BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT QUI TRÌNH SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH TỪ
VỎ QUẢ CA CAO

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ QUẾ ANH
Ngành: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
Niên khóa: 2004-2008

Tháng 10/2008


KHẢO SÁT QUI TRÌNH SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ QUẢ
CA CAO

Tác giả

NGUYỄN THỊ QUẾ ANH

Khóa luận được đệ trình để hoàn tất yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành
Công nghệ Hoá học

Giáo viên hướng dẫn
ThS. NGUYỄN HỮU ANH TUẤN

Tháng 10 năm 2008

LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn đầu tiên con xin được dành cho Ba Mẹ và mọi người thân trong gia
đình – những người đã sinh thành, nuôi dưỡng và cho con những đều tốt đẹp nhất.
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Nguyễn Hữu Anh Tuấn, người
thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Nông Lâm Tp.Hồ Chí
Minh, cùng quý thầy cô Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học đã tận tình giảng dạy và tạo mọi
đều kiện thuận lợi cho lớp DH04HH khóa 30 trong suốt thời gian vừa qua.
Cảm ơn tập thể lớp DH04HH khóa 30 – những người bạn đã bên tôi trong suốt
4 năm học tập.
Và cuối cùng, xin gửi đến tất cả những người đã và đang quan tâm đến tôi một
tình cảm thương yêu mà không phải lúc nào tôi cũng có dịp bày tỏ.
Tác giả.
Nguyễn Thị Quế Anh

ii


TÓM TẮT
Vỏ quả ca cao là một phế phẩm trong ngành công nghiệp chế biến ca cao,
nguồn phế phẩm này được giải quyết bằng cách sử dụng làm chất đốt, phân bón hữu
cơ…
Nhưng hiện nay, ca cao là một trong những cây công nghiệp đang được quan
tâm phát triển, và diện tích trồng ca cao ngày càng tăng. Vì vậy mục tiêu của đề tài
“Khảo sát qui trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ quả ca cao” được tiến hành để giải
quyết phần nào vấn đề phế phẩm vỏ quả ca cao.
Đề tài được tiến hành tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Công nghệ Hóa học,
thời gian từ 20/03/2008 đến 25/09/2008.
Qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm đã thu được các kết quả như sau:
Nguyên liệu vỏ quả ca cao sau khi phơi khô được than hóa ở nhiệt độ 350oC, trong

thời gian 30 phút; sau đó được tẩm hóa chất H3PO4 nồng độ 30%, tiến hành hoạt hóa ở
nhiệt độ 850oC, trong thời gian 210 phút. Sản phẩm thu được có diện tích bề mặt là
357,17m2/g; thể tích lỗ xốp là 0,657cm3/g.

iii


MỤC LỤC
TRANG TỰA

i

LỜI CẢM ƠN

ii

TÓM TẮT

iii

MỤC LỤC

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

ix

Chương I

1

MỞ ĐẦU

1

1.1. Đặt vấn đề

1

1.2. Mục đích của đề tài

2

1.3. Nội dung của đề tài

3

1.4. Yêu cầu

3


Chương II

4

TỔNG QUAN

4

2.1. Tổng quan về than hoạt tính

4

2.1.1 Định nghĩa

4

2.1.2 Vật liệu sản xuất than hoạt tính

4

2.1.3 Một vài nghiên cứu gần đây trong việc điều chế THT

5

2.1.4 Phân loại than hoạt tính

8

2.1.5 Phương pháp điều chế than hoạt tính


10

2.1.6 Cấu trúc của than hoạt tính

14

2.1.7 Ứng dụng của THT

19

2.1.8 Tái sinh THT

20

2.1.9 Tình hình sản xuất THT ở nước ta

21

2.2. Tổng quan về cây ca cao

22

2.2.1 Lịch sử phát triển của cây ca cao

22

2.2.2 Hiện trạng ca cao ở Việt Nam

24


2.2.3 Nguyên liệu vỏ quả ca cao

25
iv


2.3. Hấp phụ

30

2.3.1 Định nghĩa về hấp phụ

30

2.3.2 Hấp phụ vật lý

31

2.3.3 Hấp phụ hóa học

32

2.3.4 Cấu trúc chất hấp phụ

32

2.3.5 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt

35


Chương III

38

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

38

3.1. Vật liệu

38

3.1.1 Nguồn nguyên liệu

38

3.1.2 Dụng cụ và hoá chất

40

3.2. Phương pháp nghiên cứu

42

3.2.1 Khảo sát tính chất của nguyên liệu

43

3.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình than hóa của vỏ quả ca cao


