Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng xử lý một số chất ô nhiễm trong nước

LỜI CẢM ƠN
Qua 4 năm học tập và rèn luyện tại trƣờng Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp dƣới
sự giảng dạy nhiệt tình của các q thầy cơ. Đến nay đƣợc sự phân công của khoa
Quản lý tài nguyên rừng và môi trƣờng, sự đồng ý của giáo viên hƣớng dẫn Nguyễn
Thị Ngọc Bích tơi đã thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo
than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng xử lý một số chất ơ nhiễm trong
nước”.
Để hồn thành khóa luận tốt nghiệp này tôi xin gửi lời cảm ơn tới :
Ban giám hiệu trƣờng Đại học Lâm Nghiệp đã tạo môi trƣờng học tập, rèn
luyện tốt nhất cho tôi. Các quý thầy cô giáo khoa quản lý tài nguyên rừng và môi
trƣờng đã tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
rèn luyện tại trƣờng .
Xin cảm ơn cán bộ, giáo viên trung tâm phân tích môi trƣờng và ứng dụng
công nghệ địa không gian đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian nghiên
cứu.
Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Ths. Nguyễn Thị Ngọc Bích,
Ths. Nguyễn Thị Bích Hảo là ngƣời đã tận tình dẫn dắt, truyền đạt kiến thức, kinh
nghiệm, và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi thực hiện khóa luận này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ
và giúp đỡ tôi và trong suốt q trình học tập và thực hiện khóa luận.
Xin chân thành cảm ơn!
Xuân mai ngày ….. tháng ….. năm 2017
Sinh viên
Nguyễn văn Bình


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TĂT
DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................3
1.1 Than hoạt tính .......................................................................................................3
1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính .....................................................................3
1.1.2 Nguồn gốc than hoạt tính ...................................................................................4
1.1.3 Tính chất vật lý và hóa học của than hoạt tính...................................................4
1.1.4 Phƣơng pháp chế tạo than hoạt tính ...................................................................7
1.1.5 Cơ sở lý thuyết của hấp phụ .............................................................................12
1.1.6 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ..............................................19
1.1.7 Ứng dụng của than hoạt tính. ...........................................................................20
1.2. Cây Sắn ..............................................................................................................21
1.2.1 Phân loại khoa học ...........................................................................................21
1.2.2 Đặc điểm sinh học ............................................................................................21
1.2.3 Đặc điểm thực vật học......................................................................................22
1.2.4 Nguồn gốc, phân bố .........................................................................................23
1.2.5 Sinh thái ...........................................................................................................24
1.2.6 Vai trò của cây sắn ...........................................................................................24
1.2.7 Tình hình sản xuất sắn trên thế giới và Việt Nam............................................24
1.2.8 Tình hình xử lý phụ phẩm từ cây sắn ...............................................................25
CHƢƠNG II MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ..........................................................................................................27
2.1 Mục tiêu ..............................................................................................................27
2.1.1 Mục tiêu chung .................................................................................................27
2.1.2 Mục tiêu cụ thể .................................................................................................27
2.2 Đối tƣợng nghiên cứu..........................................................................................27


2.3 Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................27
2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu.....................................................................................28

2.4.1 Phƣơng pháp kế thừa tài liệu............................................................................28
2.4.2 Phƣơng pháp lấy mẫu cây Sắn .........................................................................28
2.4.3 Phƣơng pháp tổng hợp than hoạt tính ..............................................................28
2.4.4 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................................35
2.4.5 Khảo sát khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ thân cây sắn........................36
2.4.6 Phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu trong nƣớc ...............................................39
CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................43
3.1 Kết quả chế tạo than hoạt tính bằng thân cây sắn ..............................................43
3.1.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ ngâm tẩm đến quá trình tạo than ..43
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ hóa chất ngâm tẩm đến q trình tạo than......44
3.1.3. Đánh giá đặc tính của than từ thân cây sắn .....................................................46
3.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ crom của than hoạt tính từ thân cây sắn.....51
3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý Mn 2+ của than hoạt tính từ thân cây sắn .......53
3.3.1. Khảo sát khả năng hấp phụ Mn2+ bằng mơ hình tĩnh ......................................53
3.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của than hoạt tính với mơ hình hấp phụ
động ...........................................................................................................................56
3.4. Kết quả khảo sát khả năng xử chất hữu cơ và độ màu của than hoạt tính từ thân
cây sắn .......................................................................................................................58
3.4.1. Khảo sát khả năng xử lý chất hữu cơ của than hoạt tính từ thân cây sắn .......58
3.4.2. Kết quả xử độ màu của than hoạt tính từ thân cây sắn. ..................................60
3.5. Kết quả xử lý độ đục của than hoạt tính ............................................................61
KẾT LUẬN – TỒN TẠI – KIẾN NGHỊ ..................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................66
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TĂT

SEM

Scanning Electron Microscope

COD

chemical oxygen demand

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

DPC

Diphenyl cacbazit

STT

Số thứ tự


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Danh mục hóa chất cần thiết ....................................................................29
Bảng 2.2: Danh mục thiết bị cần thiết .......................................................................29
Bảng 2.3: Danh mục dụng cụ cần thiết .....................................................................30
Bảng 2.4: Chƣơng trình khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ ........................................31
Bảng 2.5: Ký hiệu mẫu thí nghiệm 1 ........................................................................32
Bảng 2.6: Chƣơng trình khảo sát ảnh hƣơng của tỷ lệ hóa chất ngâm tẩm ..............33
Bảng 2.7: Ký hiệu mẫu thí nghiệm 2 ........................................................................34
Bảng 3.2: So sánh khả năng hấp phụ crom của các mẫu than khác nhau .................53
Bảng 3.3 : Hiệu suất xử lý mangan của than hoạt tính .............................................54

