Activated carbon

i

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM
------------

NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH

VẬT LIỆU LỌC THAN HOẠT TÍNH
TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP
BÀI THU HOẠCH

TPHCM – THÁNG 02/2016

i


ii

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM
------------

NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH

VẬT LIỆU LỌC THAN HOẠT TÍNH
TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP
BÀI THU HOẠCH
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Môn học: Vật liệu trong môi trường
Lớp: 02 ĐH QTTB
MSSV: 0250020074

TPHCM – THÁNG 02/2016
ii


iii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày lòng cảm ơn sâu sắc của mình đến TS. LÊ VĂN LỮ đã tận tình hướng dẫn giúp
đỡ cho quá trình hoàn thành bài thu hoạch này.

iii


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bài
thu hoạch là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện bài thu hoạch này đã được cảm ơn
và các thông tin trích dẫn trong bài thu hoạch đã được chỉ rõ nguồn gốc.

iv


v

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1. Cấu trúc mao quản của than hoạt tính ................................................................. 6
Hình 2. Mô hình hấp phụ đơn lớp Langmuir và đa lớp BET ......................................... 20

v


vi

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài .......................................................................... 1
3. Kết cấu của đề tài ................................................................................................. 1
NỘI DUNG ..................................................................................................................... 1
Chương 1. Tổng quan ............................................................................................... 1
1. Định nghĩa ......................................................................................................... 1
2. Lịch sử hình thành và phát triển..................................................................... 2
Chương 2. Phân loại .................................................................................................. 3
1. Phân loại theo Misec ......................................................................................... 3
2. Phân loại Meclenbua ........................................................................................ 4
3. Phân loại theo Đu-bi-nin .................................................................................. 5
Chương 3. Cấu trúc mao quản ................................................................................. 5
Chương 4. Tính chất vật lý ....................................................................................... 6
1. Kích thước hạt ..................................................................................................... 7
2. Diện tích bề mặt riêng ......................................................................................... 8
3. Cấu trúc vật lý ..................................................................................................... 9
4. Khối lượng riêng .................................................................................................. 9
Chương 5. Tính chất hóa học ................................................................................. 10
Chương 6. Nguyên liệu ............................................................................................ 11

Chương 7. Phương pháp sản xuất ......................................................................... 11
1. Quá trình than hóa ......................................................................................... 12
2. Quá trình hoạt hóa ......................................................................................... 12
Chương 8. Tái sinh than hoạt tính ......................................................................... 15
Chương 9. Chỉ tiêu chất lượng ............................................................................... 17
Chương 10. Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ ...................................................... 17

vi


vii

Chương 11. Động học hấp phụ trên than hoạt tính ............................................... 20
Chương 12. Ưu điểm và nhược điểm than hoạt tính.............................................. 21
Chương 13. Ứng dụng và một số lưu ý khi sử dụng than hoạt tính ..................... 22
Chương 14. Tiêu chuẩn Việt Nam đối với vật liệu than hoạt tính ........................ 23
1. Quy định chung ............................................................................................... 24
2. Các tính chất của than hoạt tính ................................................................... 24
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................................... 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 25

vii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của 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 của mình 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.
Với mục đích hiểu rõ hơn về các loại than hoạt tính và những tính chất ưu việt của chúng,
tôi quyết định chọn đề tài “Vật liệu lọc than hoạt tính gáo dừa” làm đề tài bài thu hoạch
của mình.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Qua đồ án này, ta sẽ nắm được những khái niệm cơ bản về tính chất, phân loại, ứng dụng
của than hoạt tính, cũng như các phương pháp sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu gáo
dừa. Trong quá trình thực hiện, do thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót, mong
thầy và các bạn góp ý, bổ sung để bài thu hoạch được hoàn thiện hơn.
3. Kết cấu của đề tài
Đồ án có kết cấu gồm 3 phần là : mở đầu, nội dung và kết luận. Phần nội dung đặc biệt
đi sâu vào định nghĩa, phân loại, các tính chất vật lý hóa học, ứng dụng cũng như một
số tiêu chuẩn kỹ thuật và các sử dụng than hoạt tính trong lĩnh vực xử lý nước cấp. Qua
đó tôi hy vọng sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quát về vật liệu than hoạt tính trong ứng
dụng lọc nước cấp hiện nay.
NỘI DUNG
Chương 1.
Tổng quan
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.

