệu THTCP.
So sánh khả năng hấp phụ acid acetic của THTCP và THTTT.
Khảo sát khả năng lọc - khử chất điện li ra khỏi mẫu nước sinh
hoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng - Cần Thơ: Khảo sát ảnh

hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ chất điện li Ca 2+, Na+, Clcủa vật liệu THTCP và tìm được thời gian tối ưu. Khảo sát ảnh hưởng
của khối lượng vật liệu THTCP đến khả năng hấp phụ chất điện li
Ca2+, Na+, Cl- của vật liệu THTCP và tìm được khối lượng vật liệu hấp
phụ tối ưu.

10


CHƯƠNG 2. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
1. GIỚI THIỆU VỀ THAN HOẠT TÍNH
1.1 Than hoạt tính và quá trình hoạt hóa
1.1.1 Than hoạt tính
Than hoạt tính được biết đến lần đầu tiên là dùng để xử lý nước
khoảng hơn 2000 năm trước đây. Tuy nhiên nó bắt đầu được thương
mại hóa từ thể kỷ XX. Than hoạt tính được sử dụng chủ yếu đề làm
mất màu đường và từ năm 1930 trở đi nó được dùng để làm mất mùi
và vị của nước.
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ
nhiều thế kỷ trước. Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500
trước công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh. Người
Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng cách lọc qua than
gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ
khoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường.
Than hoạt tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các
nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nước
hoặc CO2. Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ
nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc
nguy hiểm (Bansal R.C. and Goyal M., 2005).
Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở
dạng vô định hình, một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit. Ngoài

11


carbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại
kiềm và vụn cát. Than hoạt tính có cấu trúc rất xốp nên diện tích bề
mặt ngoài lớn do đó ứng dụng như một chất lý tưởng để lọc hút màu,
mùi, ion kim loại nặng, chất điện li,…
Các chất hóa học và vi khuẩn

Cấu trúc than hoạt tính
Các hốc giữ lại chất cặn

Cấu trúc than hoạt tính
Mô tả khả năng lọc của than hoạt tính
Hình 2.1. Cấu trúc than hoạt tính và mô phỏng khả năng lọc của than
hoạt tính
Than hoạt tính là một loại vật liệu được sản xuất từ nguồn
nguyên liệu chứa carbon như than tre, trúc, vỏ trấu, bã cà phê, xơ
dừa, gáo dừa... Các nguyên liệu chính được sử dụng cho than hoạt
tính là chất hữu cơ có hàm lượng carbon cao. Các nguyên liệu chứa
carbon được chuyển thành than hoạt tính thông qua biến đổi về cấu
trúc và phân hủy nhiệt trong lò nung và được hoạt hóa dưới áp suất
cao và nhiệt độ cao. Sản phẩm cuối cùng là than hoạt tính có cấu
trúc xơ rỗng và có diện tích bề mặt cực kỳ lớn cho mỗi đơn vị thể
tích. Một mạng lưới các lỗ chân lông siêu nhỏ trong cấu trúc xơ rỗng
sẽ hấp phụ và loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước.
Hiện nay, than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và ứng dụng như
một chất hấp phụ để loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các
tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu
hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không

khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều
hóa chất, dược phẩm, thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí.
Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để
thu hồi vàng, bạc và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác.
Chúng cũng được biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được
12


sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất
định, ngoài ra còn được sử dụng trong các bệnh như mất nước, rối
loạn điện giải do tiêu chảy.
Theo Eric P. L., (2010) than hoạt tính thường có diện tích bề mặt
nằm trong khoảng 300 - 3000 m 2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 - 0,6
cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ xốp nhỏ có
bán kính nhỏ hơn 2 nm. Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả của cấu
trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ
xuất xứ, qua quá trình sấy ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí.
Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh và
chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải. Thuộc tính làm tăng ý nghĩa
của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc (kể cả
một khi đã ăn phải nó), than hoạt tính được tạo từ gỗ và than đá
thường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây thì giá thành cao và
chất lượng hơn (Trịnh Xuân Đại, 2013).
Carbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng
khoảng 85 - 95 %. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên
tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxy. Các nguyên tố khác loại
này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với
carbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành
phần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88 % C, 0,5 % H,
0,5 % N, 1 % S, 6 - 7 % O. Tuy nhiên, nguyên tố oxy trong than hoạt

