Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo than từ tre sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ THANH HOÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN TỪ TRE SỬ DỤNG
TÁC NHÂN HOẠT HÓA KOH VÀ KHẢO SÁT KHẢ
NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ THANH HOÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN TỪ TRE SỬ DỤNG
TÁC NHÂN HOẠT HÓA KOH VÀ KHẢO SÁT KHẢ
NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM
Ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. VŨ THỊ HẬU

THÁI NGUYÊN - 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than từ tre, sử dụng
tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam” là
do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là
trung thực và chưa có ai cơng bố trong một cơng trình nào khác. Nếu sai sự
thật tôi xin chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thanh Hoài

iv


LỜI CẢM ƠN
Bản luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học
Thái Nguyên. Trong quá trình làm luận văn em đã nhận được rất nhiều sự
giúp đỡ để hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của TS. Vũ
Thị Hậu trong suốt q trình hồn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, khoa Sau Đại
học, khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em
trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo, cán bộ phịng thí nghiệm
khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp
đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình, bạn bè đã luôn
bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em
có thể hồn thành quá trình học tập và nghiên cứu.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên
cứu của bản thân còn hạn chế, nên luận văn có thể cịn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng
nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn,
để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 06 năm
2020

v


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................v
MỤC LỤC...............................................................................................vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................ix
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH........................................................................xi
MỞ ĐẦU..................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN....................................................................... 3
1.1. Than hoạt tính.................................................................................... 3
1.1.1. Định nghĩa.......................................................................................3
1.1.2. Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính..................................................4
1.1.3. Đặc trưng cơ bản của than hoạt tính............................................... 5
1.1.4. Quy trình chế tạo than hoạt tính......................................................6
1.2. Nước thải dệt nhuộm........................................................................10
1.2.1. Đặc điểm về ngành dệt nhuộm......................................................10
1.2.2. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm.......................................... 11

1.2.3. Sơ lược về thuốc nhuộm............................................................... 12
1.2.4. Các phương pháp xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm..............16
1.3. Phương pháp hấp phụ.......................................................................16
1.3.1. Hiện tượng hấp phụ.......................................................................17
1.3.2. Hấp phụ trong môi trường nước....................................................18
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ................................19
1.3.4. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước...................19
1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng metyl da cam.............20
1.5. Một số hướng nghiên cứu về than tre và hấp phụ metyl da cam.....20
vi


1.6. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu........................24
1.6.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)..................................... 24
1.6.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)............................. 25
1.6.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX)............................... 26
1.6.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)................................................26
Chương 2. THỰC NGHIỆM................................................................28
2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất........................................................... 28
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ........................................................................28
2.1.2. Hóa chất........................................................................................ 28
2.1.3. Cách chuẩn bị dung dịch cần dùng trong các thí nghiệm.............29
2.2. Phương pháp nghiên cứu..................................................................29
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu.................................................................... 29
2.2.2. Chế tạo than tre............................................................................. 30
2.2.3. Kết quả chế tạo than tre.................................................................31
2.3. Định lượng metyl da cam.................................................................31
2.4. Khảo sát đặc điểm bề mặt của TT chế tạo được.............................. 33
2.5. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình chế tạo than .. 33

2.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung.......................................................33
2.5.2. Ảnh hưởng của thời gian nung......................................................34
2.6. Xác định chỉ số hấp phụ iot của TT................................................. 34
2.7. Xác định một số thông số vật lý của TT.......................................... 35
2.7.1. Xác định độ ẩm.............................................................................35
2.7.2. Xác định hàm lượng tro................................................................ 35
2.8. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp phụ MO của TT theo
phương pháp hấp phụ tĩnh.......................................................................35
2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH..........................................................35
2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian.................................................36
2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ..................................................36
2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng TT........................................36
2.8.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu dung dịch MO...................37
vii


Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................38
3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chế tạo than . 38

3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung.......................................................38
3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian nung......................................................39
3.2. Kết quả khảo sát một số đặc trưng hóa lý của NL, TT....................40
3.2.1. Kết quả ảnh SEM..........................................................................40
3.2.2. Kết quả diện tích bề mặt riêng (phương pháp BET).....................42
3.2.3. Kết quả xác định thành phần nguyên tố (phương pháp EDX)......43
3.2.4. Đặc trưng IR..................................................................................44
3.3. Kết quả xác định chỉ số iot của mẫu than TT...................................45
3.4. Kết quả xác định một số thông số vật lý của mẫu TT......................46
3.5. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MO

của TT theo phương pháp hấp phụ tĩnh..................................................47
3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH..........................................................47
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian.................................................48
3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng.............................................50
3.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ..................................................51
3.5.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ..................................................52
KẾT LUẬN............................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................55
PHỤ LỤC.................................................................................................1

viii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TT
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11
12
13

14
15


ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1.

Kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019 . 10

Bảng 2.1.

Các mẫu than chế tạo được................................................31

Bảng 2.2.

Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MO......32

Bảng 3.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất hấp phụ MO của

TT......................................................................................38
Bảng 3.3.

Ảnh SEM của NL, các mẫu TT và hiệu suất hấp phụ MO
tương ứng...........................................................................40

Bảng 3.4.

Diện tích bề mặt riêng của NL và một số mẫu TT.............42

Bảng 3.5.

Thành phần phần trăm khối lượng và phần trăm nguyên tử
cacbon và oxi trong các mẫu vật liệu................................44

Bảng 3.6.

Kết quả xác định chỉ số iot của TT....................................45

Bảng 3.7.

Số liệu xác định độ ẩm của TT..........................................46

Bảng 3.8.

Số liệu xác định tỉ lệ tro của TT.........................................47

Bảng 3.9.

Kết quả xác định các thông số vật lý của TT.....................47

Bảng 3.10. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào
pH......................................................................................47
Bảng 3.11. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời
gian....................................................................................49

Bảng 3.12. Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ MO vào
khối lượng TT....................................................................50
Bảng 3.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ MO vào
nhiệt độ..............................................................................51
Bảng 3.14. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào nồng
độ.......................................................................................52

x


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang

Hình 1.1:

Hình dạng than hoạt tính...................................................... 4

Hình 1.2:

Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính........6

Hình 1.3:

Quy trình sản xuất than hoạt tính với 2 giai đoạn là than hóa
và hoạt hóa........................................................................... 9

Hình 1.4:

Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình nhuộm .. 12

Hình 1.5.a: Cơng thức cấu tạo của MO.................................................14
Hình 1.5.b: Mơ hình phân tử của MO................................................... 14
Hình 2.1.

Quy trình chế tạo TT.......................................................... 30

Hình 2.2:

Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ MO........................32

Hình 3.1:

So sánh hiệu suất hấp phụ MO của các mẫu TT được chế tạo

có nhiệt độ nung khác nhau................................................38
Hình 3.2:

So sánh hiệu suất hấp phụ MO của các mẫu TT được chế tạo

có thời gian nung khác nhau.............................................. 39
Hình 3.3.a: Phổ EDX của mẫu NL........................................................43
Hình 3.3.b: Phổ EDX của mẫu TTKHH................................................43
Hình 3.3.c: Phổ EDX của mẫu AC500/120.............................................. 43
Hình 3.3.d: Phổ EDX của mẫu AC600/120.............................................. 43
Hình 3.3.e: Phổ EDX của mẫu AC700/120.............................................. 44
Hình 3.3.f. Phổ EDX của mẫu AC800/120..............................................44
Hình 3.4:

Phổ IR của các mẫu TTKHH (H8-Kh),

AC500/120 (H5),

AC800/120 (H8)....................................................................45
Hình 3.5:

Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ iot của than tre..............46

Hình 3.6.

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ
MO của TT.........................................................................48
xi


Hình 3.7:

Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp
phụ MO của TT

Hình 3.8:

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ MO vào

khối lượng TT
Hình 3.9:

49

50

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ vào hiệu suất hấp

phụ MO

51

Hình 3.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TT đối với MO 53
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của Ccb /q vào Ccb đối với MO.....................53

