Nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.92 MB, 168 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2007
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Đặng Thị Yến Nhi
Giới tính : Nữ
Ngày, tháng, năm sinh : 02/06/1982
Nơi sinh : Đồng Nai
Chuyên ngành : Công nghệ Hóa học
Khố (Năm trúng tuyển) : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH TỪ CÂY TRÀM
CỪ.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
1. Nghiên cứu quá trình than hóa
2. Nghiên cứu q trình hoạt hóa hóa học, tác nhân hoạt hóa NaOH.
3. Nghiên cứu q trình hoạt hóa bằng hơi nước, khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố khảo
sát đến bề mặt riêng sản phẩm
4. Xác định các đặc trưng hóa ly cua sản phẩm
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 30/06/2006
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHAN ĐÌNH TUẤN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TS. PHAN ĐÌNH TUẤN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Phan Đình Tuấn đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong hội đồng bảo vệ luận văn đã đọc và góp ý
quý báu cho luận văn.
Tôi xin cảm ơn tổ chức hợp tác quốc tế JICA đã hỗ trợ thiết bị, tài chính
trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn Thạc só Nguyễn Phạm Bảo Quỳnh, Thạc só Park
Yong Lee, Đại học Chonnam, Hàn Quốc cùng các cô chú, anh chị ở Viện Công
nghệ Xạ Hiếm, Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình phân tích mẫu.
Xin cảm ơn các anh chị, các bạn ở trung tâm công nghệ Lọc Hoá Dầu –
trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi thực hiện đề
tài.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và những người thân yêu đã luôn chia
sẽ, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2007
Đặng Thị Yến Nhi
i
TÓM TẮT
Than hoạt tính là chất hấp phụ rắn được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp vì tính chọn lọc cao, dung lượng hấp phụ lớn, tốc độ hấp phụ nhanh… Với
luận văn này, chúng tôi nghiên cứu và đưa ra chế độ công nghệ hợp lý trong
quá trình sản xuất than hoạt tính làm chất hấp phụ, đồng thời sử dụng hiệu quả
nguồn nguyên liệu gỗ tràm dư thừa trên đất phèn Việt Nam.
Kết quả đạt được của luận văn là:
1.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, gỗ tràm được cacbon hoá ở điều kiện
4100C, thời gian 107 phút, hiệu suất quá trình 29,7%, bề mặt riêng
của sản phẩm than hóa nhận được là 7 m2/g.
2.
Than gỗ tràm được hoạt hóa bằng NaOH ở 7000C, thời gian 2 giờ,
tỷ lệ mol NaOH:C là 1.5:1 cho sản phẩm than hoạt tính có bề mặt
riêng là 2909m2/g.
3.
Quá trình hoạt hóa than gỗ tràm bằng hơi nước được thực hiện ở
9000C, thời gian hoạt hóa là 3 h, tốc độ dòng hơi nước là 1,125g hơi
nước/g C/h cho sản phẩm than hoạt tính có bề mặt riêng lớn nhất là
1387 m2 /g và độ thiêu đốt 71%. Nguyên liệu và sản phẩm than
hoạt tính được xác định bề mặt riêng theo phương pháp BET, hấp
phụ N2 ở -1960C tại trung tâm phân tích mẫu trường Đại học
Kyonghee, Đại học Chonnam- Hàn Quốc và Viện Công nghệ Xạ
Hiếm - Hà Nội.
4.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ/ giải hấp phụ nitơ cho thấy than hoạt
tính được sản xuất từ gỗ tràm có mao quản bé phát triển, là chất
hấp phụ tốt ứng dụng trong pha khí.
i
ABSTRACT
Activated carbon is one of the most technically important and most widely
used adsorbent due to its high selectivity, large adsorptive capacity, fast
adsorptive rate…The main aim of this study has been to investigate the
production and characterization of activated carbon produced from Melaleuca
wood on the sulfate acid soil at the Mekong Delta in Vietnam. Also, this
respect may be regarded as a preliminary step for the probable benification of
spending Melaleuca wood in the manufacture of activated carbons.
The achieved results of the thesis are:
1.
Melaleuca wood was carbonized at 4100C in 107 minutes to
obtained charcoal with the yield of 29.7% and specific surface area
of 7 m2/g.
2.
The wood charcoal was activated by NaOH activating agent at
7000C for 2 hours with NaOH/C molar ratio of 1,5:1 had the
highest BET area, 2909 m2/g.
3.
The steam activation was also performed, showing the highest
BET area was 1387 m2/g at 9000C in 3.5 hours with the steam
flow rate of 1.125 g steam/g charcoal.hr and the burn-off of the
process was 70%. Products of activation were characterized by
using BET and SEM and XRD techniques.
4.