tính có thể thay đổi từ 1 - 20 % phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu
ban đầu, cách điều chế.
1.1.2 Quá trình hoạt hóa
Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân
nguyên liệu thô chứa carbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000 °C.
Năm 2005, Bansal R.C. và Goyal M. đưa ra quá trình điều chế
gồm 2 bước: Than hóa ở nhiệt độ dưới 800 °C trong môi trường trơ
và hoạt hóa sản phẩm đã được than hóa ở nhiệt độ khoảng 950 1000 °C.
Xuất phát từ nguyên liệu khác nhau, phương pháp điều chế than
hoạt tính cũng khác nhau. Nhìn chung, than hoạt tính được sản xuất
theo hai giai đoạn: Than hóa và hoạt hóa.
Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa
nó về dạng carbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ
13


tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá
trình hoạt hóa than và bước đầu của sự hình thành các hệ thống mao
quản (Nguyễn Tiến Minh, 2017).
Trong giai đoạn than hóa, để tránh nguyên liệu bị cháy tạo thành
tro, cần phải tạo môi trường trơ trong lò nung nhằm hạn chế sự có
mặt và lưu thông của O2. Quá trình than hóa chủ yếu được chế tạo
phương pháp nhiệt phân ở nhiệt độ từ 850 - 950 °C trong điều kiện
yếm khí, để tăng cường khả năng hấp phụ của than người ta có thể
hoạt hóa than bằng hơi nước, khí CO2, kẽm clorua hoặc acid H2SO4
đậm đặc... sẽ tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối
tượng cho quá trình hoạt hóa than và bước đầu của sự hình thành
các hệ thống mao quản.
Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể carbon dưới
tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng

một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm
hoạt động trên bề mặt. Quá trình hoạt hóa tạo nên những lỗ nhỏ li ti
làm cho than có khả năng hấp phụ và giữ các tạp chất tốt hơn rất
nhiều so với than ban đầu. Từ các nguyên liệu có diện tích bề mặt
khoảng 10 - 15 m2/g, sau quá trình hoạt hóa, than đạt diện tích bề
mặt lớn hơn cả ngàn lần, trung bình 700 - 1200 m 2/g (Trịnh Xuân Đại,
2013).
Sự hoạt hóa thường xảy ra ở nhiệt độ 500 °C, nhưng đôi khi lên
tới 800 °C. Acid phosphoric làm cho vật liệu phình ra và mở cấu trúc
cellulose của vật liệu. Trong suốt quá trình hoạt hóa H 3PO4 hoạt động
như một chất ổn định và đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại, làm
cho than rất xốp và chứa đầy H 3PO4. Sau đó than được rửa và tiếp
tục bước sản xuất tiếp theo (Bansal R.C. and Goyal M., 2005).
Sau khi xử lý nguyên liệu bằng H3PO4 65 % ở 480 oC thì diện tích
bề mặt của than hoạt tính là 1350 m2/g (Gómez-Serrano V., 2005;
Rosas J.M., 2009; Vernersson T., 2002).
Tất cả các nguyên liệu chứa carbon đều có thể chuyển thành
than hoạt tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ
thuộc vào bản chất của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác
nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa. Trong quá trình hoạt hóa hầu
hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và
bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu. Các nguyên tử
14


carbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm, liên kết với nhau
một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân
theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp. Các chỗ trống
này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ
tuyệt vời.

1.2 Tính chất của sợi carbon
1.2.1 Tính chất lý - hóa của sợi carbon (Lương Thị Kim Nga, 2003)
+ Tính chất vật lý của sợi carbon
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của sợi carbon
Chỉ số
Tỷ trọng (kg/m3)
Diện tích bề mặt
(m2/g)
Hệ số giản nở nhiệt (K)
Nhiệt dung riêng
1

(KJ/kg.°K)
Hệ số dẫn nhiệt
(W/m.°K)
Điện trở riêng (Ω/m)
Độ bền kéo đứt (MPa)
Môđun đàn hồi (HPa)