xii


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây phát triển kinh tế gắn với bảo vệ môi trường
là chủ đề tập trung sự quan tâm của nhiều nước trên thế giới. Một trong những
vấn đề đặt ra hàng đầu không chỉ riêng Việt Nam mà cả một số quốc gia trên
thế giới là cải thiện môi trường ô nhiễm từ các chất độc hại do nền cơng
nghiệp tạo ra. Điển hình như các ngành cơng nghiệp cao su, hóa chất, cơng
nghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi mạ, giấy, đặc
biệt là ngành dệt nhuộm đang phát triển mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuất
khẩu cao của Việt Nam.
Ngành dệt nhuộm đã phát triển từ rất lâu trên thế giới nhưng nó chỉ mới
hình thành và phát triển hơn 100 năm nay ở nước ta. Trong những năm gần
đây, nhờ chính sách đổi mới mở cửa ở Việt Nam đã có 72 doanh nghiệp nhà
nước, 40 doanh nghiệp tư nhân, 40 dự án liên doanh và 100% vốn đầu tư nước
ngoài cùng các tổ hợp đang hoạt động trong lĩnh vực dệt nhuộm. Ngành dệt
may thu hút nhiều lao động góp phần giải quyết việc làm và phù hợp với
những nước khơng có nền cơng nghiệp nặng phát triển mạnh như nước ta. Tuy
nhiên, hầu hết các nhà máy xí nghiệp dệt nhuộm ở ta đều chưa có hệ thống xử
lý nước thải mà đang có xu hướng thải trực tiếp ra sông, suối, ao, hồ… loại

nước thải này có độ kiềm cao, độ màu lớn, nhiều hóa chất độc hại đối với lồi
thủy sinh. Ngân hàng Thế giới ước tính, ngành cơng nghiệp dệt nhuộm sử
dụng 1/4 hóa chất tồn thế giới mỗi năm và 1/5 lượng nước ơ nhiễm tồn cầu
do ngành cơng nghiệp này thải ra. Và nếu không được xử lý,sau khi đi vào
mơi trường, chúng sẽ xâm nhập vào cơ thể, tích tụ lâu ngày gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến sức khỏe con người và động vật, đồng thời còn phá hủy
cảnh quan môi trường tự nhiên, làm mất cân bằng hệ sinh thái.
Trước thực trạng đó, chúng ta cần đưa ra một số biện pháp thiết thực để
loại bỏ chất màu ra khỏi nước thải dệt nhuộm. Cho đến nay, nhiều phương pháp
xử lý đã được nghiên cứu nhưng chưa có phương pháp nào thực sự hữu hiệu

1


đối với thuốc nhuộm. Gần đây, một trong các phương pháp đang được nhiều
người quan tâm là việc sử dụng than hoạt tính được chế tạo từ các phụ phẩm
cơng nơng nghiệp có nguồn gốc tự nhiên như xơ dừa, vỏ lạc, mạt cưa,
chitosan, đài sen ... để làm vật liệu hấp phụ chất màu ra khỏi nước thải công
nghiệp dệt đã chứng minh là có hiệu quả mà khơng gây ra bất kỳ hiệu quả xấu
nào khác đối với mơi trường.
Việt Nam là một trong 10 quốc gia có diện tích trồng tre lớn nhất thế giới.
Do vậy, nguồn nguyên liệu từ tre vô cùng dồi dào. Với những ưu điểm vượt trội
như là chất khử mùi, kháng khuẩn tự nhiên, dễ phát triển mà khơng cần chăm
bón... nên việc chọn tre để chế tạo than là giải pháp tối ưu trong việc xử lý nước
thải dệt nhuộm. Với mong muốn tạo ra những sản phẩm có khả năng hấp phụ tốt,
chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than từ tre, sử dụng tác nhân hoạt
hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam”.

Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về:
-

Chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân tre.

-

Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phương

pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán
sắc năng lượng (EDX), phổ hồng ngoại (IR)
-

Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

hấp phụ metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo được.

2


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Than hoạt tính
1.1.1. Định nghĩa
Than hoạt tính có tên tiếng anh (tên khoa học) là Activated Carbon đây là một dạng Cacbon được hoạt hóa ở nhiệt độ cao bằng hơi nước từ 950 1200°C trong môi trường yếm khí.
Đây là một loại vật liệu có thành phần chính là cacbon ở dạng vơ định
hình chiếm từ 85 - 95% khối lượng, một phần nhỏ ở dạng tinh thể vụn graphit.
Ngồi cacbon thì phần cịn lại thường là tàn tro (mà chủ yếu là các kim loại
kiềm và vụn cát) và các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,..có
sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong q trình
hoạt hóa.
Thành phần của than hoạt tính thơng thường là: 88% C; 0,5% H;