N2 adsorption isotherms further indicated that the pores were
almost micropous. It is a good adsorbent to use in gas -application.
iii
MỞ ĐẦU
Các ngành công nghiệp hóa học, thực phẩm, dược phẩm sử dụng chất hấp
phụ rắn để tẩy màu, khử mùi, tách khí, thu hồi dung môi hữu cơ quý, làm khô,
làm xúc tác, chất mang xúc tác…. Trong các chất hấp phụ rắn, cac bon hoạt tính
chiếm vị trí quan trọng nhất, phạm vi ứng dụng rộng rãi nhất vì những ưu điểm
vượt trội của nó: tính chọn lọc cao, dung lượng hấp phụ lớn, tốc độ hấp phụ
nhanh, … Trong quân sự, nó là nguyên liệu quan trọng để chế tạo mặt nạ phòng
hơi độc.
nước ta hiện nay, cac bon hoạt tính chưa được nghiên cứu và sản xuất
nhiều, trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng tăng. Hàng năm phải nhập ngoại
một lượng lớn các loại than để phục vụ sản xuất. Trong khi đó nước ta lại có
nhiều nguyên liệu tốt có thể sử dụng để sản xuất cac bon hoạt tính: phế liệu
dạng gỗ từ các nhà máy lâm sản, các phế phẩm từ nông nghiệp: vỏ quả, rơm, bã
mía…
Đồng bằng sông Cửu Long là vùng có diện tích đất ngập phèn lớn nhất cả
nước (khoảng 1,6 triệu hecta). Tràm là cây trồng truyền thống lâu nay ở vùng
này, có khả năng chịu phèn cao cũng như áp lực nước mạnh, kháng được sâu
bệnh, côn trùng, chịu được độc tính của nhôm…. Vì vậy, gỗ tràm là tài nguyên
sinh học rất nổi trội của rừng thứ cấp vùng đầm lầy than bùn.
Gỗ tràm cứng, chắc, chịu lực tốt được sử dụng làm cừ, vật liệu xây dụng,
đốt than, đóng bàn ghế, làm hàng rào, bột giấy…. Tuy nhiên, trong những năm
gần đây, tình hình thị trường tiêu thụ diễn biến phức tạp, kỹ thuật xây dựng thay
đổi. Trong những công trình lớn thay vì dùng gỗ tràm, người ta chuyển sang
dùng cừ bằng bê tông rồi chất đốt thay đổi chuyển từ củi sang ga hay điện đã
làm cho tràm dần dần mất đi ưu thế vốn có khiến đời sống người dân trồng traøm
iii
gặp nhiều khó khăn. Chỉ tính riêng trong năm 2005, có hơn 10.000 ha gỗ tràm ở
giai đoạn khai thác nhưng không tìm được đầu ra.
Với nguồn nguyên liệu dồi dào, việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng than
hoạt tính ở nước ta là điều rất hiện thực và cần thiết.
Với mong muốn góp phần nhanh chóng đưa than hoạt tính từ gỗ tràm vào
ứng dụng trong các ngành công nghiệp nước ta, trong bản luận văn này, chúng
tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu về chế độ công nghệ trong quá trình sản
xuất than hoạt tính và các tính chất của sản phẩm điều chế được.
ii
MỤC LỤC
Mục lục
Danh mục chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU
PHẦN 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG I: NGUYÊN LIỆU GỖ TRÀM VÀ THAN HOẠT TÍNH
1.1 Than hoạt tính
1
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển các loại than hoạt tính
1
1.1.2 Tính chất đặc trưng của than hoạt tính
3
1.1.2.1 Cấu trúc xốp
3
1.1.2.2 Cấu trúc tinh thể
5
1.1.2.3 Cấu trúc hoá học
6
1.2 Nguyên liệu tràm
1.2.1 Tràm Việt Nam
8
1.2.2 Ngồn gốc, phân bố, đặc tính sinh thái của cây tràm
8
1.2.3 Tình hình trồng tràm ở Việt Nam
10
1.2.4 Đặc tính cơ lý và ứng dụng của cây tràm
11
CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH
2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân
13
2.1.1 Quá trình nhiệt phân
13
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân
14
ii
2.2 Quá trình hoạt hóa
2.2.1 Quá trình hoạt hóa hóa học
15
16
2.2.1.1 Cơ chế quá trình hoạt hóa hóa học
16
2.2.1.2 Tác nhân hoạt hóa
16
2.2.1.3 Ưu, nhược điểm quá trình hoạt hóa hoá học
18
2.2.2 Quá trình hoạt hóa hóa lý
18
2.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng gỗ tràm ở Việt Nam
23
CHƯƠNG III QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA THAN HOẠT TÍNH
3.1 Quá trình hấp phụ
25
3.1.1 Hấp phụ vật lý
25
3.1.2 Hấp phụ hóa học
25
3.2 Phương pháp xác định tính chất than hoạt tính
26
3.2.1 Phương pháp nén thủy ngân