Sợi than hóa

Sợi than chì

1300 - 1600

1300 - 1900

0,3 - 1000

0,15 - 3

4000000

2000000

0,66

0,66

0,837 - 20,934

83,74 - 125,6

0,4.10-3 - 70.10-5
350 - 750
30 - 200

8,3.10-3 - 0,6.10-5
1200 - 3100
300 - 700

+ Độ bền hóa học
Sợi carbon có độ bền hóa học cao đối với tác nhân ăn mòn khác
nhau. Người ta ngâm các sợi carbon có nhiệt độ xử lý cuối cùng (450
°C, 600 °C, 800 °C) vào các dung dịch acid flohydric 40 %, acid
sunfuric 93 %, acid nitric 63 %, acid orthophosphoric 90 % và dung
dịch xút 42 % ở những nhiệt độ và trong khoảng thời gian khác nhau
ở nhiệt độ phòng, các dung dịch nói trên không gây thay đổi với sợi
carbon sau một năm thử nghiệm.
+ Độ bền nhiệt

Trong môi trường khí trơ, độ bền và môđun đàn hồi của sợi
carbon môđun cao không giảm cho đến 1500 °C. Ở môi trường
không khí, sợi carbon bền ở nhiệt độ 300 đến 400 °C (nhiệt độ bắt
đầu oxy hóa).
+ Tính dẫn điện

15


Độ dẫn điện của sợi carbon phụ thuộc vào chế độ xử lý nhiệt và
các nguyên tố được cho thêm vào thành phần của chúng, dao động
từ bán dẫn đến dẫn điện.
1.2.2 Tính chất hấp phụ của sợi carbon (Nguyễn Hữu Phú, 1998 và
Trần Nguyễn Giao Hy, 2001)
Theo cấu trúc của sợi carbon, chúng có chứa các lỗ xốp. Các lỗ
xốp trong sợi carbon có dạng hình kim, định hướng dọc theo trục của
sợi.
Trong sợi carbon chiếm khoảng 66 % thể tích riêng thuộc loại đại
xốp và khoảng 33 % thể tích riêng thuộc loại siêu xốp có bán kính
trung bình 0,29 - 0,68 nm (Ngô Trần Vĩnh Nghi và Nguyễn Tấn Hưng,
2011).
Các lỗ xốp có đường kính lớn có khả năng hấp phụ, nhưng diện
tích bề mặt riêng khá nhỏ (0,5 - 2,2 m 2/g), còn các lỗ siêu vi xốp lại
quá bé không có khả năng hấp phụ. Vậy sợi carbon thông thường
không thích hợp dùng làm vật liệu hấp phụ (Nguyễn Hữu Phú, 1998).
Để thu được carbon có tính hấp phụ, người ta thay đổi cấu trúc
lỗ xốp và tăng diện tích bề mặt của sợi bằng cách hoạt hóa trong
môi trường có tính oxy hóa và nhiệt độ cao, hoặc kết hợp với việc
tẩm hay thêm vào thành phần cấu trúc của sợi các nguyên tố như:
các muối kim loại, các nhóm chức acid, base… để cho tổ chức xốp

chuyển tiếp chiếm ưu thế - có nghĩa là tạo ra một dạng sợi carbon
mới có thể có tính chất khác hẳn so với sợi carbon thông thường.
1.2.3 Tính trao đổi của sợi carbon
Theo các tài liệu nghiên cứu, người ta thu được sợi carbon trao
đổi ion bằng cách nhiệt phân các sợi polime tổng hợp và sợi polime
thiên nhiên tạo các sản phẩm có dạng sợi, và có nguyên tử C linh
động, có hóa trị dư nằm trên bề mặt và len vào giữa mạng tinh thể.
Các nguyên tử này có khuynh hướng liên kết dễ dàng với các nguyên
tố như oxy, lưu huỳnh, clo, brom, iod tạo thành các phức chất bề
mặt. Các nhóm chức bề mặt này có thể là các nhóm chứa oxy như:
cacboxyl, carbonil, phenolhydroxyl, lacton, quinon, sunfo nếu sợi
carbon được xử lý với các tác nhân oxy hóa (Lương Thị Kim Nga,
2003).
Các môi trường oxy hóa pha khí chủ yếu tạo thành các nhóm
hydroxyl và carbonil trên bề mặt sợi. Còn đối với môi trường oxy hóa
16