0,5%N; 1%S và 6-7% O. Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1-20% tùy thuộc
vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính.
Than hoạt tính có diện tích bề mặt rất lớn (từ 500 đến 2500 m 2/g), là hệ
quả của cấu trúc xơ rỗng, nhờ đó nó có khả năng hấp phụ tốt nhiều loại hóa
chất. Bề mặt riêng của than hoạt tính phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và đặc
biệt là phương thức chế tạo.
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 khơng 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.
3


Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách than
hóa và xử lý tiếp. Trong q 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

Hình 1.1: Hình dạng than hoạt tính
Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính cịn ở phương diện nó là
chất khơng độc (kể cả một khi đã ăn phải nó).
1.1.2. Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính
Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những ngun liệu có
hàm lượng cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vơ cơ khác như gỗ,
than non, than bùn, than đá,… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nơng
nghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa,… cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởi
nguồn ngun liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng cacbon cao và các thành
phần vơ cơ thấp.
Có thể phân chia nguyên liệu thành ba nhóm như sau:
4


-

Từ than đá, than bùn

-

Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, xơ dừa, bã cà phê…

-

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

1.1.3. Đặc trưng cơ bản của than hoạt tính
1.1.3.1. Cấu trúc xốp
Khả năng hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc nhiều vào tính chất xốp
của than. Các thơng số chủ yếu mơ tả tính chất xốp bao gồm:
-

Bề mặt riêng: là tổng diện tích bề mặt tính cho 1 đơn vị khối lượng, bao

gồm tổng diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài các hạt (m 2/g)
[15]. Bề mặt riêng của than được xác định bằng phương pháp BET (hấp phụ
và khử hấp phụ Nitơ).
-

Thể tích mao quản (lỗ xốp) riêng: là khơng gian rỗng tính cho một

đơn vị khối lượng (cm3/g) [15].
- Kích thước của mao quản: được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của

rãnh hoặc đường kính của mao quản. Theo tiêu chuẩn của IUPAC có thể chia mao
quản ra thành 3 loại: mao quản nhỏ (micropore) có kích thước trung bình nhỏ hơn

2nm, mao quản trung bình (mesopore) có kích thước trung bình từ 2nm đến
50nm và mao quản lớn (macropore) có kích thước trung bình trên 50nm. Q
trình chế tạo than hoạt tính hình thành nên nhiều mao quan mới đồng thời mở
rộng kích thước các mao quản ban đầu.
Mỗi nhóm mao quản nhỏ, trung bình và lớn thể hiện một vai trị nhất
định trong q trình hấp phụ. Mao quản nhỏ có diện tích bề mặt riêng chiếm
tới 95% tổng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính, đóng góp chủ yếu vào
khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Mao quản trung bình chiếm khơng q
5% tổng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính. Mao quản lớn có diện tích

bề mặt riêng rất nhỏ khơng vượt q 0,5m 2/g, đóng góp khơng đáng kể, chúng
hoạt động như một kênh cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới các
mao quản nhỏ hơn.
1.1.3.2. Đặc tính hóa học bề mặt
5


Ngồi thành phần chính là cacbon, than hoạt tính cịn chứa một lượng nhỏ
các nguyên tố khác như hidro, oxi, lưu huỳnh, nitơ,…chúng được đưa vào than
hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình chế tạo. Trên bề mặt than
hoạt tính ln có một lượng oxi liên kết hoá học với nguyên tử cacbon, phức chất
của oxi với cacbon trên than hoạt tính được gọi là các hợp chất bề mặt hay các
nhóm chức bề mặt. Tuỳ theo điều kiện và phương pháp điều chế than hoạt tính
mà lượng oxi tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi.

Do đặc điểm hoạt động của các nguyên tử cacbon, các oxit bề mặt
thường có ở rìa các vi tinh thể và ở các liên kết ngang trên bề mặt than. Các
oxit bề mặt ảnh hưởng đến tính chất phân cực của bề mặt than tạo nên tính ưa
nước. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính với các chất phân cực khác nhau
cũng phụ thuộc vào các nhóm chức bề mặt này [15].
Các nhóm chức bề mặt của than hoạt tính biểu hiện một trong hai đặc
tính: axit hoặc bazơ. Đặc trưng cho các nhóm chức bề mặt axit là các nhóm
cacboxyl, lacton, hydroxyl...và đặc trưng cho các nhóm chức bề mặt bazơ
thường là các nhóm amin, pyron, chromen.... [24]. Các nhóm chức có đặc tính
axit, đặc biệt là nhóm cacboxyl làm cho bề mặt của than phân cực hơn và do
đó làm tăng ái lực của chúng với nước do tạo thành liên kết hiđro.