27
3.2.2 Hiện tượng ngưng tụ mao quản
28
3.2.3 Hiện tượng hấp phụ đối với mao quản bé
30
3.2.3.1 Phương trìn BET
30
3.2.3.2 Phương trình D – R
31
PHẦN 2 THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG IV THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1 Xác định thành phần hóa học của gỗ tràm
33
4.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu
33
4.1.2 Xử lý hóa học
33
4.2 Quá trình cacbon hóa
34
ii
4.2.1 Thiết bị
35
4.2.2 Phương pháp nghiên cứu
35
4.2.3 Xác định tính chất than nguyên liệu và sản phẩm
36
4.3 Quá trình hoạt hóa
36
4.3.1 Hoạt hóa bằng NaOH
37
4.3.2 Hoạt hóa bằng hơi nước
38
PHẦN III KẾT QUẢ
CHƯƠNG V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM – BÀN LUẬN
5.1 Kết quả khảo sát quá tình than hóa
40
5.1.1 Thành phần hóa học của gỗ tràm
40
5.1.2 Quá trình than hóa
40
5.2 Quá trình hoạt hóa hóa học
46
5.2.1 nh hưởng của nhiệt độ
46
5.2.2 nh hưởng của thời gian
47
5.2.3 Anh hưởng của tỷ lệ mol NaOH: C
48
5.3 Quá trình hoạt hóa bằng hơi nước
50
5.3.1 nh hưởng của nhiệt độ
54
5.3.2 nh hưởng của thời gian hoạt hóa
56
5.3.3 nh hưởng của độ thiêu đốt
58
5.3.4 nh hưởng của thời gian đến hiệu suất quá trình hoạt hóa
61
5.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ các mẫu hoạt hóa
63
KẾT LUẬN
68
KIẾN NGHỊ
69
TÀI LIÊU THAM KHẢO
70
ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
B.E.T: Brunauer – Emmett – teller
SBET: Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp BET
SEM: Kính hiển vi điện tử quét
D- R: Dubinin – Raduskhevich
BJH: Barrett – Joyner - Halenda
ii
DANH MỤC CÁC BẢNG – SƠ ĐỒ – HÌNH – ĐỒ THỊ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Một số thống kê diện tích Tràm ở Nam Bộ
Bảng 1.2 Đặc tính cơ lý của gỗ Tràm
Bảng 5.1 Thành phần hóa học của gỗ Tràm
Bảng 5.2 Ma trận thực nghiệm quá trình than hóa
Bảng 5.3 Thành phần nguyên tố hóa học của sản phẩm than hóa
Bảng 5.4 nh hưởng của nhiệt độ đến SBET
Bảng 5.5 nh hưởng của thời gian đến SBET
Bảng 5.6 nh hưởng của tỷ lệ mol đến SBET
Bảng 5.7 nh hưởng của thời gian đến SBET
Bảng 5.8 nh hưởng của độ thiêu đốt đến SBET
Bảng 5.9 nh hưởng của thời gian đến hiệu suất hoạt hóa
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 4.1 Quy trình điều chế than hoạt tính nbằng NaOH
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Cấu trúc xốp than hoạt tính
Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể than hoạt tính
Hình 1.3 Các nhóm chức bề mặt than hoạt tính
Hình 1.4 nh hưởng của nhóm chức bề mặt đến khả năng hấp phụ hơi ẩm than hoạt
tính
Hình 1.5 Tràm Việt Nam
Hình 1.6 Tràm trà
Hình 17 Gỗ Tràm
ii
Hình 4.1 Thiết bị Than hóa
Hình 4.2 Thiết bị hoạt hóa
Hình 5.1 Than gỗ Tràm
Hình 5.2 Sản phẩm than hoạt tính
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ
Đồ thị 5.1 nh hưởng của thời gian đến quá trình than hóa
Đồ thị 5.2 nh hưởng của nhiệt độ đến quá trình than hóa
Đồ thị 5.3 Đường cong vi phân quá trình nhiệt phân
Đồ thị 5.4 nh hưởng của nhiệt độ đến SBET
Đồ thị 5.5 nh hưởng của thời gian đến SBET
Đồ thị 5.6 nh hưởng của TLM đến SBET
Đồ thị 5.7 nh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa đến SBET
Đồ thị 5.8 nh hưởng của thời gian hoạt hóa đến SBET
Đồ thị 5.8 nh hưởng của độ thiêu đốt đến SBET
Đồ thị 5.9 nh hưởng của thời gian đến hiệu suất hoạt hóa
Đồ thị 5.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ các mẫu hoạt hóa
Đồ thị 5.11 Đường đằng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ các mẫu hoạt hóa hơi nước
Đồ thị 5.12 Phân bố kích thước mao quản chuyển tiếp
1
CHƯƠNG I
GỖ TRÀM VÀ THAN HOẠT TÍNH
1.1 THAN HOẠT TÍNH:
Than hoạt tính là chất hấp phụ rắn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp của nền kinh tế quốc dân. Than hoạt tính có nhiều chủng loại, khác nhau về
tính chất hấp phụ, ứng dụng và phương pháp chế tạo.