1


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 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 6-7% O. Hàm lượng oxi
có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính.
Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗ nhỏ có
bán kính dưới 2 nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0.2 – 0.6 cm3/g.
Mỗi năm khoảng 150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuất, cùng với khoảng
150.000 tấn than dạng hạt và 50.000 tấn dạng viên hoặc thanh.
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
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.

2

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 CO2.
Than hoạt tính còn được sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất.
- 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 N2, H2 ,NH3 và HCN ở
khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn NH3, N2 , H2.
- Ở nước ta từ những năm đâu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tính dung cho
mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển.
Chương 2.
Phân loại
1. Phân loại theo Misec
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

3


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.
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:
- 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.

4


- 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.
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 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.
Chương 3.

Cấu trúc mao quản

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.
5


- Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kình trên 25 nm.

Hình 1. 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 sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cấu trúc mao quản micro, kích thước dưới 1 nm.
Nếu dùng loại than hoạt tính này để tinh chế cồn (thường có rất nhiều tạp chất có kích
thước khoảng 2-10 nm) thì sẽ có thể gây ra tắc nghẽn mao quản, kết quả là than hoạt tính
không thể sử dụng được hết năng suất tối đa. Tuy nhiên vẫn có thể thành công vì khả
năng hấp phụ của than hoạt tính làm từ dừa cao gấp 2-3 lần các loại than hoạt tính khác.
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.

Chương 4.

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;

6


-

Khối lượng riêng;

1. Kích thước hạt
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;

-

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 như sau:
𝐷𝑛 =

∑𝑛 ∗ 𝑑
∑𝑛

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.
Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh

vực khoa học - công nghệ và đời sống. Than hoạt tính thương phẩm được sản xuất dưới
2 dạng: dạng hạt GAC (Granular activated carbon) và than hoạt tính dạng bột PAC
(Powdered activated carbon).
GAC được sản xuất dưới dạng mảnh vỡ (từ than đá hoặc vỏ, hạt một số loại quả như
than gáo dừa..) hoặc từ than bột mịn trộn với chất kết dính, rồi ép đùn tạo viên dạng viên
tròn, viên trụ,.. (EAC - Extruded activated carbon)
7


Kích thước của GAC phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Ví dụ, để hấp phụ khí, GAC được
sản xuất dưới dạng viên trụ đùn, đường kính từ 4-6 mm hoặc dưới dạng hạt nghiền rây
cỡ 4/8 đến 10/20 mesh (4,75 - 0,85 mm). Để hấp phụ trong pha lỏng thì GAC được sử
dụng với kích thước hạt nhỏ hơn (12/42 mesh: 1,4 - 0,355 mm ) để hạn chế sự cản trở tự
do khuếch tán
PAC thường được sản xuất từ gỗ, gáo dừa, phế phẩm nông nghiệp như: vỏ trấu, mùn
cưa... Kích thước trung bình của PAC cỡ từ 300 - 20 µm (tùy thuộc hãng sản xuất và giá
thành của PAC). Phân loại theo kích thước (Standard meshopening particle) thì THAN
HOẠT TÍNH có kích thước lọt qua rây 48 (<0,300mm) được gọi là than hoạt tính dạng
bột PAC, than có kích thước được giữ lại trên sàng 40 (0,42mm) được gọi là GAC.
2. Diện tích bề mặt riêng
Hai phương pháp thường dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính là:
-

Phương pháp tính toán hình học;

-

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 Sh được tính theo công
thức:
𝑆ℎ =

6
𝜌. 𝐷𝐴

Trong đó: 𝜌 – khối lượng riêng của than hoạt tính;
DA – đường kính bề mặt trung bình hạt than;
∑ 𝑛. 𝑑 3
𝐷𝐴 =
∑ 𝑛. 𝑑 2
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

8


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.

3. Cấu trúc vật lý
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 hau 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 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.
4. Khối lượng riêng
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
9

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.

Chương 5.

Tính chất hóa học

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 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)

10


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.
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 %;

-

Lưu huỳnh: 0.1 ÷ 0.7 %;

Chương 6.