44

3.2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình hoạt hóa

46

3.2.4 Đều kiện tối ưu để điều chế than hoạt tính từ vỏ quả ca cao

50

Chương IV

53

KẾT QUẢ & NHẬN XÉT – KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM

53

4.1. Kết quả và nhận xét

53

4.1.1 Kết quả khảo sát tính chất của nguyên liệu

53

4.1.2 Kết quả khảo sát quá trình than hóa

56


4.1.3 Kết quả của quá trình hoạt hóa

62

4.1.4 Kết quả tối ưu hóa quá trình đều chế than hoạt tính từ vỏ quả ca cao

75
79

4.2. Khảo sát chất lượng sản phẩm THT
4.2.1. Khả năng hấp phụ màu Xanhmetyl

80

4.2.2 Khối lượng riêng

81

4.2.3 Cấu trúc xốp của than ( Thể tích lỗ xốp)

82

4.2.4 Diện tích bề mặt của sản phẩm THT từ vỏ quả ca cao

83

v


Chương V


84

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

84

5.1 Kết luận

84

5.1.1 Tính chất của nguyên liệu vỏ quả ca cao khô

84

5.1.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình than hóa

84

5.1.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hoạt hóa

84

5.1.4 Đánh giá chất lượng sản phẩm THT đều chế từ vỏ quả ca cao

84

5.2. Kiến nghị

85


TÀI LIỆU THAM KHẢO

87

PHỤ LỤC

89

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DTBM

Diện tích bề mặt

CHP

Chất hấp phụ

CBHP

Chất bị hấp phụ

HPVL

Hấp phụ vật lý


HPHH

Hấp phụ hóa học

THT

Than hoạt tính

XM

Xanhmetyl

TB

Trung bình

_

không có

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Hàm lượng cacbon của một vài nguyên liệu thường được sử dụng làm THT5
Bảng 2.2: Các thành phần cơ bản trong THT

18

Bảng 2.3: Diện tích và năng suất của cây ca cao


25

Bảng 2.4: Thành phần các chất trong vỏ quả ca cao

28

Bảng 2.5: Thành phần các chất khoáng trong vỏ quả ca cao

28

Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm quá trình tối ưu đều chế THT từ vỏ quả ca cao

51

Bảng 3.2: Đường chuẩn Xanhmetyl

52

Bảng 4.1: Hàm lượng ẩm của vỏ quả ca cao và gáo dừa

53

Bảng 4.2: Hàm lượng chất hữu cơ của vỏ quả ca cao và gáo dừa

54

Bảng 4.3: Hàm lượng tro của vỏ quả ca cao và gáo dừa

55


Bảng 4.4: Sự thay đổi hiệu suất theo nhiệt độ than hóa

56

Bảng 4.5: Sự thay đổi của hiệu suất theo thời gian tại mức nhiệt độ 300oC

58

Bảng 4.6: Sự thay đổi của hiệu suất theo thời gian tại mức nhiệt độ 350oC

58

Bảng 4.7: Sự thay đổi của hiệu suất theo thời gian tại mức nhiệt độ 400oC

58

Bảng 4.8: Khảo sát quá trình than hóa tại mức nhiệt độ 300oC

60

Bảng 4.9: Khảo sát quá trình than hóa tại mức nhiệt độ 350oC

60

Bảng 4.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa

62

Bảng 4.11: Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa


66

Bảng 4.12: Ảnh hưởng của nồng độ H3PO4 khi hoạt hóa than

68

Bảng 4.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm than trong H3PO4

71

Bảng 4.14: Ảnh hưởng của thời gian ngâm H3PO4

74

Bảng 4.15: Tối ưu hóa quá trình đều chế THT từ vỏ quả ca cao

77

Bảng 4.16: Khả năng hấp phụ của than ca cao và than gáo dừa

80

Bảng 4.17: Khả năng hấp phụ của than ca cao trước và sau khi tẩm H3PO4

80

Bảng 4.18: Khối lượng riêng của than ca cao và than gáo dừa

81


Bảng 4.19: Thể tích lỗ xốp của than ca cao và than gáo dừa/1 đơn vị khối lượng

82

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Phế phẩm vỏ quả ca cao tại xã Xà Bang, huyện Châu Đức, BR – VT

2

Hình 2.1: Than hoạt tính dạng bột

8

Hình 2.2: Than hoạt tính dạng hạt

9

Hình 2.3: Than hoạt tính dạng khối đặt

9

Hình 2.4: Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất than hoạt tính

10

Hình 2.5: Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính


14

Hình 2.6: Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính

15

Hình 2.7: Các dạng lỗ xốp của than hoạt tính

16

Hình 2.8: Cấu trúc lỗ xốp lớn của than hoạt tính

16

Hình 2.9: Cấu trúc lỗ xốp trung của than hoạt tính

17

Hình 2.10: Cấu trúc trúc lỗ xốp nhỏ của than hoạt tính

17

Hình 2.11: Ca cao Criollo

22

Hình 2.12: Ca cao Forastero

23


Hình 2.13: Nấm Phytophthora Palmivora

26

Hình 2.14: Nấm Phytophthora trên vỏ quả ca cao

26

Hình 2.15: Cơ chế hấp phụ của THT

31

Hình 2.16: Cơ chế hấp phụ hoá học

32

Hình 2.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

36

Hình 2.18: Đường đẳng hấp phụ BET

37

Hình 3.1: Nguyên liệu vỏ quả ca cao tại Bà Rịa – Vũng Tàu

38

Hình 3.2: Sơ đồ qui trình thực nghiệm


42

Hình 3.3: Đường chuẩn Xanhmety

52

Hình 4.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình nhiệt phân lên hiệu suất than