pha lỏng chủ yếu tạo thành các nhóm chức cacboxyl. Các nhóm oxy
bề mặt đóng vai trò quan trọng tạo nên các tính hóa lý, các tính chất
bề mặt của sợi carbon (Trần Nguyễn Giao Hy, 2001 và Lương Thị Kim
Nga, 2003).
Các nghiên cứu tia X đối với than hoạt tính và sợi carbon hoạt
tính cho thấy các nguyên tử O kết nối với các nguyên tử C linh động
chủ yếu là tại các rìa của các khe hở giữa các nhân thơm. Do đó các
khe này tạo thành bề mặt hấp phụ nên liên kết O - H giữa các khe
này đóng vai trò quyết định lên tính acid bề mặt và dung lượng trao
đổi ion của sợi carbon hoạt tính.
Người ta thấy rằng trong trường hợp hấp phụ các ion vô cơ trong
dung dịch nước bằng sợi carbon, bản chất và số lượng của các phức

bề mặt (chứ không phải diện tích bề mặt hay lỗ xốp) của các chất
hấp phụ đóng vai trò quyết định đối với bản chất của quá trình hấp
phụ và lượng chất bị hấp phụ (Nguyễn Tấn Hưng, Ngô Trần Vĩnh
Nghi, 2011).
1.3 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính
Với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và liên kết ngang
bền làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển.
Cấu trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và phát
triển hơn trong quá trình hoạt hóa. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể
tích và làm rộng đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ
của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu
và phương pháp than hóa. Sự mở rộng của các lỗ đã tồn tại và sự tạo
thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh
nhau được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận
chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ. Than
hoạt tính có lỗ xốp từ 1nm đến vài nghìn nm.
Năm 1982 Dubinin, M. M., đề xuất cách phân loại lỗ xốp đã được
Hiệp hội Hóa học quốc tế (IUPAC) chấp nhận. Sự phân loại này dựa
trên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của
một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được
chia thành 3 nhóm: Lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.
-

Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, đường kính nhỏ hơn 2
nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích
lỗ và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong
17


các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì

sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Diện
tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95 % tổng diện tích bề mặt của
-

than hoạt tính.
Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi lỗ vận chuyển có đường kính từ 2 50 nm, thể tích từ 0,1 - 0,2 cm 3/g. Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm
không quá 5 % tổng diện tích bề mặt của than. Diện tích bề mặt đạt
200 m2/g. Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất

-

hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ.
Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ
của than hoạt tính vì diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0,5
m2/g. Chúng có đường kính lớn hơn 50 nm và thường trong khoảng
500 - 2000 nm. Hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào
trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự
ngưng tụ mao quản.
Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ xốp
nhỏ, lỗ xốp trung và lỗ xốp lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất
định trong quá trình hấp phụ. Lỗ xốp nhỏ chiếm diện tích bề mặt và thể
tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính,
miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào
lỗ xốp nhỏ. Lỗ xốp nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước
khi bắt đầu ngưng tụ mao quản. Mặt khác, lỗ xốp trung được lấp đầy ở
áp suất hơi tương đối cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản. Lỗ xốp lớn
có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ xốp nhỏ hơn
(Bansal R.C. and Goyal M., 2005).

1.4 Cấu trúc hóa học của bề mặt

Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính
hóa học. Tuy nhiên, hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ
sở ít hơn nhiều so với tâm ở cạnh hay ở các vị trí khuyết. Do đó,
carbon được grafit hóa cao với bề mặt đồng nhất chứa chủ yếu mặt
cơ sở ít hoạt động hơn carbon vô định hình. Khả năng hấp phụ của
than hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý và lỗ xốp của
chúng, nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học. Thành
phần quyết định của lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần
không tập trung của lực Van der Walls (Nguyễn Thị Thanh Hải, 2016).
18


Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng xác định oxy
và hydro. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệu
ban đầu và trở thành một phần cấu trúc hóa học là kết quả của quá
trình than hóa không hoàn hảo hoặc trở thành liên kết hóa học với
bề mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử lý sau
đó. Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại
hoặc các phân tử được liên kết với cạnh hoặc góc của các lớp thơm
hoặc với các nguyên tử carbon ở các vị trí khuyết làm tăng các hợp
chất carbon - oxy, carbon - hydro, carbon - nitrơ, carbon - lưu huỳnh,
carbon - halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là các nhóm
bề mặt hoặc các phức bề mặt. Các nguyên tử khác loại này có thể
sát nhập trong lớp carbon tạo ra hệ thống các vòng khác loại. Do các
cạnh này chứa các tâm hấp phụ chính, sự có mặt của các hợp chất
bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc tính bề mặt và đặc
điểm của than hoạt tính (Bansal R. C. and Goyal M., 2005).
1.5 Ứng dụng than hoạt tính
Lọc không khí: Ứng dụng lọc khí ở những nơi đông người như
văn phòng, bệnh viện, phòng thí nghiệm, nhà hàng và máy chế biến