Bảng 3.4: So sánh hiệu suất hấp phụ Mn2+ giữa các loại than hoạt tính...................55
Bảng 3.6: Hiệu suất xử lý COD của các loại than hoạt tính .....................................59
Bảng 3.7: Kết quả xử lý độ màu của than hoạt tính ..................................................60
Bảng 3.8: Kết quả xử lý độ đục cua than hoạt tính ...................................................61


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .......................................................17
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Cf/q và Cf .....................................................................17
Hình 2.1: Quy trình chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn.......................................31
Hình 2.2: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM ..............................................35
Hình 2.3: Cột hấp phụ mangan .................................................................................38
Hình 3.1 Vật liệu trƣớc khi tẩm axit .........................................................................43
Hình 3.2: Mẫu TN1.M1 ............................................................................................43
Hình 3.3 : Mẫu TN1.M2 ...........................................................................................44
Hình 3.4 : Mẫu TN1.M3 ...........................................................................................44
Hình 3.5: Mẫu than TN2.M1.....................................................................................45
Hình 3.6: Mẫu than TN2.M3.....................................................................................45
Hình 3.7: Mẫu than TN2.M2.....................................................................................45
Hình 3.8: Mẫu than trấu ............................................................................................46
Hình 3.9: Mẫu than chè .............................................................................................46
Hình 3.10 : Ảnh SEM chụp than hoạt tính từ cây sắn ở điểm ảnh 50µm .................46
Hình 3.11: Ảnh chụp than hoạt tính từ cây sắn ở điểm ảnh 100µm .........................47
Hình 3.12: Ảnh chụp than hoạt tính từ cây sắn ở điểm ảnh 200µm .........................47
Hình 3.13: Ảnh chụp mẫu than bã chè điểm ảnh 50 µm ..........................................48
Hình 3.14: Ảnh chụp mẫu than trấu điểm ảnh 50 µm ..............................................48
Hình 3.15: Ảnh chụp mẫu than bã chè với điểm ảnh 100 µm ..................................48
Hình 3.16 : Ảnh chụp mẫu than trấu ở điểm ảnh 100 µm .......................................48
Hình 3.17: Ảnh chụp mẫu than bã chè ở điểm ảnh 200 µm .....................................49
Hình 3.18 : Ảnh chụp mẫu than trấu ở điểm ảnh 200 µm ........................................49

Hình 3.19: Diện tích bề mặt riêng của các than trong cùng điều kiện than hóa ......50
Hình 3.20: Biểu đồ hiệu suất hấp phụ crom tại các khối lƣợng than khác nhau ......52
Hình 3.21: Dung dịch hiện màu crom sau hấp phụ ...................................................52
Hình 3.22: Biểu đồ thể hiện hiệu suất hấp phụ crom của các mẫu than khác nhau .53
Hình 3.23: Dung dịch sau khi hiện màu mangan ......................................................54
Hình 3.24: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa khối lƣợng than hoạt tính với hiệu
suất hấp phụ...............................................................................................................55


Hình 3.25: Biểu đồ so sánh hiệu suất hấp phụ Mn2+ của các loại than hoạt tính ......56
Hình 3.26: Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Mn2+ trên mơ hình hấp phụ động .................58
Hình 3.27: Biểu đồ thể hiện hiệu suất xử lý chất hữu cơ của các loại than hoạt tính ...... 59
Hình 3.28: Kết quả xử lý độ màu của than hoạt tính từ thân cây sắn .......................60
Hình 3.29: Biểu đồ thể hiện khả năng xử lý độ màu của than hoạt tính từ thân cây
sắn..............................................................................................................................61
Hình 3.30: Biểu đồ thể hiện kết quả xử lý độ đục của các khối lƣợng than khác
nhau ...........................................................................................................................62
Hình 3.31: Biểu đồ so sánh hiệu suất xử lý độ đục của các loại than hoạt tính .......62


TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG
TĨM TẮT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên khóa luận: “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng
xử lý một số chất ô nhiễm trong nước”
1. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Bình
2. Giáo viên hƣớng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Ngọc Bích
Ths. Nguyễn Thị Bích Hảo
3. Mục tiêu nghiên cứu
3.1. Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu đề xuất một loại vật liệu hấp phụ mới, hiệu quả hấp phụ cao, giá
thành rẻ. Kết quả của đề tài là cơ sở để ứng dụng xử lý một số chất ô nhiễm trong
nƣớc thải bằng hấp phụ sử dụng than hoạt tính.
3.2. Mục tiêu cụ thể:
- Tổng hợp than hoạt tính từ thân cây sắn và ứng dụng để xử lý một số chất ô
nhiễm trong nƣớc.
4. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện các mục nêu trên khóa luận tốt nghiệp giải quyết các nội dung nhƣ
sau:
- Nghiên cứu, bố trí thí nghiệm tổng hợp than hoạt tính từ cây sắn
- Ứng dụng sản phẩm than hoạt tính tổng hợp đƣợc trong xử lý mơi trƣờng nƣớc
+ Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng Mangan (Mn2+), Crom trong môi
trƣờng nƣớc.
+ Khảo sát khả năng xử lý một số thông số trong nƣớc thải dệt nhuộm nhƣ:
COD, độ màu, độ đục.
- Đề xuất hƣớng ứng dụng cho sản phẩm than hoạt tính tổng hợp từ thân cây
sắn.