Nguyên liệu

Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu có hàm lượng
cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ, than non, than bùn, than
đá,… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa,… cũng có
thể chuyển thành than hoạt tính bởi nguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng
cacbon cao và các thành phần vô cơ thấp.
Có thể phân chia nguyên liệu thành ba nhóm như sau:
-

Từ than đá, than bùn

-

Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, hạt quả

-

Từ động vât: xương , xúc tu các loài động vât.
Chương 7.

Phương pháp sản xuất

Than hoạt tính chủ yếu được sản xuất bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô có chứa
cacbon ở nhiệt độ dưới 1000°C. Quá trình sản xuất gồm hai bước:
-

Than hóa ở nhiệt độ dưới 800°C trong môi trường yếm khí hoặc khí trơ.

11


-

Hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950 - 1000°C.

1. Quá trình than hóa
Quá trình than hóa là quá trình phân hủy nhiệt nguyên liệu để đưa nguyên liệu ban đầu
và dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ và tạo mao quản ban đầu.
Quá trình than hóa có thể thực hiện được trong cả ba pha rắn, lỏng, khí.
Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu đầu là các phân tử lớn do sự tổng hợp hoặc quá
trình tự nhiên. Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách tăng nhiệt xử lý, giải phóng các chất
khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp.
Than hóa trong pha lỏng: Sử dụng các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo
thành cacbon dạng graphit không có mao quản, cần một phản ứng tác động lên các lớp
graphit để tạo ra mao quản.
Than hóa trong pha khí: Nguyên liệu ban đầu là các khí như metan, propan hoặc benzen
trộn với heli. Quá trình than hóa thực hiện ở áp suất tương đối thấp.
Nguyên tắc của quá trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt phân hủy
nguyên liệu trong điều kiện không có không khí. Dưới rác dụng của nhiệt từ nhiệt độ

thường tới 170°C, vật liệu bị khô đều; từ 170 ÷ 280°C, vật liệu bị phân hủy theo những
quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit
cacbon, khí cacbonic, axit axetic,… Tiếp theo, từ 280 ÷ 380°C xảy ra sự phân hủy phát
nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Quá trình cacbon hóa xem như kết thúc ở khoảng
400 ÷ 600°C.
2. Quá trình hoạt hóa
Quá trinh hoạt hóa trong sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa rất lớn, vì vậy người ta đã
tập trung nhiều cố gắng nghiên cứu khâu này. Việc nghiên cứu than hoạt tính ban đầu
tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên liệu và sản phẩm. Việc
chọn nguyên liệu một mặt dựa vào quy mô sản xuất, mặt khác dựa vào nguyên liệu thích
hợp tự nhiên cho một sản phẩm nhất định. Ví dụ xương động vật cho than tẩy màu, sọ
dừa cho than rắn chắc thích hợp để sản xuất than hấp phụ khí và hơi...
Thời gian về sau công tác nghiên cứu đi sâu vào cấu trúc xốp của than, người ta đã nhận
thấy phương pháp than hóa tuy không ảnh hưởng tới thành phần nguyên tố của than
nhưng ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc xốp của than, ảnh hưởng mạnh lên việc hình thành
các sản phẩm do than hóa tạo thành như hắc ín, than vô định hình, ... từ đó ảnh hưởng
lên quá trình hoạt hóa và ảnh hưởng lên tính chất than thành phẩm.

12


Theo Ac-lếch-xep-ski, việc chọn nguyên liệu cho than hoạt tính dựa vào thành phần
các hợp chất hữu cơ của nguyên liệu. Nguyên liệu tốt là loại chứa các hợp chất hữu cơ
bị phân hủy ở nhiệt độ không cao và khi bị nhiệt phân không tạo ra cacbua no phân tử
lơn, mà loại phân tử này lại chỉ bị phân hủy ơ nhiệt độ cao tạo ra cacbon graphit hóa.
Quá trình nhiệt phân phải được thực hiện nhanh làm giảm thời gian tiếp xúc giữa cacbon
mới được hình thành và sản phẩm của quá trình nhiệt phân. Tiếp theo quá trình than hóa
là quá trình hoạt hóa. Mục đích của quá trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có
sẵn trong than, đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao.
Riêng về hoạt hóa có thể phân chia một cách có điều kiện thành hai phương pháp:

- Phương pháp hoạt hóa hóa học.
- Phương pháp hoạt hóa hóa lý.
Phương pháp hoạt hóa hóa lý dùng các chất oxy hóa như hơi nước, dioxit cacbon ...
làm tác nhân tác dụng với than nguyên liệu, khi mức độ hoạt hóa chưa cao (độ xốp còn
kém) tác nhân hoạt hóa tác dụng với cacbon vô định hình và cacbua mạch cao nằm trên
bề mặt than giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than. Tiếp theo là chúng tác dụng
với khung than làm chảy một phần cacbon tinh thể tạo thêm độ xốp cho than.
Phương pháp này cho năng suất cao, giá thành hạ, ít ăn mòn thiết bị. Tác nhân hoạt hoá
thường dùng là khí carbonic, hơi nước và oxy không khí.
Hoạt hoá bằng oxy không khí: Đây là phản ứng tỏa nhiệt, nhưng cần phải cung cấp nhiệt
ban đầu để khơi mào phản ứng. Trên bề mặt than thường có một số nhóm chức, điều này
thuận lợi cho việc điều chế than oxy hoá. Tùy mức độ hoạt hóa, có thể thu được sản
phẩm có tính chất bề mặt và phân bố mao quản khác nhau để dùng trong xử lý khí, tẩy
mầu hoặc trao đổi ion ...
Quá trình hoạt hoá có thể được biểu diễn bằng phương trình:

Nhiệt độ hoạt hoá cũng gây ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng.

13


Hoạt hoá bằng hơi nước: khi nhiệt độ đạt trên 7500C hơi nước có tính oxy hoá, phản
ứng hoạt hoá than bằng hơi nước xảy ra theo phương trình sau:
Các phản ứng phụ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khi hoạt hóa bằng hơi nước là:

Hydro sinh ra sẽ ức chế quá trình phản ứng, vì vậy phương pháp này tạo ra than hoạt tính
có mao quản nhỏ phát triển.
- Hoạt hoá bằng CO2 : Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao (trên 8500C). Phản ứng xảy ra
theo hai cơ chế:

Hoạt hoá bằng hơi nước và CO2 đòi hỏi phải cấp nhiệt liên tục vì đó là phản ứng thu
nhiệt. Sản phẩm khí của phản ứng là CO2 và H2 , hỗn hợp khí này có thể tận dụng lấy
nhiệt cấp lại cho lò. Vì thế, có thể thiết kế xây dựng lò (lò yên ngựa) không dùng nhiên
liệu bên ngoài.
Hoạt hóa hóa học chủ yếu dùng cho than gỗ. Nguyên liệu thường được sử dụng là gỗ
trộn với chất hoạt hóa và chất hút nước (thường dùng là H3PO4 hoặc ZnCl2), thường ở
nhiệt độ 500°C, có khi lên tới 800°C. H3PO4 làm gỗ phình ra trong suốt quá trình, bảo
đảm than không bị xẹp trở lại, làm cho than xốp và chứa đầy H3PO4. Sau đó phải tiến
hành rửa để thực hiện các bước tiếp theo.
Trong các muối vô cơ thì chất có tác dụng hoạt hóa mạnh là ZnCl2 vì là chất khử hydrat
hóa mạnh, đồng thời là chất bảo vệ cho than không bị cháy. Dạng muối phổ biến của
kẽm clorua khi làm bay hơi dung dịch là ZnCl2.4H2O tan mạnh trong nước, độ tan của
kẽm clorua trong nước là 31,8 mol/lít ở 25°C. Kẽm clorua bay hơi dung dịch thu được
ZnCl2 khan có nhiệt độ nóng chảy là 262°C và nhiệt độ sôi 756°C. Trong nước ZnCl2
thủy phân tạo môi trường axit:
Zn2+ +

H2 O

= Zn(OH)2

+

H+
14


Do hút ẩm mạnh và tạo muối trong axit dung dịch ZnCl2 đậm đặc có khả năng phân hủy
các vật liệu xenlulozơ, một số kết quả về việc nghiên cứu sử dụng ZnCl2 làm tác nhân
hoạt thóa để chế tạo than hoạt tính.