56

Hình 4.2: Đường biểu diễn hiệu suất than hóa thay đổi theo thời gian 300 ÷ 400oC

59

Hình 4.3: Đường biểu diễn hiệu suất than hóa theo thời gian tại 300oC & 350oC

61

Hình 4.4: Sản phẩm vỏ quả ca cao sau quá trình than hóa

62

Hình 4.5: Sản phẩm gáo dừa sau quá trình than hóa

62

Hình 4.6: Đường biểu diễn số mg Xanhmetyl bị hấp phụ theo nhiệt độ hoạt hóa

63


Hình 4.7: Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa lên số mg Xanhmetyl bị hấp phụ

66

ix


Hình 4.8: Đường biểu diễn số mg Xanhmetyl bị hấp phụ theo nồng độ H3PO4

69

Hình 4.9: Đường biểu diễn số mg Xanhmetyl bị hấp phụ theo nhiệt độ ngâm than

72

Hình 4.10: Đường biểu diễn số mg Xanhmetyl bị hấp phụ theo thời gian ngâm H3PO4 74
Hình 4.11: Dung dịch H3PO4 sau khi ngâm than

x

81


Chương I
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Bên cạnh sự phát triển không ngừng của đất nước, về cả công – nông nghiệp lẫn
dịch vụ. Một vấn đề khiến ta phải quan tâm lo lắng là vấn nạn ô nhiễm ở nước ta ngày
càng đáng báo động.

Có rất nhiều phương pháp và cách thức được đưa ra từ các chuyên gia môi
trường để giải quyết vấn đề này. Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp
được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả nhất ở nước ta hiện nay.
Loại vật liệu quan trọng được sử dụng phổ biến hiện nay là than hoạt tính, có
khả năng hấp phụ cao, tốc độ hấp phụ nhanh, hấp phụ một cách có chọn lọc và dễ sử
dụng…Tuy nhiên giá cả của loại than này còn tương đối cao. Ở Việt Nam, số lượng
nhà máy chuyên sản xuất than hoạt tính chưa nhiều và qui mô sản xuất chưa lớn. Hầu
hết đều phải nhập từ các nước như Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Ấn Độ…
Ngày nay, ca cao là một trong những cây công nghiệp đã và đang được chú
trọng phát triển ở Việt Nam. Với đều kiện sinh trưởng phù hợp với một số tỉnh thuộc
vùng Duyên hải Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu
Long; chính sách đầu tư mở rộng diện tích trồng ca cao được thúc đẩy tích cực. Bên
cạnh đó thị trường tiêu thụ sản phẩm ca cao có mức cầu cao hơn mức cung, mạng lưới
thu mua đang hình thành và mở rộng.
Dự kiến năm 2010, tổng diện tích trồng ca cao trên cả nước sẽ là 20.000 ha, thu
hoạch với sản lượng đạt 10.000 tấn hạt ca cao khô [1].
Theo nghiên cứu của Adomako và Tuah (1988), để thu được một tấn hạt ca cao
thì lượng vỏ quả ca cao tươi thải ra ngoài khoảng 10 tấn.


Hình 1.1: Phế phẩm vỏ quả ca cao tại xã Xà Bang, huyện Châu Đức, BR – VT
Vì vậy vấn đề đặt ra là phải giải quyết lượng vỏ quả ca cao một cách hiệu quả
và kinh tế nhất. Không những vỏ quả ca cao là phế phẩm khó xử lý cho người nông
dân mà còn là môi trường phát triển của nấm bệnh gây hại cho cây ca cao nên cần phải
xử lý nhanh và thật triệt để.
Được sự phân công và giúp đỡ của các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa
học, cùng với sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Hữu Anh Tuấn, tôi đã đi vào nghiên cứu
và thực hiện đề tài “Khảo sát qui trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ quả ca cao”.
1.2. Mục đích của đề tài
Các nghiên cứu trong việc tìm nguồn nguyên liệu đều chế than hoạt tính từ vỏ

trấu, sọ dừa, bã mía…bước đầu đã cho những kết quả tốt. Một số nghiên cứu gần đây
còn cho thấy vỏ quả cao cao – phế phẩm của ngành công nghiệp chế biến ca cao, là
một nguyên liệu có thể được sử dụng đều chế than hoạt tính.
Đề tài được tiến hành dựa trên các mục tiêu chính:
– Tổng quan về xu hướng tận dụng vỏ quả ca cao trong nền công nông nghiệp hiện nay ở nước ta.
– Xây dựng quy trình chế biến than hoạt tính từ vỏ quả ca cao.
– Xác định đều kiện tối ưu cho quy trình.
– Đánh giá một số đặc tính của than hoạt tính đều chế từ vỏ quả ca cao.