Cacbon hoạt tính là vật liệu cacbon có cấu trúc mạng tinh thể với độ xốp cao
và bề mặt riêng lớn (bề mặt bên trong từ 900 – 2500 m2/g). Tùy theo yêu cầu và
mục đích sử dụng mà than hoạt tính được sản xuất dưới dạng bột hoặc than ép hạt
[11, 17, 18].
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của các loại than hoạt tính
Than hoạt tính tẩy màu :
Năm 1773, Scheches đặt nền tảng cho việc nghiên cứu khả năng tẩy màu của
than gỗ, than xương động vật trong ngành công nghiệp đường mía và một số ngành
công nghiệp khác. Đến thời Napoleon, công nghiệp đường mía phát triển mạnh ở
châu u, cacbon tẩy màu được sản xuất ở quy mô công nghiệp. Ban đầu, người ta
chỉ biết nung nguyên liệu trong điều kiện thiếu không khí và đem sử dụng nên khả
năng tẩy màu thấp [21].
Năm 1856, Stemches đưa ra phương pháp hoạt hoá bằng hóa chất. Phương
pháp này không ngừng được bổ sung và tồn tại cho đến ngày nay và được gọi là
phương pháp hoạt hóa hóa học. Phương pháp này cho than có khả năng tẩy màu cao
nhưng tốn kém và gây ăn mòn thiết bị.
Năm 1863, Lec đưa ra phương pháp hoạt hóa bằng hơi nước. Sau đó CO2 cũng
được sử dụng để hoạt hóa (phương pháp hoạt hoá hóa lý) mang lại hiệu quả kinh tế
cao, ít ăn mòn thiết bị.
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
2
Cùng với các phương pháp nghiên cứu sản xuất, các phương pháp đánh giá
chất lượng than hoạt tính cũng được quan tâm. Thuốc nhuộm Sudan II được dùng
đầu tiên để đánh giá khả năng tẩy màu.
Cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, than hoạt tính được nghiên cứu và ứng dụng rất
mạnh mẽ ở hầu hết các nước có nền công nghiệp phát triển. Cho đến ngày nay, than
hoạt tính tẩy màu là nguyên liệu quan trọng trong ngành thực phẩm, dược phẩm và
một số ngành công nghiệp khác
Than hoạt tính lọc khí:
Năm 1780, Pertana phát hiện cacbon hoạt tính có khả năng giữ khí. ng cho
cacbon hoạt tính vào ống thủy tinh kín và ngăn cách với khí bằng một lớp thủy
ngân. Sau đó ông lật ngược ống cho than tiếp xúc với khí trong ống và nhận thấy áp
suất trong ống giảm [25, 26].
Trong những năm của chiến tranh thế giới, than hoạt tính là nguyên liệu quan
trọng chế tạo mặt nạ phòng hơi độc, bảo vệ binh lính.
Kỹ thuật lọc khí đòi hỏi than hoạt tính ở dạng ép hạt vì độ bền cơ lý cao, kích
thước hạt phân bố đồng đều, hiệu suất lọc cao và có thể tái sinh nhiều lần.
Thực tế cho thấy, than hoạt tính có khả năng hấp phụ tối đa các khí SO2, Cl2,
NH3, CO2, H2S,… vốn được đánh giá là các tác nhân gây hại không chỉ với môi
trường mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người [17,18].
Một số chất độc hấp phụ kém, hoặc không bị hấp phụ bởi cacbon hoạt tính
như hydro xianua, người ta tẩm lên than hoạt tính các oxyt kim loại làm cho than
hoạt tính có khả năng hấp phụ hóa học [15, 23].
Những vấn đề đang được nghiên cứu:
Tuy cacbon hoạt tính được phát hiện sớm và sử dụng nhiều nhưng ngày nay
vẫn đang được nghiên cứu. Trong quá trình sản xuất, khâu hoạt hóa đóng vai trò
quan trọng. Cơ chế hoạt hóa và các yếu tố ảnh hưởng vẫn tiếp tục được nghiên cứu,
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
3
đặc biệt là sự ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, nồng độ tác nhân hoạt hoá đến chất
lượng sản phẩm
Theo Dubinin, muốn tăng khả năng hấp phụ phải tăng thể tích mao quản bé
của than. Muốn đạt được điều này cần phải có một quy trình điều chế tối ưu [17,
18].
Than hoạt tính có thể sử dụng làm rây phân tử. Muốn đạt được điều đó phải
điều chế than có kích thước mao quản phân bố trong khoảng hẹp. Đây là vấn đề
được nhiều người quan tâm, cho đến ngày nay đã thu được một số kết quả nhất định
tuy vẫn tiếp tục được nghiên cứu [7].