thực phẩm, những nơi cần khí tự do sạch. Dùng để hạn chế khí ô
nhiễm môi trường từ khí thải của các hoạt động công nghiệp như:
sản xuất thuốc súng, nhựa, chất dẻo tổng hợp, thuộc da, trong công
nghiệp cao su, công nghiệp sơn, vecni, tơ sợi, chất dẻo kết dính.
Thực tế than hoạt tính có khả năng hấp phụ tối đa các khí độc gây
hại cho môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe như:
SO2, NH3, CO2, H2S, CH4, H2…
Trong y dược: Than hoạt tính được ứng dụng trên cột lọc để hấp
phụ Clo, các ion kim loại và các chất hữu cơ đồng thời khử mùi nước
máy, là bước tiền xử lý của một hệ thống thẩm thấu ngược. Than
hoạt tính được dùng trong quá trình trị bệnh khó thở, trong hệ tiêu
hóa khử vi khuẩn, rất dễ được hấp phụ và hấp phụ rất nhanh bằng
than hoạt tính bởi vì trọng lượng phân tử cao. Sử dụng than hoạt tính
còn là một trong nhiều biện pháp khá hữu hiệu với bệnh nhân gút
(Gout), than hoạt tính có tác dụng hút chất độc từ trong cơ thể ra.
Than hoạt tính còn được dùng để tẩy trùng, chống tiêu chảy, hấp
phụ các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn... được sử dụng để xử lý
19


chất độc và sự dùng quá liều qua đường miệng. Tuy nhiên, nó không
hiệu quả cho nhiều sự ngộ độc của acid hoặc kiềm mạnh, xianua,
sắt, liti, arsen, methanol, ethanol hay ethylene glicol.
Trong xử lý nước: Tẩy các chất bẩn vi lượng. Than hoạt tính là vật liệu
hấp phụ đa năng, không làm thay đổi các tính chất hóa lý của nước và sử
dụng trong lọc nước thường có 3 loại phổ biến:

-

Than hoạt tính dang bột (Powdered Activated Carbon - PAC): Thường

được sử dụng để lọc mùi, lọc một số chất màu và cả chất béo hòa
tan trong nước. Tuy nhiên do tính chất dễ bị rửa trôi và không ổn
định, nên than hoạt tính dạng bột chủ yếu được sử dụng dưới dạng

-

bổ trợ ở các hệ thống lọc nước công nghiệp lớn.
Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon - GAC): Được
cấu thành từ những hạt than nhỏ và bền hơn dạng bột, GAC được sử
dụng rộng rãi trong hệ thống lọc nước máy hay xử lý nước gia đình.
Than hoạt tính dạng hạt có thể lọc mùi, xử lý nước nhiễm bẩn…
nhưng hiệu quả lọc phụ thuộc khá nhiều vào tốc độ dòng nước, nếu
tốc độ dòng nước quá lớn mà không có cách hãm thì hiệu quả sẽ

-

không cao.
Than hoạt tính dạng khối (Solid Block Activated Carbon - SBAC): Là
cấu trúc than tốt nhất và lọc nước hiệu quả nhất đang sử dụng rộng
rãi hiện nay. Khi dòng nước chảy qua khối than hoạt tính vững chắc,
các tạp chất bẩn sẽ bị giữ lại và dòng nước đi qua sạch sẽ. Khối than
hoạt tính cũng bảo đảm được sự rắn chắc, độ bền sử dụng cao và
tăng hiệu suất của toàn bộ hệ thống lọc.
Trong công nghiệp hóa học: Than hoạt tính đóng vai trò làm chất
xúc tác và chất tải cho các chất xúc tác khác. Ngoài ra, nó được
dùng để làm vật liệu hấp phụ cho các sản phẩm công nghiệp như
đầu lọc thuốc lá, chất khử mùi hôi, khử màu chất lỏng, hấp phụ dung
môi, vật liệu nhồi đệm cao cấp,…
Ngoài ra, than hoạt tính còn có tác dụng ngăn chặn các bức xạ
điện từ độc hại do máy tính, màn hình và các thiết bị ngoại vi sinh ra

ảnh hưởng đến người sử dụng.