2


1.3. Nội dung của đề tài
– Tổng quan về than hoạt tính: cấu trúc, phương pháp đều chế…
– Tổng quan về cây ca cao: lịch sử phát triển, các loại nấm bệnh, thực
trạng trồng ca cao ở nước ta…
– Thực hiện quá trình đều chế than hoạt tính từ vỏ quả ca cao.
– Đo bề mặt riêng bằng phương pháp BET, xác định thể tích lỗ xốp, và
xác định khả năng hấp phụ màu của than hoạt tính đều chế từ vỏ quả
ca cao.
1.4. Yêu cầu
– Giải quyết lượng phế phẩm từ vỏ quả ca cao.
– Đưa ra kết luận về đều kiện tối ưu để sản xuất than hoạt tính từ vỏ
quả ca cao.

3


Chương II
TỔNG QUAN

2.1. Tổng quan về than hoạt tính
2.1.1 Định nghĩa
Than hoạt tính (Activated carbon) là loại vật liệu cacbon có nhiều lỗ xốp được
tạo thành nhờ quá trình than hoá rồi hoạt hoá các chất hữu cơ có nguồn gốc chủ yếu từ
thực vật, và một số ít từ động vật.
Khoảng không gian giữa các tinh thể của than hoạt tính (THT) tạo nên cấu trúc
xốp, vì vậy diện tích bề mặt (DTBM) riêng của THT khá lớn, khoảng từ 250 m2/g 2500 m2/g [9].
Vì có cấu trúc đặt biệt nên THT được sử dụng để hấp phụ các vật chất hữu cơ
và hợp chất không phân cực dạng khí hoặc dạng lỏng rất tốt.
THT còn giúp các vi khuẩn phân hủy một phần chất bị hấp phụ [14].
2.1.2 Vật liệu sản xuất than hoạt tính
Chất lượng của THT phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu ban đầu, vì nó qui định
DTBM, cấu trúc lỗ xốp và kích thước lỗ sau này của THT.
Theo Balci (1992) bất cứ loại nguyên liệu nào có chứa hàm lượng cacbon cao
và hàm lượng tro thấp đều có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất THT.
Một số nguyên liệu thuờng dùng để sản xuất THT [6, 7, 9]:
– Từ động vật: các loại xương.
– Từ thực vật: gỗ, bã mía, trấu, sọ dừa, vỏ quả, hạt quả…
– Mỏ khoáng sản: bitunious, antraxit, than bùn…
– Từ polymer: cao su, các loại chất phế thải tổng hợp.


– Các nguồn vật liệu khác nữa như: giấy, một số sản phẩm phụ trong
quá trình sản xuất dầu hỏa, đường…
Người ta thường sử dụng bitunious và antraxit để sản xuất THT vì có hàm
lượng cacbon rất cao, sản phẩm THT tạo thành có khả năng hấp phụ tốt.
Nguyên liệu được lựa chọn tiếp theo là gỗ, than bùn; và các loại nguyên liệu có
nguồn gốc thực vật khác như: vỏ dừa, mạt cưa, hạt quả… vì có thể hoạt hóa dễ dàng,
cho THT chất lượng cao.
Bảng 2.1: Hàm lượng cacbon của một vài nguyên liệu thường được sử dụng làm THT

Nguyên liệu

C (%)

Gỗ mềm

40

Gỗ cứng

40

Than non

60

Bitunious

75

Antraxit

90
(Balci, 1992)

2.1.3 Một vài nghiên cứu gần đây trong việc đều chế THT [14, 15, 16]
Trước khi thuyết hấp phụ ra đời, con người đã biết sử dụng than để hút giữ các
chất như khí, hơi, hoặc các chất tan. Khả năng hút giữ các chất được biết đến đầu tiên
là từ than gỗ.
Người Hi Lạp cổ đã sử dụng than gỗ để chữa một số bệnh trong y học như hút

khử mùi hôi từ các vết thương bị hoại thư. Người Ai Cập cổ dùng than để tẩy màu cho
dầu ôliu. Người Anh dùng than để lọc nước sử dụng trong các chuyến đi dài ngày trên
biển.
Tuy không biết gì về thuyết hấp phụ, về chất hấp phụ hoặc về cấu trúc của than, nhưng
từ xưa con người đã biết dùng than để phục vụ cho từng nhu cầu riêng của mình.
Đó mới chỉ là than chưa được hoạt hóa nhưng cũng đã cho những kết quả khá
tốt.
5