Cacbon sau khi hấp phụ bão hoà vẫn có thể được tái sinh. Có nhiều phương
pháp tái sinh than nhưng nói chung đều sử dụng phương pháp nhiệt.
1.1.2 Tính chất đặc trưng của than hoạt tính:
Những tính chất hóa lý của than hoạt tính cũng như mọi chất hấp phụ khác
mang tính đặc thù và liên quan chặt chẽ đến quá trình hấp phụ. Tính chất quan
trọng đặc trưng cho than hoạt tính là cấu trúc xốp, cấu trúc tinh thể và đặc điểm hoá
học bề mặt than.
1.1.2.1 Cấu trúc xốp:
Quá trình hoạt hóa tạo cho than một diện tích bề mặt lớn từ vài trăm đến vài
nghìn m2/g và một hệ lỗ xốp (còn gọi là mao quản) to, nhỏ khác nhau. Khả năng
hấp phụ của than hoạt tính trước hết liên quan trực tiếp đến bản chất xốp của nó.
Các thông số quan trọng thể hiện bản chất xốp
- Diện tích bề mặt riêng: (diện tích bề mặt tổng) là tổng diện tích bề mặt bên
trong mao quản và bên ngoài các hạt tính cho 1 đơn vị khối lượng.
- Hình dạng mao quản: Trong thực tế rất khó xác định hình dạng mao quản,
đặc biệt đối với mao quản bé. Tuy nhiên có bốn loại mao quản thường được nhắc
đến: mao quản hình trụ, hình khe, hình cầu, hình chai.
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
4
- Phân bố kích thước mao quản: Xác định theo sự biến đổi thể tích hay diện
tích bề mặt. Đểâ xác định thông số này phải thừa nhận lỗ xốp có một hình dạng nào
đó, thông thường ta hay chọn dạng hình trụ tròn hay hình khe song song [43, 44, 45].
- Diện tích bề mặt là thông số quan trọng đầu tiên xác định khả năng hấp phụ
của một chất. Diện tích bề mặt càng lớn càng có khả năng tạo ra nhiều vị trí hấp
phụ trên bề mặt than. Kích thước lỗ xốp và sự phân bố kích thước cũng rất quan
trọng để lựa chọn loại than cho phù hợp với mục đích sử dụng. Về kích thước nói
chung người ta chia lỗ xốp làm 3 loại:
+ Lỗ xốp bé (micropore): d< 20A0
+ Lỗ xốp trung bình (còn gọi lỗxốp chuyển tiếp: mesopore):20A0 < d < 500
A0
+ Lỗ xốp lớn (macropore) d > 500A0
Sự phân loại các phương pháp đánh giá lỗ xốp dựa trên sự khác nhau về cơ chế
hấp phụ trên pha khí đối với các lỗ xốp này [11, 17, 18, 20, 21, 26, 36, 37].
Trong các mao quản xốp bé: Do lỗ xốp và phân tử hấp phụ có kích thước tương
tự nhau, quá trình hấp phụ mang tính chất đặc trưng lấp đầy thể tích của khoảng
không gian hấp phụ [21, 26].
Mao quản trung bình: Hấp phụ khí lúc đầu xảy ra theo cơ chế đơn và đa lớp,
khi đó còn có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ mao quản do kích thước lỗ xốp gần với
quãng đường tự do trung bình của phân tử bị hấp phụ. Sau đó ở áp suất hơi cao hơn,
kích thước lỗ xốp bị thu hẹp dần do các lớp khí hấp phụ trên thành lỗ xốp. Quá trình
hấp phụ tiếp tục xảy ra theo cơ chế lấp đầy như trong lỗ xốp bé [41, 47].
Đối với mao quản lớn: Hấp phụ theo cơ chế đơn và đa lớp nhưng không có hiện
tượng ngưng tụ mao quản vì các lỗ xốp quá lớn so với quãng đường tự do trung bình
của phân tử chất bị hấp phụ. Lỗ xốp lớn chiếm một phần rất nhỏ về diện tích bề mặt
nhưng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ, là đường dẫn phân tử chất
hấp phụ vào lỗ xốp chuyển tiếp và lỗ xốp bé.
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
5
Bề mặt riêng của than hoạt tính và khả năng hấp phụ được quyết định bởi mao
quản bé (chiếm 90 – 95% tổng bề mặt riêng của chất hấp phụ). Tuy vậy, mao quản
lớn và mao quản chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ, là
đường vận chuyển phân tử chất bị hấp phụ vào lỗ xốp bé. Trong đó, lỗ xốp bé là
nhánh của lỗ xốp chuyển tiếp, lỗ xốp chuyển tiếp là nhánh của lỗ xốp lớn gọi là
cấu trúc lỗ phân nhánh [21, 26, 36, 37].