Hình 1.2: Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt
tính 1.1.4. Quy trình chế tạo than hoạt tính
6

Quy trình chế tạo than hoạt tính thường được tiến hành theo hai giai
đoạn: than hóa và hoạt hóa.
1.1.4.1. Quá trình than hóa
Than hóa là q trình dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu ban đầu về
dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ, tạo mao
quản ban đầu cho than. Để tránh hiện tượng tro hóa, q trình than hóa được
thực hiện trong mơi trường khí trơ, trong lị yếm khí hoặc chân khơng. Nhiệt
độ than hoá thường trong khoảng 350 - 500 0C, nhiệt độ quá cao làm cho than
bị trơ khó hoạt hố. Q trình than hóa có thể thực hiện trong cả ba pha rắn,
lỏng và khí tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu.
- Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu ban đầu có bản chất thực vật như
gỗ, tre, sọ dừa, vỏ lạc, vỏ trấu,.. chúng được cấu tạo từ những hệ phân tử lớn.
Sử dụng nhiệt độ để phân hủy và phá vỡ những liên kết nhằm tạo ra những
phân tử nhỏ hơn.
Trong quá trình này, một số chất dễ phân hủy thường được giải phóng
dưới dạng khí hoặc chất lỏng để lại các mao quản như đã nêu trên. Than thu
được, do đó ln có tỷ trọng nhỏ hơn nguyên liệu ban đầu.
-

Than hóa trong pha lỏng: Nguyên liệu ban đầu là vịng thơm, hắc ín, q

trình than hóa có cơ chế hồn tồn khác với pha rắn. Than tạo ra có dạng graphit
khơng có mao quản, để tạo ra mao quản cần có sự tác động lên các lớp graphit.
-

Than hóa trong pha khí: Ngun liệu ban đầu là những ankan như

metan, propan hoặc benzen trộn với khí heli. Q trình than hóa được thực

hiện ở áp suất tương đối thấp.
Đối với các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau thì cách thức hình thành
mao quản ban đầu cũng như cơ chế hình thành than có đặc điểm riêng và hồn
tồn khác nhau. Do đó, nguồn ngun liệu khác nhau sẽ tạo ra những cấu trúc
than hoạt tính khác nhau. Sau q trình than hóa, than thu được có diện tích

7


bề mặt thấp, độ xốp không cao, hệ thống mao quản chưa phát triển... Để tăng
khả năng hấp phụ của than, ta phải tiến hành bước tiếp theo là hoạt hóa than.
1.1.4.2. Q trình hoạt hóa
Hoạt hóa là q trình nâng cao hoạt tính cho than sau q trình than
hóa. Bản chất của hoạt hóa là q trình bào mịn mạng lưới tinh thể cacbon
dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, nhằm tạo độ xốp cho than bằng
một hệ thống mao quản có kích thước khác nhau, ngồi ra cịn có thể tạo ra
các tâm hoạt động bề mặt. Có hai phương thức hoạt hóa là hoạt hóa vật lý và
hoạt hóa hóa học.
a. Hoạt hóa vật lý (Hoạt hóa nhiệt)
Hoạt hóa vật lý thường được tiến hành ở nhiệt độ từ 800 - 1100 oC với
tác nhân hoạt hóa là hơi nước, CO2 và oxi khơng khí. Khi hoạt hóa bằng oxi
khơng khí, cacbon sẽ bị oxi hóa thành CO 2, vì thế cần kiểm sốt khơng khí
trong q trình hoạt hóa. Các phản ứng hóa học xảy ra:
+ Hoạt hố bằng oxi khơng khí:
Cn + O2 → CO + Cn-1 + Q (thiếu oxy)
Cn + O2 → CO2 + Cn-1 + Q (thừa oxy)
+