5. Những kết quả đạt đƣợc
Trên cơ sở các thí nghiệm tổng hợp than hoạt tính từ thân cây sắn ta rút ra một số
kết luận sau:
Tổng hợp than hoạt tính từ thân cây sắn bằng phƣơng pháp oxy hóa với tác nhân
là axit H2SO4 98% sản phẩm đƣợc tạo ra có cấu trúc bề mặt phát triển. Bao gồm
hệ thống lỗ mao quản dày đặc. Bề mặt nhiều nếp gấp, diện tích bề mặt lớn.
Than hoạt tính từ thân cây sắn có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng nhƣ :
Crom trong nƣớc thải dệt nhuộm (hiệu suất 99.35%), Mangan ( hiệu suất 95.64%
), than hoạt tính hấp phụ tốt đối với cả mơ hình tĩnh và mơ hình động.
Dung lƣợng hấp phụ cực đại đối với mangan là 10.0105mg/g với tốc độ dịng là
2.5ml/phút.

Ngồi kim loại nặng than hoạt tính từ thân cây sắn cịn xử lý tốt các chất hữu cơ
trong nƣớc thải dệt nhuộm hiệu suất lên tới 95.71%. Xử lý độ đục với hiệu suất là
75.09%.
Hiệu suất xử lý độ màu của than hoạt tính là 96.47%.
Than hoạt tính từ thân cây sắn khơng chỉ đem lại hiệu quả xử lý tốt có khả năng
thay thế một số loại vật liệu hấp phụ trên thị trƣờng mà cịn có giá thành rẻ thân
thiện với môi trƣờng. Vừa tạo ra vật liệu lọc hiệu quả vừa xử lý đƣợc phụ phẩm
nông nghiệp. Trên các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy tiềm năng ứng dụng
than hoạt tính từ thân cây sắn làm vật liệu lọc để ứng dụng trong thực tế là rất
lớn. Tuy nhiên cần nghiên cứu thêm các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình tạo than
để có thể tạo ra mẫu than với chất lƣợng tốt nhất, tính ứng dụng cao.


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền cơng nghiệp nƣớc
ta, tình hình ơ nhiễm môi trƣờng cũng gia tăng đến mức báo động. Do đặc thù của
nền công nghiệp mới phát triển, chƣa có sự quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên
nhân khác nhau nhƣ: điều kiện kinh tế của nhiều xí nghiệp cịn khó khăn hoặc do
chí phí xử lý ảnh hƣởng đến lợi nhuận nên hầu nhƣ chất thải công nghiệp của nhiều
nhà máy chƣa đƣợc xử lý mà thải thẳng ra môi trƣờng. Mặt khác nƣớc ta là một
nƣớc đông dân, có mật độ dân cƣ cao, nhƣng trình độ nhận thức của con ngƣời về
mơi trƣờng cịn chƣa cao. Điều đó dẫn tới sự ơ nhiễm trầm trọng của mơi trƣờng
sống, ảnh hƣởng đến sự phát triển tồn diện của đất nƣớc, sức khoẻ, đời sống của
nhân dân cũng nhƣ mỹ quan của khu vực.
Trƣớc các thách thức về môi trƣờng chúng ta đã nghiên cứu và ứng dụng
hàng loạt các biện pháp khác nhau cả về vật lý, hóa học, hóa lý và hóa sinh để loại
bỏ ơ nhiễm. Một trong những phƣơng pháp đƣợc ƣa chuộng là phƣơng pháp hấp
phụ.
Hấp phụ là phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu phát triển từ rất lâu và đem lại độ
hiệu quả cao. Con ngƣời chế tạo vật liệu hấp phụ để xử lý ô nhiễm môi trƣờng

nƣớc, ô nhiễm môi trƣờng khơng khí, sử dụng trong các sản phẩm dân dụng, quốc
phòng... trong các loại vật liệu hấp phụ phải kể đến than hoạt tính. Đây là loại vật
liệu dễ tổng hợp, hiệu quả hấp phụ cao đang đƣợc sử dụng rộng rãi nhất.
Than hoạt tính tuy đem lại hiệu quả xử lý cao tuy nhiên giá thành không phải
là rẻ, việc tìm ra một loại vật liệu chế tạo sẵn có, phổ biến có thể ứng dụng rộng rãi
là rất cần thiết. Các loại phụ phẩm nông nghiệp là đối tƣợng mà các nhà khoa học
hƣớng tới nhiều. Lý do là vì sử dụng phụ phẩm nơng nghiệp để chế tạo than hoạt
tính vừa có vật liệu hấp phụ để xử lý ô nhiễm, vừa tận dụng đƣợc nguồn thải từ
nông nghiệp vô cùng lớn tránh làm ô nhiễm môi trƣờng.
Ở Việt Nam đã nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ một số loại phụ phẩm
nơng nghiệp nhƣ gáo dừa, sơ dừa,.. Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng các sản phẩm
than hoạt tính đƣợc sản xuất ra có giá thành tƣơng đối cao và chủ yếu đƣợc xuất
khẩu sang nƣớc ngoài. Nguyên nhân là do các phụ phẩm này ngoài tác dụng làm