Để tăng khả năng hấp phụ của than hơn nữa; vài thế kỷ sau, các nhà khoa học
đã không ngừng tìm kiếm những loại nguyên liệu mới cùng cách thức đều chế thích
hợp để tạo ra sản phẩm THT có chất lượng tốt hơn.
Trên thế giới hiện nay có một vài nghiên cứu đáng quan tâm của các nhà khoa
học về THT làm từ những phụ phế phẩm trong công nghiệp hoặc nông nghiệp. Với
cách thức hoạt hóa hóa học, lẫn hoạt hóa vật lý đều được đưa vào thử nghiệm.
Vì đề tài “Khảo sát qui trình sản xuất than hoạt tính từ vỏ quả ca cao”, đi theo
hướng sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc từ nông nghiệp, nên tôi xin điểm qua một số
nghiên cứu tiêu biểu trong việc điều chế THT từ phụ phế phẩm nông nghiệp.
a. Những nghiên cứu đều chế THT sử dụng phương pháp hóa học
Bevla và cộng sự (1984) đã đưa ra phương pháp điều chế THT từ vỏ quả hạnh.
Quá trình điều chế THT đã sử dụng các tác nhân hóa học như: H3PO4, ZnCl2, K2CO3,
Na2CO3…trong đó ZnCl2 là tác nhân hoạt hóa tốt nhất cho sản phẩm THT từ vỏ quả
hạnh có khả năng hấp phụ cao.
Laine (1989) đã thực hiện điều chế THT từ gáo dừa và sử dụng tác nhân hoạt
hóa là H3PO4. Trong quá trình than hóa và hoạt hóa có sự tham gia của N2 và O2, phản
ứng thực hiện trong lò nung kín hoàn toàn. Nhiệt độ tốt nhất để cho ra sản phẩm có
khả năng hấp phụ cao là 450oC.
Balci (1994) dùng cách tẩm dung dịch NH4Cl vào vỏ quả hạnh và vỏ quả phỉ.
Than hóa trong đều kiện có N2 và ở nhiệt độ thấp. Hoạt hóa ở 350oC thu được sản

phẩm có DTBM lớn hơn 500 m2/g. Nhưng nếu hoạt hóa ở 700oC thì DTBM của than
lớn hơn 700 m2/g.
Toles (1997) điều chế THT từ vỏ quả hạnh và vỏ quả đào. Đặc biệt, ông đã tiến
hành hoạt hóa bằng phương pháp vật lý và hóa học cùng lúc; tác nhân hóa học là
H3PO4, tác nhân vật lý là CO2. Sản phẩm có khả năng hấp phụ chất hữu cơ và kim loại
rất tốt.
Girgis (1998) tẩm H3PO4 vào hạt quả mơ; than hóa ở các nhiệt độ 300oC,
400oC, 500oC. Tỉ lệ khối lượng nguyên liệu/khối lượng acid là 1,5/1. Nồng độ acid tẩm
vào lần lượt là 20, 30, 40, 50%. Sau quá trình thực nghiệm, Girgis thấy rằng khi nhiệt
6


độ tăng thì DTBM tăng từ 700 ÷ 1400 m2/g. Sản phẩm có khả năng hấp phụ tốt nhất
khi được điều chế ở điều kiện nhiệt độ 500oC, nồng độ acid 30 %.
Hu (2001) sử dụng gáo dừa và hạt cọ làm THT, tác nhân hoạt hóa là ZnCl2 và
có sự góp mặt của CO2. Hu quan sát được rằng DTBM và tổng số lỗ xốp có thể đều
chỉnh được nếu thay đổi các thông số như tỷ lệ ZnCl2, thời gian hoạt hóa và nhiệt độ
hoạt hóa.
Ozer (2002) điều chế THT từ phần bã của củ cải đường sau khi đã tẩm H3PO4
30%. Hoạt hóa ở nhiệt độ từ 300 ÷ 500oC. Thời gian hoạt hóa lần lượt là 90, 120, 180,
300 phút. Kết quả thu được cho thấy DTBM tăng khi tăng nhiệt độ và thời gian hoạt
hóa. DTBM khoảng 104,6 m2/g khi nhiệt độ hoạt hóa là 500oC, thời gian hoạt hóa 300
phút.
Basso (2002) sản xuất THT từ cây mía, sử dụng tác nhân H3PO4. Sản phẩm có
khả năng hấp phụ tốt đối với ion Cd (II) và Ni (II) ở dạng dung dịch loãng, sản phẩm
có DTBM là 1.100 m2/g, thể tích lỗ xốp là 1 cm3/g.
b. Những nghiên cứu đều chế THT sử dụng phương pháp vật lý
Solano (1980) sản xuất THT từ vỏ quả hạnh bằng cách sử dụng CO2 hoặc
không khí hoạt hóa trực tiếp vào nguyên liệu. Solano thấy rằng, nếu hoạt hóa trực tiếp
với CO2 ở 700oC cho sản phẩm có DTBM nhỏ hơn so với ở mức nhiệt độ là 900oC.