Hoạt hoá bằng hơi nước:
Cn + H2O → CO + Cn-1 + H2 - Q

C+H2O→CO+H2
CO+C(O)→CO2+C

+ Hoạt hoá bằng CO2:
C+CO2→CO+C(O)
C(O) → CO
CO + C → C(CO)
Các khí thốt ra ngồi và để lại lỗ trống trên bề mặt than. Đây chính là
những mao quản được hình thành trong q trình hoạt hóa. Ban đầu các mao
quản tạo ra có kích thước nhỏ. Nếu thời gian tiếp xúc càng kéo dài thì
8


kích thước các mao quản sẽ ngày càng tăng lên. Tùy thuộc vào đặc tính của
than hoạt tính cần sử dụng mà chúng ta sẽ chọn điều kiện hoạt hóa hợp lý
[15]. Hoạt hóa vật lý thường được áp dụng cho than có cấu trúc rắn chắc như
than có nguồn gốc từ than đá, than bùn, xơ dừa, vỏ lạc, gỗ...
b. Hoạt hóa hóa học
Tác nhân hoạt hóa thường dùng là các hợp chất hóa học như ZnCl 2,
Na2CO3, K2CO3, H3PO4,… Than sau khi than hóa được trộn với các chất hoạt
hóa. Q trình hoạt hóa thường được tiến hành ở nhiệt độ 450 - 9000C.
Các chất hoạt hóa có tác dụng như chất ổn định, đảm bảo rằng than
không bị xẹp trở lại. Chúng sẽ lấp đầy các mao quản ban đầu và mở rộng kích
thước của chúng. Kết quả là than sau khi hoạt hóa sẽ có cấu trúc rất xốp và
thường chứa đầy các chất hoạt hóa. Sau đó than được rửa sạch và tiếp tục các
bước sản xuất tiếp theo. Hoạt hóa hóa học thường được sử dụng nhiều hơn do
ưu điểm về nhiệt độ cũng như thời gian hoạt hóa so với hoạt hóa vật lý [15].
Hoạt hóa hóa học thường được áp dụng cho than có nguồn gốc thực vật

.

Hình 1.3: Quy trình sản xuất than hoạt tính
với 2 giai đoạn là than hóa và hoạt hóa
Tuy nhiên, sản xuất ra than hoạt tính thành phẩm dựa vào 2 bước như
trên là cách làm theo công nghệ cũ. Việc này sẽ không đảm bảo được đầu ra
cho sản phẩm chất lượng nhất vì trong quá trình vận chuyển thường sẽ bị
nhiễm tạp chất và làm vụn than.
Hiện nay với công nghệ mới nhất, quy trình sản xuất than hoạt tính chỉ
cịn duy nhất 1 cơng đoạn là đưa ngun liệu vào lị. Lị này sẽ xử lý cả 2 quy
9


trình than hố và hoạt hố một cách liền mạch, thống nhất để cho ra sản phẩm
chất lượng nhất.
1.2. Nước thải dệt nhuộm
1.2.1. Đặc điểm về ngành dệt nhuộm
Trong những năm gần đây, cơng nghiệp dệt Việt Nam có những bước
phát triển đáng kể, điều đó khơng chỉ do nhu cầu may mặc ngày càng cao, mà
cịn do cơng nghệ tiên tiến tạo ra nhiều loại sản phẩm, mẫu mã đa dạng, chất
lượng cao, bắt kịp thị hiếu người tiêu dùng. Dệt may hiện đang là mặt hàng
xuất khẩu mũi nhọn, kim ngạch xuất khẩu ngày càng tăng. Kim ngạch xuất
khẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019 được thể hiện qua bảng:
Bảng 1.1: Kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019
Nước
Kim
ngạch
xuất
khẩu
(USD)

Nhìn vào kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may đem lại có thể thấy đây là

ngành công nhiệp chủ lực, đưa Việt Nam phát triển hơn trên thị trường Thế
giới. Bên cạnh đó, ngành cơng nghiệp dệt nhuộm cũng có nhiều thay đổi,
khơng chỉ cịn những nhà máy, xí nghiệp quốc doanh, mà ngày càng có nhiều
xí nghiệp mới ra đời. Kết quả khảo sát cho thấy hầu hết các nhà máy đều nhập
thiết bị, hoá chất từ nhiều nước khác nhau:
-