2. NHÓM CARBON - OXY TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH
Nhóm carbon - oxy bề mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh
hưởng đến đặc trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính
20


acid, và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn điện và khả năng
phản ứng của các vật liệu này. Thực tế, oxy đã kết hợp thường được
biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số
lĩnh vực ứng dụng nhất định. Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đến
khả năng hấp phụ nước, các khí… làm ảnh hưởng đến sự hấp phụ
chất điện phân, ảnh hưởng lên độ nhớt của grafit cũng như lên tính
chất của than. Trong trường hợp của sợi carbon, nhóm bề mặt quyết
định khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và sau đó là
đặc điểm vật liệu composite. Theo Kipling, các nguyên tử oxy và
hydro là những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm
hấp phụ tốt và bề mặt của vật liệu này được nghiên cứu như một bề
mặt hydrocarbon biến đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy
(Bansal R.C. and Goyal M., 2005).
Mặc dù việc xác định số lượng và bản chất của các nhóm hóa
học bề mặt này bắt đầu từ hơn 50 năm trước, bản chất chính xác của
nhóm chức vẫn còn chưa được chứng minh đầy đủ. Những chứng cứ
đã được đưa ra từ các nghiên cứu khác nhau sử dụng các công nghệ
khác nhau vì bề mặt carbon là rất phức tạp và khó mô phỏng. Các
nhóm chức bề mặt không thể được xử lý như các chất hữu cơ thông
thường vì chúng tương tác khác nhau trong môi trường khác nhau.
Phổ eletron cho phân tích hóa học cho thấy sự chuyển đổi bất thuận
nghịch của chức bề mặt xảy ra khi các phương pháp hóa học hữu cơ

cổ điển được sử dụng để xác định và chứng minh chúng. Do đó,
người ta mong rằng việc áp dụng của nhiều công nghệ tinh vi hơn
như phổ FTIR, XPS, NMR và nghiên cứu lượng vết phóng xạ sẽ góp
phần quan trọng để hiểu biết chính xác hơn về các nhóm hóa học bề
mặt này.
Than hoạt tính có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấp
phụ hóa học này và nhiều phản ứng của chúng xảy ra do xu hướng
này. Ví dụ, than hoạt tính có thể phân hủy các khí oxy hóa như ozone
và oxyt của nitơ. Chúng cũng phân hủy dung dich muối bạc, halogen,
sắt (III) clorua, KMnO4, amonipersunfat, acid nitric,… Trong mỗi
trường hợp, có sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất
carbon - oxy bề mặt. Than hoạt tính cũng có thể được oxy hóa bằng
nhiệt trong không khí, CO2 hoặc oxy. Bản chất và lượng nhóm oxy carbon bề mặt tạo thành từ các sự oxy hóa khác nhau phụ thuộc vào
21


bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó,
bản chất chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình.
Phản ứng của than hoạt tính với oxy ở nhiệt độ dưới 400 °C chủ
yếu tạo ra sự hấp phụ hóa học oxy và tạo thành hợp chất carbon oxy bề mặt, khi ở nhiệt độ trên 400 °C sự phân hủy hợp chất bề mặt
và khí hóa carbon là các phản ứng trội hơn hẳn.
C +O2

[CO]

(< 400 °C) Sự tạo thành hợp chất

C +O2

CO+ CO2

(> 400 °C) Sự khí hóa

[CO]