1


than hoạt tính thì cịn có giá trị về thủ công mỹ nghệ nên giá thành thu mua nguyên
liệu cũng từ đó mà tăng lên. Trong khi đó cịn có một loại phế phẩm nông nghiệp
với hàm lƣợng cacbon trong thành phần cao có tiềm năng lớn trong việc chế tạo
thành vật liệu hấp phụ là thân cây sắn thì lại ít đƣợc quan tâm.
Vì các lý do trên tơi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than hoạt
tính từ thân cây sắn và ứng dụng xử lý một số chất ơ nhiễm trong nước” với mong
muốn góp một phần nhỏ trong công cuộc bảo vệ môi trƣờng.

2


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Than hoạt tính
1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính
Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng,
than hoạt tính là một dạng của cacbon đã đƣợc xử lý để mang lại một cấu trúc rất
xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn.
Than hoạt tính là chất hấp phụ linh hoạt, đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều
mục đích nhƣ loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ
trong nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung mơi, làm sạch khơng khí,
trong kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí từ khí thải cơng nghiệp và khí thải động cơ,
trong làm sạch nhiều hóa chất, dƣợc phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng
trong pha khí. Chúng đƣợc 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 đƣợc
biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, đƣợc sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi
khuẩn của một số bệnh nhất định [17].
Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lƣợng khoảng 85 –
95%. Bên cạnh đó than hoạt tính cịn chứa các ngun tố khác nhƣ hidro, nitơ, lƣu
huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này đƣợc tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban
đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các q trình khác.
Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thƣờng là 88% C, 0.5% H, 0.5% N,
1%S, 6 – 7% O. Tuy nhiên hàm lƣợng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế [19].
Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến
1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0.2 đến 0.6cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ
yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm.
Hiện nay trên thị trƣờng than hoạt tính đƣợc bán với 3 dạng chủ yếu
+ Than hoạt tính dạng bột
+ Than hoạt tính dạng hạt
+ Than hoạt tính cải tiến (dƣới áp suất cao) thƣờng là dạng viên

3

1.1.2 Nguồn gốc than hoạt tính
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa đƣợc sử dụng từ nhiều thế kỷ trƣớc.
Ngƣời Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trƣớc công nguyên làm chất hấp phụ
cho mục đích chữa bệnh. Ngƣời Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nƣớc uống của họ bằng
cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong cơng nghiệp bắt đầu từ
khoảng năm 1900 và đƣợc sử dụng làm vật liệu tinh chế đƣờng.
Than hoạt tính cịn đƣợc sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến
thứ nhất.
- Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hơi ở những vết thƣơng có
tính hoại tử.
- Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tƣợng hấp phụ trên than gỗ.
- Năm 1777 Phôn-tan-na đã đƣa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngƣợc
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 đƣờng mía
- 1805 Gu-li-on đã dung than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đƣờng.
Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạo than tẩy
màu.
-Than đƣợc 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 đƣợc hấp thụ tốt hơn NH3, N2 , H2
[17,18].
Ở nƣớc 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.
1.1.3 Tính chất vật lý và hóa học của than hoạt tính
1.1.3.1 Tính chất vật lý
a. Kích thƣớc hạt
Có nhiều nhiều phƣơng pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên các loại

than hoạt tính có nhiều tính chất, hình dạng và kích thƣớc hạt khác nhau. Trƣớc khi
đƣa vào sử dụng cần xác định đƣợc các thơng số nhƣ kích thƣớc hạt và diện tích bề

4


mặt riêng của hạt than, vì những thơng số này là một trong những nhân tố ảnh
hƣởng trực tiếp đến tính chất của than hoạt tính.
Ngƣời ta thƣờng sử dụng hai phƣơng pháp để xác định kích thƣớc hạt than là:
- Phƣơng pháp hiển vi điện tử
- Phƣơng pháp hấp phụ lên bề mặt
Phƣơng pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho giá trị đƣờng
kính trung bình hạt than với các phƣơng pháp sản xuất khác nhau. Ví dụ than máng
có đƣờng kính hạt trung bình là 100 ÷ 300 Å; than sản xuất bằng lị lỏng có đƣờng
kính hạt trung bình là 180 ÷ 600 Å; than sản xuất bằng lị khí có đƣờng kính hạt
trung bình là 400 ÷ 800 Å. Phƣơng pháp nhiệt phân cho than hoạt tính có đƣờng
kính hạt trung bình lớn nhất là 1400 ÷ 4000 Å.
b. Cấu trúc than hoạt tính
Cấu trúc của than hoạt tính đƣợc đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc
bậc nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phƣơng pháp sản
xuất và nguyên liệu đầu đƣa vào để sản xuất than. Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh
nhất trong than sản xuất bằng phƣơng pháp lò. Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho
cấu trúc có độ bền cao. Số lƣợng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài
hạt đối với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao.
Trong thời gian bảo quản, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc
với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hai của than hoạt tính. Mức độ
bền vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu trúc bậc
nhất và dao động trong khoảng độ bền của liên kết Van der Waals đến độ bền liên
kết hydro có trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích
thƣớc càng nhỏ, mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lƣợng các nhóm chứa oxy

trên bề mặt than càng cao [9].
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 lƣợng dầu đƣợc than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu
của than). Trị số dầu của than họa tính là lƣợng dầu hay lƣợng chất lỏng khơng bốc
hơi (ml), trơ hóa học với than hoạt tính đƣợc hấp phụ lên bề mặt của than họa tính
tạo thành bột nhão. Theo lý thuyết, lƣợng dầu hấp phụ này chính là khoảng khơng
gian giữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia. Nếu cấu trúc của