Sản phẩm thu được khi hoạt hóa bằng không khí ở nhiệt độ 300 ÷ 400oC thì DTBM
không lớn, nhưng lỗ xốp dạng trung và dạng lớn sẽ nhiều hơn. Nếu hoạt hóa ở nhiệt độ
cao hơn thì sản phẩm có DTBM từ 1500 ÷ 2000 m2/g, tuy nhiên còn phụ thuộc vào
cách nung nguyên liệu.
Reinoso (1985) điều chế THT từ hạt quả mận, hạt quả đào. Tác nhân là CO2,
thời gian là 8 ÷ 16 giờ. Với sản phẩm THT từ hạt quả mận có thể tích lỗ xốp từ 0,27 ÷
0,77 cm3/g; sản phẩm THT từ hạt quả đào có lỗ xốp dạng nhỏ từ 0,23 ÷ 0,38 cm3/g.
Sản phẩm từ hạt quả mận chứa loại lỗ xốp lớn và lỗ xốp trung nhiều hơn so với hạt quả
đào.
Perez (1991) sản xuất THT từ hạt quả hạnh, tác nhân CO2, bằng phương pháp
đốt cháy các hợp chất hữu cơ khoảng 29 ÷ 82% so với khối lượng ban đầu. Đầu tiên,
7


các hạt được than hóa trong đều kiện có khí trơ argon. Khi tăng khả năng đốt cháy các
hợp chất hữu cơ lên thì cũng làm tăng khả năng hấp phụ và kích thước lỗ xốp nhỏ của
sản phẩm THT sau này.
Bacaoui (2001) điều chế THT từ phần bã của trái ôliu sau khi đã ép hết dầu, tác
nhân là hơi nước, sản phẩm tạo thành có điều kiện hoạt hóa tốt nhất là 68 phút tại nhiệt
độ 822oC. Khi kiểm tra chất lượng THT cho kết quả sau:
Khả năng hấp phụ màu XM : 115 ÷ 490 mg/g
Khả năng hấp phụ màu Iodine: 741 ÷ 1.495 mg/g
Diện tích bề mặt ( phương pháp BET) : 541 ÷ 1.270 m2/g
Thể tích lỗ xốp micro : 0,225 ÷ 0,377 cm3/g
2.1.4 Phân loại than hoạt tính
THT có nhiều dạng như: dạng bột, sợi ống, mảnh, ép…mỗi loại có chức năng
hấp phụ khác nhau. Hiện nay trên thị trường thường sử dụng 3 dạng THT sau:
a. Dạng bột cám (Powdered Activeted Carbon- PAC)
Đường kính khoảng 0,15 ÷ 0,25 mm [7], có DTBM riêng lớn. Được tạo ra từ
quá trình nghiền, tạo ra than ở dạng bột mịn. PAC được sử dụng để hấp phụ các chất ở

dạng lỏng.

Hình 2.1: Than hoạt tính dạng bột
Với tác dụng loại bỏ các chất màu, chất gây mùi, đặt biệt là các chất cặn bẩn
trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm….Thường dùng khi chất bị hấp phụ là pha
lỏng, than có DTBM không lớn lắm, nhưng có độ xốp cao, tạo điều kiện cho quá trình
khuyếch tán [16].
8


b. Dạng hạt (Granulated Activeted Carbon – GAC)
GAC có DTBM riêng tương đối lớn. Thường dùng để hấp phụ các chất khí, hơi
và khử mùi cho hiệu quả rất tốt [7]. Than có độ bền cơ học, có DTBM và dung lượng
hấp phụ lớn.

Hình 2.2: Than hoạt tính dạng hạt
Tùy thuộc vào kích thước mà loại THT này có chức năng khác nhau [5, 9]:
– Nếu kích thước 8 x 20; 20 x 40; 8 x 30 (tính theo m) dùng cho
các chất hấp phụ ở dạng lỏng.
– Nếu kích thước 4 x 6; 4 x 8; 4 x 10 (tính theo m) dùng cho các
chất hấp phụ là chất khí.
Được sử dụng trong các quá trình xử lý nước thải, trong sản xuất mặt nạ phòng
tránh khí độc, là chất tải xúc tác…
c. Dạng khối đặt (Extrucded solid block - ESB)
Có đường kính khoảng 0,8 ÷ 5mm [7]. Được tạo ra nhờ quá trình nén hoặc ép
đùn; tùy thuộc vào từng loại khuôn cho ra những hình dạng khác nhau, nhưng thường
là hình trụ. ESB sử dụng hấp phụ các chất khí, đặt biệt thích hợp dùng trong các thiết
bị máy móc làm việc với cường độ cao.