Thiết bị: Mỹ, Đức, Nhật, Ba Lan, Ấn Độ, Đài Loan, …

-

Thuốc nhuộm: Nhật, Đức, Thụy Sĩ, Anh, …
10


-

Hóa chất cơ bản: Trung Quốc, Ấn Độ, Đài Loan, Việt Nam, …

Tuy nhiên, với khối lượng lớn hóa chất sử dụng, nước thải ngành dệt
nhuộm có mức ơ nhiễm cao do một lượng lớn chất nhuộm màu đã bị thải ra
môi trường, đã và đang ngày càng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng đối với
hệ sinh thái.
Công nghiệp dệt sử dụng một lượng lớn nước và nước thải ngành dệt là
tổng hợp nước thải công nghiệp phát sinh từ tất cả các công đoạn hồ sợi, nấu
tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hồn tất, trong đó, chủ yếu là nước
dùng cho q trình nhuộm và hoàn tất sản phẩm. Mặc dù thành phần chất rắn
lơ lửng gồm dư lượng chất nhuộm đã liên tục giảm xuống nhờ áp dụng công
nghệ mới, song do tác hai của chúng đối với hệ sinh thái, cũng như việc thải
ra một lượng nước thải quá lớn, dệt nhuộm được đánh giá là ngành công

nghiệp gây ô nhiễm nhất trong số các ngành công nghiệp. Và các chất nhuộm
là tác nhân gây ô nhiễm cần phải loại bỏ để làm sạch mơi trường vì chúng làm
cho dịng nước thải có màu đậm đặc, ngăn cản quá trình quang hợp của các
thực vật, gây tác động xấu đối với hệ sinh thái.
1.2.2. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm
Trong quá trình sản xuất, nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm chủ yếu
ở

các khâu giặt, làm mềm vải hay nhuộm.
Nước được sử dụng rất nhiều trong quá trình xử lý vải ướt. Lượng nước

sử dụng thay đổi theo từng công đoạn và mặt hàng xử lý. Trong cùng một
cơng đoạn thì việc sử dụng nước thải cũng khác nhau tùy theo loại thiết bị. Có
khoảng 88% nước sử dụng được thải ra dưới dạng nước thải và 12% thoát ra
do bay hơi.

11


Hình 1.4: Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình nhuộm [21]
1.2.3. Sơ lược về thuốc nhuộm
1.2.3.1. Khái niệm về thuốc nhuộm
Thuốc nhuộm là tên chỉ chung của những chất hữu cơ có màu, hấp thụ
mạnh một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng
gắn kết vào vật liệu dệt trong những điều kiện quy định (tính gắn màu).
12


Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Hiện nay
con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp. Đặc điểm nổi bật của

các loại thuốc nhuộm là độ bền màu và tính chất khơng bị phân hủy. Màu sắc
của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học: một cách chung nhất, cấu
trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu.
Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đơi liên hợp với hệ
electron π không cố định như: > C = C < , > C = N −, − N = N −, −NO2 …
Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận electron như: −NH2 ,
−COOH , −SO3 H , −OH … đóng vai trị tăng cường của nhóm mang màu
bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử [8].
1.2.3.2. Phân loại về thuốc nhuộm
a. Phân loại theo cấu trúc hố học
Nó có thể được chia thành: thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm anthraquinone,
thuốc nhuộm arylmethane, thuốc nhuộm chàm, thuốc nhuộm lưu huỳnh, thuốc
nhuộm phthalocyanine, thuốc nhuộm nitro và nitroso, ngoài các loại thuốc nhuộm
cấu trúc khác, như thuốc nhuộm methine và polymethine thuốc nhuộm.

b. Phân loại theo đặc tính áp dụng
Nó có thể được chia thành: thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm axit,
thuốc nhuộm cation, thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm azo khơng hịa tan,
thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu huỳnh,
thuốc nhuộm polycondensation, chất làm trắng huỳnh quang, ngoài ra, thuốc
nhuộm oxy hóa cho vải dệt, thuốc nhuộm dung mơi, thuốc nhuộm
polypropylen và màu thực phẩm cho thực phẩm.
Ở

đây chúng tôi chỉ đề cập đến thuốc nhuộm nhằm làm sáng tỏ hơn về

loại thuốc nhuộm sử dụng trong phần thực nghiệm của luận văn.
Thuốc nhuộm azo: Nhóm mang màu là nhóm azo phân tử thuốc nhuộm
có một nhóm azo (monoazo) hay nhiều nhóm azo (điazo, triazo, polyazo) [8].

13