5


than càng lớn, mức độ kết bó chặt chẽ của than giảm, lƣợng dầu cần thiết để trộn
miết với than càng nhiều hơn. Nhƣ vậy, trị số dầu là đại lƣợng tổng hợp để đánh giá
giá trị diện tích bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính.
c. Khối lƣợng riêng
Khối lƣợng riêng của than hoạt tính là đại lƣợng phụ thuộc vào phƣơng pháp
xác định nó. Chẳng hạn, nếu nhƣ dùng rƣợu, axeton để xác định khối lƣợng riêng
của than hoạt tính thì rƣợu 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. Nhƣ vậy, thể tích do các hạt than
chiếm sẽ lớn và khối lƣợng riêng sẽ nhỏ hơn khối lƣợng riêng thực của than. Khối
lƣợng riêng của than hoạt tính xác định bằng phƣơng pháp này dao động trong
khoảng từ 1800 ÷ 1900 km/m3. Khi xác định khối lƣợng riêng của than hoạt tính
trong heli lỏng, thu đƣợc giá trị từ 1900 ÷ 2000 kg/m3. Khối lƣợng riêng của than
hoạt tính đƣợc tính tốn 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 khơng khí, vì thế khối lƣợng 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 lƣợng riêng càng nhỏ.
Qua ứng dụng của than hoạt tính, ngƣời ta thấy rằng giá trị khối lƣợng riêng
1860 kg/m3 thƣờng đƣợc sử dụng khá phổ biến.

1.1.3.2 Tính chất hóa học của than hoạt tính
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 vịng cacbon, vị trí sắp
xếp các ngun tử cacbon trong vịng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon
trong benzen. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học nhƣ
sau:
Khoảng 3 ÷ 7 mạng cacbon phẳng sắp xếp thành từng lớp, mạng này lên mạng
khác, nhƣng khơng trồng khít và chính xác nhƣ 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 tƣơng ứng ở hai mạng kề nhau là 3.6 ÷ 3.7 Å.

6


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 lƣợng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thƣớc
của hạt than, chẳng hạn than hoạt tính đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp khuếch tán
MacDG – 100 chứa khoảng 5000 ÷ 10000 tinh thể [18;9].
Trong q trình sản xuất, do có sự va chạm, khuấy trộn, các hạt than sơ khai
thƣờng 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 thƣớc của hạt để giảm năng lƣợng tự do bề
mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thƣớc của chuỗi phụ thuộc vào tính
chất của từng loại than. Các chuỗi hạt nhƣ vậy đƣợc gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của
than hoạt tính. Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các ngun tử cacbon nằm
ở mặt ngồi (cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn, và vì vậy, nó là
trung tâm của các q trình oxy hóa tạo cho bền mặt than hoạt tính hàng loạt các
nhóm hoạt động hóa học khác nhau.
Ngồi cacbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính cịn có hydro, lƣu

huỳnh, oxy và các chất khác. Các nguyên tử này đƣợc đƣa vào than hoạt tính cùng
với nguyên liệu đầu và trong q trình oxy hóa. Sự có mặt của các hợp chất chứa
oxy trên bề mặt than hoạt tính đƣợc chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù
trong nƣớc của than hoạt tính.
1.1.4 Phương pháp chế tạo than hoạt tính
Than hoạt tính chủ yếu đƣợc điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô
chứa cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000oC.
Quá trình điều chế gồm 2 bƣớc: Than hóa ở nhiệt độ dƣới 800oC trong mơi
trƣờng trơ và sự hoạt hóa sản phẩm của q trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950o –
1000oC.
1.1.4.1 Q trình than hóa
Q trình than hóa là q trình phân hủy nhiệt ngun liệu để đƣa nguyên
liệu ban đầu và dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ và tạo
mao quản ban đầu. Q trình than hóa có thể thực hiện đƣợc trong cả ba pha rắn,
lỏng, khí [12].
7


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 lƣợng phân tử thấp.
Than hóa trong pha lỏng: Sử dụng các ngun liệu nhƣ vịng thơm, hắc ín
cho phép tạo thành cacbon dạng graphit khơng có mao quản, cần một phản ứng tác
động lên các lớp graphit để tạo ra mao quản.
Than hóa trong pha khí: Ngun liệu ban đầu là các khí nhƣ metan, propan
hoặc benzen trộn với heli. Q trình than hóa thực hiện ở áp suất tƣơng đối thấp.
Nguyên tắc của quá trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt
phân hủy nguyên liệu trong điều kiện khơng có khơng khí. Dƣới rác dụng của nhiệt
từ nhiệt độ thƣờng tới 170°C, vật liệu bị khơ đều; từ 170 ÷ 280°C, vật liệu bị phân
hủy theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần của ngun 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… Q trình cacbon hóa xem
nhƣ kết thúc ở khoảng 400 ÷ 600°C [12].
1.1.4.2 Q trình hoạt hóa
Q trình hoạt hóa trong sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa rất lớn, vì vậy
ngƣời 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 xƣơng
động vật cho than tẩy màu, sọ dừa cho than rắn chắc thích hợp để sản xuất than hấp
phụ khí và hơi..[12].
Thời gian về sau công tác nghiên cứu đi sâu vào cấu trúc xốp của than, ngƣời
ta đã nhận thấy phƣơng pháp than hóa tuy khơng ảnh hƣởng tới thành phần ngun
tố của than nhƣng ảnh hƣởng rõ rệt lên cấu trúc xốp của than, ảnh hƣởng mạnh lên
việc hình thành các sản phẩm do than hóa tạo thành nhƣ hắc ín, than vơ định hình,
... từ đó ảnh hƣởng lên q trình hoạt hóa và ảnh hƣởng lên tính chất than thành
phẩm.
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