Hình 1.1 Cấu trúc xốp than hoạt tính
1.1.2.2 Cấu trúc tinh thể [22, 25, 32]:
Cacbon hoạt tính có cấu trúc gần giống cacbon graphit. Trong đó các nguyên tử
cacbon sắp xếp trên các đỉnh của lục giác đều và cách nhau những khoảng đồng
nhất.
Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể cacbon graphit
Phân tích Rơnghen và kính hiển vi điện tử quét SEM đã xác định các vi tinh
thể cacbon trong than hoạt tính tương tự graphit. Tuy vậy, trật tự sắp xếp các lớp
nguyên tử cacbon trong cacbon hoạt tính kém hơn nhiều so với cacbon graphit. Giữa
các lớp có sự xê dịch và khoảng cách giữa chúng 0,36 – 0,37 nm (so với cacbon
graphit là 0,335nm). Các vi tinh thể cacbon nối với nhau qua liên kết ngang của
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
6
cacbon bậc bốn, những nguyên tử này không nằm trong vi tinh thể và được xem là
hoạt động hơn nguyên tử trong tinh thể [25, 32, 48]
Khác với cacbon vô định hình, cacbon graphit có tính dẫn điện. Do vậy, độ dẫn
là một đặc trưng thể hiện mức độ graphit hóa. Do sự có mặt của cấu trúc graphit
tương đối trật tự, tính dẫn điện của than hoạt tính chứa nhiều graphit thể hiện rõ nét.
Các nghiên cứu cho thấy mối tương quan giữa nhiệt độ hoạt hóa và độ dẫn điện,
nhiệt độ hoạt hóa tăng thì độ dẫn điện tăng. Vì vậy, có thể xác định mức độ tinh thể
của than hoạt tính qua phép đo độ dẫn.
1.1.2.3 Cấu trúc hóa học:
Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác,
những nguyên tố này chứa từ 5-20% khối lượng than hoạt tính. Trong đó chủ yếu
oxyt kim loại ở dạng tro và oxy, hydo chủ yếu hình thành trong quá trình than hoá
và hoạt hóa tạo nên phức chất chứa oxy trên bề mặt than. Những phức chất chứa
oxy gọi là các oxyt bề mặt hay nhóm chức bề mặt. Tính chất và hàm lượng các
nhóm chức được xác định bởi nguyên liệu xuất phát dùng để tạo nên than hoạt tính
bởi quá trình hoạt hóa than. Do đặc điểm hoạt động của các nguyên tử cacbon, các
oxyt bề mặt thường có ở các vi tinh thể và ở các liên kết ngay trên bề mặt than [10,
11, 17].
Hình 1.3 Các nhóm chức bề mặt của than hoạt tính
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
7
Các oxyt bề mặt có ảnh hưởng mạnh đến tính chất phân cực của bề mặt than,
tạo nên tính ưa nước cho bề mặt vốn mang bản chất kỵ nước và các chất có độ phân
cực lớn khác trong không khí. Khả năng hấp phụ từ pha lỏng của than hoạt tính đối
với các chất có tính phân cực khác nhau cũng phụ thuộc nhóm chức bề mặt này [33,
36, 40] .
Hình 1.3 nh hưởng của các nhóm chức bề mặt đến khả năng hấp phụ hơi ẩm
của than hoạt tính
Các nhóm chức bề mặt bao gồm hai loại: loại mang đặc tính bazơ và tính acid
thể hiện qua khả năng làm biến đổi pH của dung dịch nước. Thành phần nhóm chức
phụ thuộc nhiều vào quá trình hoạt hoá và việc xử lý than sau đó. Chẳng hạn khi
hoạt hóa với CO2 ở nhiệt độ cao (than H) trong chất hấp phụ sẽ xuất hiện nhóm
chức bazơ còn khi hoạt hóa ở nhiệt độ thấp (than L) tạo nhiều nhóm chức acid hơn
[17, 38, 40]. Nói chung, các nhóm chức thuộc cả hai loại đều có mặt trên cùng một
loại than. Bằng phương pháp IR, NMR người ta cũng chỉ ra được sự có mặt của các
nhóm chức trên than hoạt tính [11, 17].
Những thông tin định lượng về nhóm chức bề mặt có thể thu nhận được bằng
phản ứng acid –bazơ hay phản ứng với một số hợp chất đặc biệt.
Dựa vào tính chất acid mạnh yếu khác nhau của các nhóm chức, phương pháp
trung hòa chọn lọc của Boehm được sử dụng để định lượng nhóm chức acid. Ví dụ
có thể định lượng nhóm carboxyl bằng dung dịch NaHCO3, Na2CO3, NaOH; phenol
hydroxyl bằng Na2CO3, NaOH; lacton bằng NaOH ...[39, 40]
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
8
Một đặc trưng quan trọng khác của than hoạt tính là tính chất điện tích bề mặt.