CO+ C

bề mặt
(> 400 °C) Sự phân hủy hợp chất bề mặt

Trong trường hợp sự oxy hóa xảy ra trong dung dịch, phản ứng
chính là sự tạo thành hợp chất bề mặt, mặc dù một vài quá trình khí
hóa cũng có thể xảy ra phụ thuộc độ mạnh của chất oxy hóa và sự
khắc nghiệt của điều kiện thí nghiệm. Sự tạo thành hợp chất carbon oxy bề mặt sử dụng than khác nhau. Than hoạt tính và muội than sử
dụng nhiều cách oxy hóa trong pha khí và pha lỏng đã được nghiên
cứu nhiều hơn.
Dạng nhóm carbon - oxy bề mặt (acid, base, trung hòa) đã được
xác định, các nhóm acid bề mặt là rất đặc trưng và được tạo thành
khi than được xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400 °C hoặc bằng phản
ứng với dung dịch oxy hóa ở nhiệt độ phòng. Các nhóm chức này ít
bền nhiệt và phân hủy khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trong
môi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 350 - 750 °C và giải phóng CO 2. Các
nhóm chức acid bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phân
cực, các nhóm này là carboxylic, lacton, phenol (Bansal R.C. and
Goyal M., 2005).
Nhóm oxy base trên bề mặt ít đặc trưng hơn và được tạo ra khi
một bề mặt than không còn bất kỳ nhóm oxy bề mặt nào khi xử lý
nhiệt trong chân không hoặc trong môi trường trơ ở nhiệt độ 1000 °C
sau đó làm nguội ở nhiệt độ phòng, được tiếp xúc với khí oxy. Garten
và Weiss đề xuất cấu trúc dạng pyron cho nhóm chức base, nhóm

chức này cũng được biết như cấu trúc chromene. Cấu trúc này có
vòng chứa oxy với nhóm hoạt hóa - CH 2 , - CHR. Theo Voll và Boehm,
các nguyên tử oxy trong cấu trúc kiểu pyron được định vị trong hai
vòng khác nhau của lớp grafit.
22


Tuy nhiên, cấu trúc của các nhóm oxy base trên bề mặt cũng
đang còn tranh cãi. Các nhóm oxy trung hòa trên bề mặt được tạo ra
do quá trình hấp phụ hóa học không thuận nghịch oxy ở các tâm
không bão hòa dạng etylen có mặt trên bề mặt than. Các hợp chất
bề mặt bị phân hủy thành CO2 khi xử lý nhiệt. Các nhóm trung hòa
trên bề mặt bền hơn so với các nhóm acid và bắt đầu phân hủy trong
khoảng nhiệt độ 500 - 600 °C và bị loại bỏ hoàn toàn ở 950 °C. Một
dạng của bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóa được công bố bởi
Tarkovskya ở hình dưới đây.

Hình 2.2. Bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóa
Nhiều nỗ lực của rất nhiều nhà nghiên cứu để xác định và định
lượng các nhóm carbon - oxy bề mặt sử dụng các phương pháp vật
lý, hóa học và hóa lý để giải hấp lớp oxyd, trung hòa với kiềm, chuẩn
độ điện thế, phương pháp phổ như phố IR, X - ray. Các nghiên cứu
này đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhóm chức, quan trọng hơn cả là các
nhóm carboxyl, lacton, phenol, quinon và hydroquinon.

Hình 2.3. Các nhóm carbon - oxy trên bề mặt than hoạt tính
23


3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM BỀ MẶT CARBON - OXY LÊN TÍNH

CHẤT HẤP PHỤ
3.1 Tính acid bề mặt của than
Tính acid bề mặt của than hoạt tính và muội than là đối tượng
ban đầu của một số lượng lớn các nghiên cứu do tầm quan trọng của
nó trong việc xác định một vài phản ứng phân hủy, phản ứng xúc
tác, và các tính chất hấp phụ của những vật liệu này. Trong trường
hợp của muội than, Wiegand đã sử dụng tính acid bề mặt để phân
loại các họ của muội than chúng có tính acid mạnh hoặc có tính chất
kiềm hoặc acid yếu. Tính acid bề mặt của than được đo bởi khả năng
hấp phụ base của nó (hoặc sự trung hòa base), khả năng này được
tính bằng lượng cation kiềm đã trao đổi cho các ion hidro được cung
cấp bởi các oxyt acid trên bề mặt than. Tính acid bề mặt là do cấu
trúc hóa học của carbon - oxy bề mặt đã được công nhận như
cacboxyl hay lacton. Các cấu trúc hóa học bề mặt này tạo ra CO 2
trong quá trình xử lý nhiệt trong chân không hay trong môi trường
trơ ở nhiệt độ 300 - 750 °C (Marsh H. and Rodriguez-Reinoso F.,
2006).
Khả năng trung hòa base của than giảm khi hút chân không
hoặc loại khí bằng cách tăng nhiệt độ một cách từ từ, và giảm tại bất
kỳ nhiệt độ nào, tương ứng với lượng CO2 được tạo ra tại nhiệt độ đó.
Hơn nữa, khi nhiệt độ vượt cao quá, khả năng trung hòa base
của than giảm, cũng ở nhiệt độ cao có sự giải phóng CO 2 từ bề mặt
than. Do đó, tính acid bề mặt của than phụ thuộc vào sự có mặt của
nhóm hóa học bề mặt carbon - oxy.
3.2 Sự hấp phụ từ các dung dịch
Sự hấp phụ những hợp chất hữu cơ và vô cơ từ các dung dịch
của chúng cũng cho thấy khả năng hấp phụ của than bị ảnh hưởng
bởi việc có mặt của các nhóm oxy - carbon.
Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sự hấp phụ của một vài thuốc
nhuộm cation và anion trên than chì cũng như các loại muội than