8


hợp chất hữu cơ bị phân hủy ở nhiệt độ không cao và khi bị nhiệt phân không tạo ra
cacbua no phân tử lớn, mà loại phân tử này lại chỉ bị phân hủy ở nhiệt độ cao tạo ra
cacbon graphit hóa.
Q trình nhiệt phân phải đƣợc thực hiện nhanh làm giảm thời gian tiếp xúc
giữa cacbon mới đƣợc hình thành và sản phẩm của quá trình nhiệt phân. Tiếp theo
q trình than hóa là q trình hoạt hóa. Mục đích của q 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 phƣơng
pháp:
- Phƣơng pháp hoạt hóa hóa học.
- Phƣơng pháp hoạt hóa hóa lý.
Phƣơng pháp hoạt hóa hóa lý dùng các chất oxy hóa nhƣ hơi nƣớc, dioxit
cacbon... làm tác nhân tác dụng với than nguyên liệu, khi mức độ hoạt hóa chƣa cao
(độ xốp cịn kém) tác nhân hoạt hóa tác dụng với cacbon vơ 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.
Phƣơng pháp này cho năng suất cao, giá thành hạ, ít ăn mịn thiết bị. Tác
nhân hoạt hố thƣờng dùng là khí carbonic, hơi nƣớc và oxy khơng khí.
Hoạt hố bằng oxy khơng khí: Đây là phản ứng tỏa nhiệt, nhƣng cần phải
cung cấp nhiệt ban đầu để khơi mào phản ứng. Trên bề mặt than thƣờng có một số
nhóm chức, điều này thuận lợi cho việc điều chế than oxy hố. Tùy mức độ hoạt
hóa, có thể thu đƣợc 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...
Q trình hoạt hố có thể đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình:

Nhiệt độ hoạt hố cũng gây ảnh hƣởng đến cơ chế phản ứng.

9


Hoạt hoá bằng hơi nước: khi nhiệt độ đạt trên 7500C hơi nƣớc có tính oxy
hố, phản ứng hoạt hố than bằng hơi nƣớc xảy ra theo phƣơng trình sau:

Hydro sinh ra sẽ ức chế quá trình phản ứng, vì vậy phƣơng 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 nƣớc và CO2 địi 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 lị. Vì thế, có thể thiết kế xây dựng lị (lị n ngựa)
khơng dùng nhiên liệu bên ngồi.
Hoạt hóa hóa học: Hoạt hóa hóa học chủ yếu đƣợc sử dụng cho hoạt hóa than
gỗ. Phƣơng pháp này khác với hoạt hóa bằng hơi; trong đó q trình than hóa và
q trình hoạt hóa xảy ra đồng thời. Nguyên liệu thô thƣờng sử dụng là gỗ đƣợc
trộn với chất hoạt hóa và chất hút nƣớc thƣờng đƣợc sử dụng là axit photphoric,
ZnCl2 hoặc H2SO4.
Axit photphoric làm cho gỗ phình ra và mở cấu trúc cenlulose của gỗ. Trong
suốt q trình hoạt hóa axit photphoric hoạt động nhƣ 1 chất ổn định và đảm bảo
rằng than không bị xẹp trở lại. Kết quả là than rất xốp và chứa đầy axit photphoric.
Sau đó than đƣợc rửa và tiếp tục bƣớc sản xuất tiếp theo. Trong các muối vơ 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 nƣớc, độ tan của kẽm clorua trong