Quá trình tích điện xảy ra tại vùng thể tích quanh bề mặt khi tiếp xúc với dung dịch
nước. Ở những bề mặt tích điện như bề mặt của than hoạt tính, sự phân bố ion trong
dung dịch xung quanh phụ thuộc điện tích bề mặt, lớp điện tích kép được hình thành
do điện tích trái dấu được hút đến bề mặt và các ion cùng dấu bị đẩy ra.
Giá trị pH, ở đó mật độ các ion tích điện trên bề mặt ở trạng thái cân bằng
được gọi là điểm đẳng điện. pH dưới điểm đẳng điện, bề mặt tích điện dương, pH
cao hơn bề mặt tích điện âm. Đối với than hoạt tính, điểm đẳng điện trong vùng pH
từ 4 – 5. Khi có mặt phức vàng, xyanua, các cation, anion khác trong dung dịch,
điểm đẳng điện có thể bị xê dịch. Nếu quá trình hấp phụ xảy ra trong môi trường
kiềm, bề mặt than thường tích điện âm [15, 23, 31] .
1.2 Nguyên liệu Tràm (melaleuca) [1], [2]:
1.2.1 Tràm Việt Nam (melaleuca cajuputi Powell):
Đồng bằng sông Cửu Long được biết đến như một vùng lúa gạo lớn nhất của
cả nước. Đây cũng là vùng có diện tích đất ngập phèn lớn nhất nước ta. Theo quy
hoạch tổng thể, đồng bằng sông Cửu Long có 1,2 triệu hecta đất phù sa sông, 0,75
triệu hecta đất ngập mặn, 1,6 triệu hecta đất ngập phèn và 0,35 triệu hecta các loại
đất khác [1], [2].
Tràm là một trong số rất ít những cây kinh tế có tính thích ứng cao với điều
kiện đất đai đa dạng, nghèo dinh dưỡng, đặc biệt là các đầm lầy chua mặn. Rừng
tràm là hệ sinh thái có giá trị cao cả về kinh tế và môi sinh ở các vùng đất chua mặn
ven biển, ven các cửa sông và cả những vùng đồi đất, khô cằn. Hệ sinh thái tràm
được bảo vệ, ổn định thì nguồn lợi về động vật (chim, thú, bò sát lưỡng cư, tôm cá…)
cũng thịnh vượng.
Tràm là một đối tượng rất ưu việt trong việc phục hồi rừng, trồng rừng và kinh
doanh rừng ở những vùng đất chua phèn nước ta.
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
9
1.2.2 Nguồn gốc, phân bố, đặc tính sinh thái, sinh trưởng và phát triển [1,
8]:
Tràm, tên khoa học (Melaleuca) thuộc họ sim (Myrtaceae) gồm trên 250 loài,
phân bố chủ yếu ở Australia và một số khu vực Nam Thái Bình Dương. nước ta,
chỉ gặp một loại tràm duy nhất (melaleuca cajuputi) phân bố rải rác từ Thái
Nguyên, Vónh Phúc, Nghệ An …. Nhiều quần thể tràm phân bố khá tập trung trên
những diện tích lớn ở một số tỉnh miền Nam (Đồng Tháp, Long An, Cà Mau, Kiên
Giang….), hiện có hai dạng chủ yếu:
-
Tràm gió: Cây nhỏ, thân bụi, cao 0,5 – 2m, phân bố chủ yếu ở các vùng
khô hạn từ miền Bắc Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, là nguyên
liệu chủ yếu để cất tinh dầu.
-
Tràm cừ: Cây thân gỗ, cao 5 – 20 m, vỏ xốp bong ra từng mảng lớn, phân
bố chủ yếu ở vùng đất phèn, ngập úng như rừng U Minh (Cà Mau), Long
An, Đồng Tháp, Kiên Giang…, là nguồn cung cấp gỗ quan trọng. Trong
luận án này chúng tôi tập trung vào nguyên liệu tràm cừ Việt Nam.
Một số nghiên cứu cho thấy tràm sinh trưởng trên đất đồi cho hàm lượng tinh
dầu cũng như hàm lượng cineol cao hơn hẳn so với vùng đầm lầy chua phèn, thung
lũng và đất cát. Tràm có khả năng sinh trưởng và phát triển trên đất ngập úng,
nhiễm phèn nặng (pH đất = 2,5 – 4), thích nghi cao với điều kiện lập địa, ít bị sâu
bệnh, côn trùng phá hại, chịu được độc tính của nhôm cao hơn các loài khác [1, 8].