khác nhau, đã thấy rằng sự hấp phụ đó, mặc dù được xác định bởi
diện tích mặt của carbon, vẫn bị ảnh hưởng mạnh bởi sự hiện diện
của các oxyt có tính acid trên bề mặt. Khả năng hấp phụ những chất
nhuộm cation tăng cùng với sự tăng số lượng của nhóm oxy bề mặt
trong quá trình ôxi hóa than và giảm khi những oxyt bề mặt này bị
24


loại bỏ trong quá trình giải hấp bằng nhiệt trong chân không. Trong
trường hợp của những thuốc nhuộm anion, sự hấp phụ giảm theo
mức độ ôxi hóa, độ giảm này tùy thuộc vào sự tăng về số lượng của
các nhóm acid bề mặt. Goyal và những cộng sự cũng đã nghiên cứu
sự ảnh hưởng của các nhóm oxy - carbon tới khả năng hấp phụ một
vài ion kim loại như Cr (III), Cr (VI), Co (II), Cu (II) và Ni (II) trên một
vài carbon hoạt tính có sự khác nhau về diện tích bề mặt và khác
nhau về số nhóm chức oxy - carbon trên bề mặt (Bansal R.C. and
Goyal M., 2005).
Những nhà khoa học này đã tìm ra rằng sự hấp phụ này không
chỉ liên quan đến diện tích bề mặt, mà còn phụ thuộc vào số lượng
của các nhóm oxy và có thể là một vài nhóm oxyt acid khác. Sự hấp
phụ cation tăng đối với trường hợp than đã thực hiện quá trình oxy
hóa và giảm trong quá trình loại khí, kết quả này được giải thích là
quá trình oxy hóa tạo thành các nhóm acid bề mặt mà sự ion hóa
trong nước có thể tạo ra ion H+, chuyển trực tiếp vào pha lỏng, để lại
bề mặt than có các tâm tích điện, ở đó sự hấp phụ các cation có thể
xảy ra. Khi các tâm tích điện âm được loại trừ bằng loại khí, thì bề
mặt than sẽ giảm xu hướng hấp phụ cation (Ngô Trần Vĩnh Nghi và
Nguyễn Tuấn Hưng, 2011).
Sự hấp phụ của những hợp chất hữu cơ như phenol và para nitrophenol cũng bị ảnh hưởng bởi những nhóm oxy - carbon này.
Mặc dù sự có mặt của những nhóm oxy acid làm giảm đi sự hấp phụ

phenol, nhưng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm tăng cường
khả năng hấp phụ. Tính chất và khả năng hấp phụ của than tùy
thuộc vào bản chất cấu trúc than và sự có mặt nhóm carbon - oxy bề
mặt.
Sự hấp phụ các cation như Zn 2+, Fe2+, Cu2+… trong dung dịch
phụ thuộc vào sự có mặt của các nhóm carbon - oxy bề mặt do các
cation này còn nhiều obitan trống nên nó có thể nhận các electron từ
các nhóm carbon - oxy bề mặt và tạo thành liên kết giữa cation và
các nhóm carbon - oxy bề mặt.
Trong dung dịch nước, các cation bị hydrat hóa và tạo thành lớp
màng hydrat bao quanh cation. Do đó, sự hấp phụ các cation còn
phụ thuộc vào tính cạnh tranh giữa liên kết hydrat và liên kết với các
25