Hình 2.3: Than hoạt tính dạng khối đặt

9


*Ngoài ra cũng có một số cách phân loại khác:
1. Phân loại theo mục đích sử dụng: tẩy màu, dùng trong y tế, dùng
để hấp phụ mùi (khử mùi)…
2. Phân loại theo cấu trúc lỗ xốp để lựa chọn các trường hợp sử dụng
phù hợp :
 Cấu trúc lỗ xốp nhỏ dùng cho hấp phụ các chất khí.
 Cấu trúc lỗ xốp lớn và nhỏ có số lượng gần bằng nhau
dùng để thu hồi một số chất đặc biệt.
 Cấu trúc lỗ xốp lớn dùng để tẩy màu.
3. Phân loại theo tính đặt thù riêng: Than dùng để hấp phụ kim loại,
than oxy hóa để xử lý phóng xạ, than dùng trong mặt nạ phòng độc…Phần
lớn những than đó đều đã được biến tính, thay đổi tính chất của các nhóm
chức hoặc thêm các nhóm chức mới trên bề mặt than, bằng cách tẩm thêm
một số chất xúc tác hoặc thực hiện phản ứng oxy hóa.
2.1.5 Phương pháp điều chế than hoạt tính
Qui trình công nghệ sản xuất than hoạt tính
Nguyên liệu

Than hóa

Hoạt hóa

Phương pháp hóa học, hoặc
vật lý

Sản phẩm than
hoạt tính

Hình 2.4: Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất than hoạt tính
10


a. Quá trình than hóa
Quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao, trong môi trường không có
khí oxy. Giai đoạn đầu của quá trình là làm khô nguyên liệu, cho hơi nước thoát ra
hoàn toàn, sau đó là các hợp chất dễ bay hơi và các khí…
Sản phẩm thu được có độ bền vật lý kém hơn so với nguyên liệu ban đầu. Than
có được độ xốp vì cấu trúc tinh thể bên trong vẫn được giữ nguyên không đổi, chỉ có
sự giảm đi của các hợp chất dễ bay hơi. Sản phẩm sau than hóa có chất lượng tốt nhất
nếu hàm lượng cacbon đạt trên 80% [14].
Quá trình than hóa trên nguyên liệu có nguồn gốc thực vật thường bắt đầu ở
nhiệt độ trên 170oC, và kết thúc ở 500 ÷ 600oC [16]. Quá trình này cần diễn ra nhanh
và hoàn toàn để giảm thời gian cacbon bị phân hủy, sẽ tạo nhiều tro. Hiệu suất của quá
trình này được qui định bởi hàm ẩm chứa trong nguyên liệu ban đầu. Bên cạnh đó sự
ổn định nhiệt độ trong lò nung, và nhiệt độ than hóa không nên quá cao cũng là những
yếu tố quan trọng.
Theo Smisek và Cerny (1970); Wigmans (1985) yếu tố ảnh hưởng đến chất
lượng than hoạt tính nhiều nhất phải kể đến là hắc ín. Sản phẩm phụ này có thể lắp đầy
các lỗ xốp, làm ảnh hưởng đến độ xốp của than khi tiến hành hoạt hóa, làm giảm khả
năng hấp phụ của THT.
b. Quá trình hoạt hoá
Có hai phương pháp để tiến hành quá trình hoạt hóa, gồm phương pháp hóa học
và phương pháp vật lý. Mục đích của quá trình này là loại bỏ hắc ín, giải phóng các lỗ
xốp sau quá trình than hóa, làm tăng khả năng hấp phụ của THT. Mặc khác tạo thêm
nhiều cấu trúc lỗ xốp nhỏ để tăng DTBM của than.
 Phương pháp hoạt hóa hóa học [3, 14]:
Quá trình này được thực hiện bằng cách đưa thêm một số tác nhân hóa học vào
nguyên liệu sau khi than hóa. Chúng có tác dụng làm phân hủy hoặc dehydrat các phân

tử hợp chất hữu cơ còn lại, đồng thời làm tăng sự phát triển của các lỗ xốp. Nhiệt độ
trong quá trình này thấp hơn so với phương pháp hoạt hóa vật lý.

11


Tác nhân hoạt hóa sử dụng nhiều nhất là ZnCl2, H3PO4, Na2SO4, K2S,
NaOH,…Các chất này sẽ làm nguyên liệu bị mất nước, sau đó thay đổi cấu trúc khung
cacbon, làm xuất hiện lỗ xốp và làm tăng DTBM của than.
Những nguyên liệu đều chế THT có nguồn gốc từ thực vật, nên trong thành
phần của nó chủ yếu là các bó sợi cellulose được xếp đặt có trật tự. Tác nhân hoá học
làm cho các sợi này mất liên kết với nhau, trương phồng lên, tuy nhiên vị trí của các
sợi cellulose vẫn được giữ nguyên.
Đồng thời với quá trình thay đổi cấu trúc và bản chất hóa học của cellulose,
hàng loạt các phản ứng khác như phản ứng oxy hóa, phản ứng thủy phân…cũng xảy
ra, giúp hạn chế sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn.
Lượng hóa chất tẩm vào nguyên liệu là một trong những yếu tố quan trọng, bên
cạnh yếu tố nhiệt độ và thời gian hoạt hóa, trong quá trình hoạt hóa [16]. Ngoài ra còn
có nhiệt độ lúc tẩm hóa chất, nồng độ của hóa chất được tẩm vào than.
Nhưng nhìn chung, khi lượng hóa chất tăng thì tổng số lỗ xốp nhỏ cũng tăng
theo. Nhiều thực nghiệm cho thấy tác nhân hoạt hóa là ZnCl2 là tốt nhất, nhưng cần xử
lý sạch tác nhân này trong sản phẩm than trước khi đưa ra sử dụng trên thị trường [15].
Bên cạnh đó H3PO4 cũng được sử dụng nhiều vì có thể làm sạch chất này bằng cách sử
dụng hơi quá nhiệt thổi qua khối than.
 Phương pháp hoạt hóa vật lý [7, 16]:
Tác nhân hoạt hoá là hơi nước, CO2, oxy từ không khí,… thường hoạt hóa ở
nhiệt độ 600 ÷ 1200oC, tùy thuộc vào từng loại tác nhân hoạt hóa.
– Hoạt hóa than bằng hơi nước:
C + H2O  CO + H2
Phản ứng giữa cacbon và hơi nước là phản ứng trên bề mặt phân chia pha, các