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
10
Hình 1.4 Tràm Việt Nam
Hiện nay, một số giống tràm xuất xứ từ Australia đang được trồng phổ biến ở
Việt Nam, gồm hai loại chính:
Tràm c – melaleuca leucadendra- phân bố vùng New South Wales, bang
Toritoria, bờ biển phía Đông Australia. Đây là loại tràm cho gỗ. Tại Queensland,
cây to nhất có thể cao 25 – 40m, đường kính thân lên đến 1,5m, tốc độ sinh trưởng
nhanh. Tuy nhiên, khi được trồng ở nước ta, người ta nhận thấy khả năng kháng sâu
bệnh, côn trùng rất kém. Hoa tràm c không thu hút được loài ong nên không phải
là nguồn cung cấp mật ong
Tràm trà (chè c, tea tree) – melaleuca alternifolia- cho tinh dầu, có giá trị
rất cao về phương diện thương mại. Thành phần chính của tinh dầu tràm trà
terpinen – 4 ol (khoảng (35-45)%), được quốc tế công nhận và có hoạt tính kháng
khuẩn cao, 1,8 cineol (7%), α - terpineol(6%)…..
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
11
Hình 1.5 Tràm trà
Tràm là cây lâu năm, ưa sáng, tán lá thưa. Cây phát tán và sinh trưởng trong tự
nhiên bằng hạt rất tốt, song tràm cũng có khả năng đâm chồi từ gốc hoặc rễ rất
khỏe, cây sinh trưởng khá nhanh. Tốc độ tăng trưởng của cây non có thể đạt 2,3
m/nămtheo chiều cao và 7 cm/năm theo đường kính thân. Cây ra hoa phổ biến ở
giai đoạn 5 – 6 năm tuổi. Hoa thụ phấn chéo nhờ côn trùng [1].
1.2.3 Tình hình trồng tràm ở Việt Nam:
Rừng tràm là hệ sinh thái đặc thù trên đất phèn, trong đó tràm cừ – melaleuca
cajuputi- chiếm ưu thế và phân bố như sau:Em moi
Bảng 1.1: Một số thống kê diện tích tràm ở Nam Bộ
Tỉnh
Rừng tự nhiên (ha) Rừng trồng (ha)
Cà Mau
1365
36161
Kiên Giang
9297
11347
An Giang
3200
Cần Thơ
1908
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
12
Đồng Tháp
9059
Long An
30536
Sóc Trăng
34
3948
Tiền Giang
2253
Bình Thuận
8260
Đồng Nai
19
1.2.4 Đặc tính cơ lý và ứng dụng của gỗ tràm:
Tính chất cơ lý:
Gỗ tràm cứng, chắc, nặng, gỗ dác có màu vàng nhạt, gỗ lõi màu xám hồng.
Bảng I.2 Đặc tính cơ lý của gỗ tràm
Tỷ trọng
0,75
ng suất kéo (kgf/cm2)
22
Ứng suất nén (kgf/cm2)
493
Ứng suất uốn (kgf/cm2)
1159
Hệ số co rút
0,61
Hàm lượng Silic (%)
0,2 – 0,95
Lực kéo (ngang thớ), lực nén (dọc thớ), đặc tính uốn cong cao nhất trong các
loại gỗ nhiệt đới khác, tỷ trọng tương đối cao thích hợp làm các thành phần kết cấu.
Gỗ tràm bền, chịu nước, mối mọt có thể sử dụng làm cột, ngâm trong nước hoặc
chôn trong đất.
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
13
Hình 1.6 Gỗ tràm
Tuy nhiên, gỗ tràm cũng có những bất lợi nhất định khi sử dụng trong công
nghiệp. Trước hết là tỷ số co rút cao khó làm khô, độ vênh cong kháù lớn gây bất lợi
cho công nghệ chế biến, hàm lượng silic cao gây khó khăn trong cưa cắt. Vì vậy,
cần áp dụng những công nghệ chế biến phù hợp để tăng hiệu quả và nâng cao giá trị
sử dụng của gỗ tràm [1, 8].
Ứng dụng:
• Lá tràm: Tác dụng kháng khuẩn, giải cảm, giảm đau được dùng để điều trị
vết thương, vết bỏng, cảm lạnh, cảm cúm. Một số bệnh viện (Chợ Rẫy, Bình Dân,
Trung tâm chấn thương chỉnh hình) đã sử dụng có hiệu quả các dạng thuốc từ lá
tràm (cao lá tràm, gạc lá tràm) để điều trị bỏng.
• Tinh dầu tràm: dùng làm thuốc chữa bệnh ho, hen suyễn, cảm lạnh, đau
bụng và đau co thắt ở dạ dày. Tinh dầu tràm cũng được dùng làm thuốc bôi, các loại
dầu, cao xoa bóp bên ngoài để chữa các bệnh về thần kinh, đau nhức xương khớp,
đau tai, đau nhức răng. Những thông tin gần đây cho thấy tinh dầu tràm có tác dụng
tốt trong việc chữa các vết bỏng, giảm đau ở các khối u và chỗ sưng tấy. Tinh dầu
tràm cũng có tác dụng an thần, làm thư giãn thần kinh khi mệt mỏi, căng thẳng.
Chương I - Gỗ Tràm và Than hoạt tính