10


nƣớc là 31,8 mol/lít ở 25°C. Kẽm clorua bay hơi dung dịch thu đƣợc ZnCl2 khan có
nhiệt độ nóng chảy là 262°C và nhiệt độ sơi 756°C.
Vai trị các tác nhân có thể đã làm thốt biến các phân tử xenluloza, bằng
phản ứng khử nƣớc, 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 dƣới tác dụng của nhiệt, đồng thời ngăn
cách quá trình nhiệt phân tạo ra sản phẩm khơng bị cacbon hóa nhƣ hắc ín.
Cơng nghệ chế tạo than hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học gồm
tẩm tác nhân hoạt hóa vào nguyên liệu sau đó nung ngun liệt đã tẩm bằng lị
nung trong điều kiện khơng có khơng khí. Độ đậm đặc của dung dịch tẩm, tỷ lệ
giữa lƣợng chất dùng làm tác nhân hoạt hóa đối với nguyên liệu, nhiệt độ nung và
thời gian nung cần đƣợc xác định cho thích hợp với từng trƣờng hợp một. Sau khi
đã tham gia quá trình hoạt hóa tác nhân hoạt hóa lại đƣợc tách khỏi sản phẩm và
quay vịng tham gia q trình sản xuất tiếp theo.
Trên thực tế ngƣời ta có thể thực hiện việc biến tính vật liệu và than hóa vật
liệu trong cùng một giai đoạn. Vật liệu đƣợc ngâm tẩm hóa chất theo tỷ lệ nhất
định và đem đi than hóa.
Phƣơng pháp nhiệt phân thƣờng tiêu tốn khá nhiều năng lƣợng cần thực
hiện ở 500 – 1000oC và tổn thất từ 5 -15% khối lƣợng vật liệu. Phƣơng pháp chế
tạo than bằng phƣơng pháp hóa học tỏ ra có nhiều ƣu điểm hơn với quy mơ nghiên
cứu phịng thí nghiệm.
Dựa trên điều kiện phân tích phịng thí nghiệm và với mục đích bƣớc đầu
nghiên cứu khảo sát sự hình thành than hoạt tính từ thân cây sắn. Đề tài lựa chọn
phƣơng pháp “chế tạo than hoạt tính bằng phƣơng pháp hóa học” với tác nhân than
hóa là axit H2SO4 98%. H2SO4 đƣợc ngâm tẩm vào vật liệu với tỷ lệ nhất định. Duy
trì ở nhiệt độ cao làm phá vỡ cấu trúc hoặc thay đổi bản chất hóa học cenlulose của
vật liệu.

11


1.1.5 Cơ sở lý thuyết của hấp phụ
1.1.5.1 Các khái niệm cơ bản
a. Sự hấp phụ
Hấp phụ là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí –

rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng).
Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử
của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả
năng hấp phụ càng mạnh.
Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1g chất hấp phụ.
Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề
mặt chất hấp phụ.
Quá trình hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa các phần tử chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất của lực tƣơng tác mà ngƣời ta phân biệt hấp phụ
vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý đƣợc gây ra bởi lực Vanderwaals (bao gồm ba loại lực:
cảm ứng, định hƣớng, khuếch tán), lực liên kết hidro…đây là những lực yếu, nên
liên kết hình thành khơng bền, dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận
nghịch cao.
Cấu trúc điện tử của các phần tử các chất tham gia quá trình hấp phụ vật lý ít
bị thay đổi. Hấp phụ vật lý khơng địi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra nhanh.
Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học, trong đó có những lực
liên kết mạnh nhƣ lực liên kết ion, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết phối
trí…gắn kết những phần tử chất bị hấp phụ với những phần tử của chất hấp phụ
thành những hợp chất bề mặt. Năng lƣợng liên kết này lớn (có thể tới hàng trăm
kJ/mol), do đó liên kết tạo thành bền khó bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ hóa học thƣờng
khơng thuận nghịch và khơng thể vƣợt quá một đơn lớp phân tử. Trong hấp phụ hóa
học, cấu trúc điện tử của các phần tử của các chất tham gia q trình hấp phụ có sự
biến đổi sâu sắc dẫn đến sự hình thành liên kết hóa học. Sự hấp phụ hóa học cịn địi
hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra chậm.
Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tƣơng

12

đối vì ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Một số trƣờng hợp tồn tại đồng thời cả hai
hình thức hấp phụ. Ở vùng nhiệt độ thấp thƣờng xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng
nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ hóa học tăng lên.
b. Giải hấp phụ
Giải hấp phụ là sự ra đi của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá
trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ.
Đây là phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trƣng về hiệu quả
kinh tế.
Một số phƣơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:
Phƣơng pháp hóa lý: có thể thực hiện tại chỗ, ngay trên cột hấp phụ nên
tiết kiệm đƣợc thời gian, công tháo dỡ, vận chuyển, khơng làm vỡ vụn chất hấp phụ
và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn.
Phƣơng pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách chiết với dung mơi, sử
dụng phản ứng oxi hóa – khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng khơng
có lợi cho q trình hấp phụ.
Phƣơng pháp nhiệt: sử dụng cho các trƣờng hợp chất bị hấp phụ bay hơi
hoặc sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi.
Phƣơng pháp vi sinh: là phƣơng pháp tái tạo khả năng hấp phụ của vật liệu
hấp phụ nhờ sinh vật.
c. Cân bằng hấp phụ
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ (quá trình
thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng
thái cân bằng.
Với một lƣợng xác định, lƣợng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và
áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích.
q = f (T, P hoặc C)
Trong đó:
q: Dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g) T: Nhiệt độ
P: Áp suất
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l)