Du-bi-nin và Sê-mêno-va đã nghiên cứu tác dụng hoạt hóa của các muối ZnCl2; CaCl2
và hỗn hợp hai muối này đối với nguyên liệu gỗ thông mộc. Những sản phẩm chế tạo
được đều có hoạt tính cao đối với hấp phụ hơi benzen và tẩy màu metyl xanh.
Khả năng hoạt hóa của CaCl2 trong chế tạo than khí cũng như than tẩy màu đều thấp
hơn của ZnCl2 . Đáng chú ý là tác dụng hoạt hóa của hỗn hợp hai muối ZnCl2 và CaCl2,
việc thay thế một phần ZnCl2 bằng CaCl2 làm giảm hoạt tính hấp phụ hơi benzen nhưng
lại làm tăng hoạt tính hấp phụ màu. Vậy có thể dùng CaCl2 theo tỷ lệ thích hợp thay
ZnCl2 trong chế tạo than hoạt tính tẩy màu.
Vai trò các tác nhân có thể đã là làm thoát biến các phân tử xenluloza, bẳng phản ứng
khử nước, phản ứng oxy hóa ... các tác nhân hóa học đã phá vỡ các liên kết ngang, làm
cho các phân tử xenluloza khử đồng phân hóa, thậm chí làm thay đổi bản chất hóa học
của xenluloza.
Tác nhân quan trọng nhất của các tác nhân hóa học là khử hydrat tạo điều kiện cho các
hợp chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt, đồng thời ngăn cách quá
trình nhiệt phân tạo ra sản phẩm không bị cacbon hóa như hắc ín.
Công nghệ chế tạo than hoạt tính theo phương pháp hoạt hóa hóa học gồm tẩm tác nhân
hoạt hóa vào nguyên liệu sau đó nung nguyên liệt đã tẩm bằng lò nung trong điều kiện
không có không khí. Độ đậm đặc của dung dịch tẩm, tỷ lệ giữa lượng chất dùng làm tác
nhân hoạt hóa đối với nguyên liệu, nhiệt độ nung và thời gian nung cần được xác định
cho thích hợp với từng trường hợp một. Sau khi đã tham gia quá trình hoạt hóa tác nhân
hoạt hóa lại được tách khỏi sản phẩm và quay vòng tham gia quá trình sản xuất tiếp theo.
Thông thường hoạt hóa hóa học được thực hiện ở những nhiệt độ 400 ÷ 1000°C, đối với
ZnCl2 thì nhiệt độ tối ưu là 500 ÷ 700°C. Tỷ số giữa khối lượng chất hoạt hóa hóa học
đối với lượng khô vật liệu được tẩm có ảnh hưởng lớn lên độ xốp của than thành phẩm.
Có thể hình dung cụ thể rằng thể tích muối vô cơ nằm trong vật liệu bị than hóa chính là
thể tích lỗ xốp do muối để lại sau khi nó bị hòa tan để tách đi. Độ tẩm được coi như
thước đo mức độ hoạt hóa hóa học giống độ sém trong hoạt hóa hóa lý.
Chương 8.

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

15


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 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);
- Bằng hơi nước (tái sinh hơi nước);
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.
- 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.
Cách này ít khi được sử dụng cho những người chưng cất rượu tại gia. 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 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. 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.

16


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.
2. Tái sinh bằng hơi nước
Tái sinh bằng hơi nước là phương pháp thường được sử dụng trong công nghiệp tinh chế
cồn. Nó 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 và rượu tạp bay hơi khỏi các mao quản.
- Cuối cùng than hoạt tính được rửa ngược và sẵn sàng sử dụng lại.
Chương 9.

Chỉ tiêu chất lượng

Hệ số không đồng nhất (coefficient of ununiformity) (UC)
Tỉ số d60/d10, trong đó d60 và d10 là đường kính mắt sàng tương ứng có 60 % và 10 %
lượng vật liệu lọc lọt qua (tính theo khối lượng) khi xác định thành phần cấp phối cỡ

hạt.
Đường kính hiệu dụng (effective diameter) (deff)
Đường kính mắt sàng d10.
Chỉ số hấp phụ iốt (absorption coefficient Iodine)
Lượng iốt (tính bằng mg) được hấp phụ bởi 1 g than hoạt tính khi nồng độ dư iốt của
mẫu lọc là 0,02 N.
Chương 10.

Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ

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
17


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.
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 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.

Trong đó, qe : dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
C0 : 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)

18