phân tử hơi nước tham gia phản ứng trên bề mặt cacbon. Theo đó quá trình hình thành
và phân hủy phức chất bề mặt xảy ra trong lớp hấp phụ. Tính phức tạp của phản ứng
hoạt hóa ở chỗ vật liệu cacbon có cấu trúc xốp, phản ứng hoạt hóa để tạo thêm độ xốp
luôn xảy ra trên thành các mao quản.

12


– Hoạt hóa than bằng CO2:
Nghĩa là thực hiện phản ứng CO2 + C. Phản ứng có thể xảy ra theo một trong
hai cơ chế.
Cơ chế A:
C + CO2  Ohp + CO
Ohp + C  CO
CO + C  COhp
Giả sử CO bị hấp phụ và chiếm giữ các vị trí hoạt động trên bề mặt cacbon, thì
phản ứng có tốc độ chậm nhất và nó quyết định tốc độ chung của phản ứng hoạt hóa.
Cơ chế B:
C + CO2  Ohp + CO
Ohp + C  CO
Cả hai phản ứng này đều quyết định tốc độ chung của quá trình.
– Hoạt hóa than bằng O2:
C + O2  CO + CO2
Phản ứng này gặp nhiều khó khăn vì khó khống chế nhiệt độ của lò đốt. Ngoài
ra, do tác dụng mãnh liệt của oxy mà hiện tượng cháy không xảy ra trên thành các mao
quản mà xảy ra trên bề mặt than.
Khi nguyên liệu cháy được khoảng 10% so với khối lượng ban đầu thì cấu trúc
cacbon bị phá vỡ, tạo nên các vết nứt lớn bên trong và bên ngoài bề mặt vật liệu. Tác
nhân hoạt hóa sẽ xâm nhập vào và hoạt hóa để tạo các đường nứt nhỏ hơn, làm tăng
DTBM của than, đồng thời làm sạch phần nào các sản phẩm phụ sau than hóa.

Do phản ứng với oxy tỏa nhiệt, nên nhiệt độ hoạt hóa thường thấp và khó đều
khiển, vì thế tác nhân này ít được sử dụng vì cho hiệu quả không cao. Phản ứng với
hơi nước, khí CO2 thu nhiệt nên tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và dễ khống chế được
quá trình chính. Vì vậy, đây là phương pháp sản xuất thông dụng nhất.

13


Chế độ hoạt hóa quyết định chất lượng của THT, đó là yếu tố cháy đều trong
thể tích hạt than. Khi khống chế được quá trình cháy đều thì mức độ cháy của than
(phần hao hụt so với nguyên liệu) sẽ quyết định độ xốp của sản phẩm. Thông thường
quá trình than hóa, hoạt hóa được tách riêng. Nhưng hiện nay được tiến hành liên tiếp
cùng nhau. Sản phẩm thu được có hiệu suất và khả năng hấp phụ cao hơn.
2.1.6 Cấu trúc của than hoạt tính
a. Cấu trúc tinh thể của THT
Thành phần chủ yếu của THT là cacbon, ngoài ra còn có lượng nhỏ các oxit
kim loại tồn tại dưới dạng tro, hàm lượng phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu.
Cấu trúc tinh thể của THT được hình thành từ sự sắp xếp của các nguyên tử
cacbon trên đỉnh lục giác đều, kích thước mỗi cạnh là 1,45Ao. Các vi tinh thể này tạo
thành các lớp cách nhau 3,35Ao [16].

Hình 2.5: Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính
Các nhà khoa học khi nghiên cứu đã chia vật liệu cacbon (trừ kim cương )
thành hai lớp:
 Lớp không graphip hóa: Trong thành phần cấu tạo có chứa khá nhiều
oxy và một lượng nhỏ hidro, liên kết ngang giữa các tinh thể cơ bản lân
cận tăng mạnh, có sự định hướng ngẫu nhiên với nhau, tạo ra khối rắn
14