13


d. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc là quá trình hấp phụ hỗn hợp vì ngồi phân
tử chất tan cịn có phân tử dung mơi nƣớc. Do đó, q trình hấp phụ là kết quả của
sự tƣơng tác giữa nƣớc - chất tan - chất hấp phụ. Trong thực tiễn, quá trình hấp phụ
các chất tan trong nƣớc diễn ra phức tạp, đa dạng kể cả vơ cơ và hữu cơ và chúng có
bản chất khác nhau. Khả năng hấp phụ của chúng phụ thuộc vào tƣơng tác giữa cặp
chất bị hấp phụ - chất hấp phụ. Thƣờng thì do nồng độ chất tan nhỏ nên khi tiếp xúc
với chất hấp phụ, các phân tử nƣớc sẽ chiếm chỗ trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ.
Các phân tử chất bị hấp phụ chỉ có thể đẩy các phân tử nƣớc để chiếm chỗ khi
tƣơng tác giữa chúng với chất hấp phụ đủ mạnh. Do đó cơ chế hấp phụ trong mơi
trƣờng nƣớc là cơ chế hấp phụ chọn lọc.
Sự hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc chịu ảnh hƣởng nhiều bởi pH của môi
trƣờng. Sự thay đổi pH dẫn đến sự thay đổi về bản chất chất bị hấp phụ. Các chất có
tính axit yếu, bazơ yếu hay lƣỡng tính sẽ bị phân li để tích điện âm, điện dƣơng hay
trung hồ trong mơi trƣờng có pH khác nhau. Sự thay đổi pH cũng làm ảnh hƣởng
đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ do sự phân li của các nhóm chức.
1.1.5.2 Động học của quá trình hấp phụ
 Tán bề mặt, các phân tử dịch chuyển từ bề mặt mao quản vào trong lịng
hạt, đơi khi giống nhƣ chuyển động trong lớp màng (lớp giới hạn).
 Hấp phụ là bƣớc cuối cùng diễn ra do tƣơng tác bề mặt hấp phụ và chất bị
hấp phụ. Lực tƣơng tác này là các lực quá trình hấp phụ từ pha lỏng trên bề mặt của
chất hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
 Chuyển chất bị hấp phụ trong pha lỏng đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ:
chất hấp phụ trong pha lỏng sẽ đƣợc chuyển dần đến bề mặt của các chất hấp phụ
nhờ đối lƣu. Ở bề mặt hạt ln có lớp màng giới hạn làm cho sự truyền chất và
nhiệt bị chậm lại.

 Khuếch tán vào các mao quản của hạt: sự chuyển chất bị hấp phụ từ bề
mặt ngoài của chất hấp phụ vào bên trong diễn ra phức tạp. Với các mao quản
đƣờng kính màng chất lỏng tạo nên trở lực chủ yếu cho giai đoạn lớn hơn quãng
đƣờng tự do trung bình của phân tử thì diễn ra khuếch tán phân tử. Với các mao
quản nhỏ hơn thì khuếch tán Knudsen chiếm ƣu thế. Cùng với chúng cịn có cơ chế
14


khuếch vật lý và khác nhau đối với các phân tử khác nhau, tạo nên một tập hợp bao
gồm các lớp phân tử nằm trên bề mặt, nhƣ một lớp hấp phụ. Q trình hấp phụ làm
bão hịa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các
phân tử hấp phụ nên thƣờng kèm theo sự tỏa nhiệt.
1.1.5.3 Các mơ hình hấp phụ cơ bản
a. Các mơ hình động học
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn động học hấp phụ xảy ra theo một loạt giai
đoạn kế tiếp nhau:

- Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn
khuếch tán trong dung dịch.

- Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ
chứa các hệ mao quản. Đây là giai đọan khuếch tán màng.

- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.

- Các phần tử chất bị hấp phụ đƣợc gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai
đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay

khống chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ.Với hệ hấp phụ trong môi trƣờng
nƣớc, q trình khuếch tán thƣờng chậm và đóng vai trị quyết định. Tải trọng hấp
phụ sẽ thay đổi theo thời gian tới khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian. Ta có:

Khi tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời
gian thì:

Trong đó:
β : hệ số chuyển khối
Ci: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu
Cf : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t
k : hằng số tốc độ hấp phụ qmax qmax : tải trọng hấp phụ cực đại
15


q: tải trọng hấp phụ tại thời điểm t

b. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Khi nhiệt độ khơng đổi, đƣờng biểu diễn q = fT (P hoặc C) đƣợc gọi là đƣờng
hấp phụ đẳng nhiệt.
Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lƣợng hấp phụ tại
một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm
đó ở một nhiệt độ xác định.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đƣờng
hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc mơ tả qua các phƣơng trình nhƣ: phƣơng trình hấp phụ
đẳng nhiệt Henry, Frenundrich, Langmuir…

 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Mơ tả q trình hấp phụ một lớp đơn phân tử trên bề mặt của vật rắn.

Phƣơng trình Langmuir đƣợc thiết lập với giả thiết sau:
Các phân tử đƣợc hấp phụ đơn phân lớp phân tử trên bề mặt chất hấp phụ
(tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại mỗi trung tâm xác định).
Sự hấp phụ chọn lọc (mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân).
Giữa các phần tử chất hấp phụ khơng có tƣơng tác qua lại với nhau.
Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lƣợng, tức sự hấp phụ xảy ra
trên bất kỳ chỗ nào thì nhiệt hấp phụ vẫn là giá trị khơng đổi hay trên bề mặt chất
hấp phụ khơng có trung tâm hoạt động.
Phƣơng trình đẳng nhiệt Langmuir:

Trong đó:
q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qmax: tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g)
b : hằng số chỉ ái lực của vị trí liên kết trên bề mặt chất hấp phụ
Khi b.Ccb<< 1 thì q= qmax.b.Ccb mơ tả vùng hấp phụ tuyến tính Khi
b.Ccb>> 1 thì q= qmax mơ tả vùng hấp phụ bão hịa.
Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa 2 giới hạn trên thì đƣờng đẳng nhiệt biểu
diễn là một đoạn cong.

16