Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
.....................................

BÙI XUÂN HÒA

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ
SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH
TỪ TRẤU
Chuyên ngành: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số ngành: 2.10.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. TRỊNH VĂN DŨNG

ThS. CAO THỊ NHUNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ..... tháng ..... năm 2005


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
-----------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
----------------------------------------------

Tp. HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : BÙI XUÂN HÒA
Phái : Nam
Ngày sinh : 25 / 11 / 1980
Nơi sinh : HÀ TĨNH
Chuyên ngành : QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH MSHV : 00503120
I- TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH TỪ TRẤU
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
1. Nghiên cứu quá trình than hóa nguyên liệu trấu; xác định điều kiện than
hóa tối ưu bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm.
2. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa than trấu; xác định điều kiện hoạt hóa tối
ưu bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10 / 10 / 2005
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TRỊNH VĂN DŨNG
ThS. CAO THỊ NHUNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QLÝ CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày 10 tháng 10 năm 2005

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, với việc hoàn thành Luận Văn này, tôi xin cám ơn Thầy Trịnh
Văn Dũng đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn tôi thực hiện được Đề tài một cách tốt
nhất cũng như và đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin cám ơn Cô Cao Thị Nhung đã hướng dẫn tôi trong thời
gian qua.
Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cám ơn các Quý thầy cô, đồng nghiệp
đang công tác tại Trường ĐHBC Tôn Đức Thắng, Trường ĐH Bách Khoa Tp.
HCM đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể tập trung thực hiện Luận văn
này. Thêm vào đó, tôi cũng xin được gửi lời cám ơn gia đình, các bạn học viên
Cao học K14 khoa Công nghệ Hóa học cùng các bạn sinh viên ĐHBK đã giúp
đỡ, động viên tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện Luận văn này.
Xin chân thành cám ơn.
Tác giả



TÓM TẮT
Trấu là một sản phẩm phụ của ngành sản xuất nông nghiệp có giá trị thấp
tuy được sử dụng trong một số ngành nhưng giá trị không đáng kể. Mục tiêu của
đề tài là nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu bằng cách sử dụng
hơi nước hoạt hóa. Điều kiện công nghệ sản xuất thu được như sau: trấu được làm
sạch rồi than hóa ở điều kiện nhiệt độ khoảng 4700C trong 40 phút sau đó sẽ tiến
hành ngay quá trình hoạt hóa với nhiệt độ hoạt hóa là 7600C, với lượng hơi nước
quá nhiệt cung cấp là 600 mg/g than.giờ và thời gian hoạt hóa trong 2 giờ. Sản
phẩm than hoạt tính thu được có chất lượng trung bình (diện tích bề mặt SBET =
335 m2/g, khả năng hấp phụ xanh metylen 143 mg/g than).

ABSTRACT
Rice husk – a low-value agriculture by-product – has been used in some
manufacturing areas but not valuable. Our thesis's objective is research in
manufacture technology of activate carbon from rice husk with activated agent is
overheated steam. These achieved technical conditions are: after washing and
drying material (rice husk) is carbonized at 4700C in our equipment about 40
minutes; then, the carbonized product is immediately activated by overheated
steam at 7600C in 2 hour with vapor rate is 600 mg vapor/g rice husk coal. Our
activate carbon product has medium quality (specific surface area SBET = 335
m2/g; the amount of Methylene blue adsorbed is 143 mg/g).


MỤC LỤC
Mục lục

Trang

Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU

1

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRẤU VÀ THAN HOẠT TÍNH

3

1.1. Than hoạt tính

3

1.1.1. Định nghóa – Phân loại

3

1.1.2. Cấu trúc của than hoạt tính

4

1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính

4

1.1.2.2. Cấu trúc xốp của than hoạt tính


7

1.1.2.3. Cấu trúc hóa học của than hoạt tính

9

1.2. Nguyên liệu trấu – Sản lượng và Ứng dụng

11

1.2.1. Tình hình sản xuất lúa gạo

11

1.2.2. Trấu

14

1.2.3. Các ứng dụng phổ biến của trấu

16

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

22

2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất than hoạt tính

22


2.1.1. Qui trình công nghệ sản xuất than hoạt tính

22

2.1.2. Quá trình than hóa

22

2.1.3. Quá trình hoạt hóa

25

2.1.3.1. Phương pháp hóa lý

26

2.1.3.2. Phương pháp hóa học

31

2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu

33


2.2.1. Nhu cầu than hoạt tính trong nước

33


2.2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu

34

2.2.2.1. Quá trình than hóa

34

2.2.2.2. Quá trình hoạt hóa trấu đã than hóa

36

2.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng than hoạt tính

38

2.3.1. Các phương pháp đánh giá thông dụng

38

2.3.2. Tổng quan về quá trình hấp phụ

40

2.3.2.1. Giới thiệu về quá trình hấp phụ

40

2.3.2.2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt


43

2.3.2.3. Hấp phụ trong hỗn hợp lỏng – rắn

47

PHẦN 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

54

CHƯƠNG 3. THIẾT BỊ – NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT – PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU

54

3.1. Nguyên liệu – Hóa chất

54

3.1.1. Nguyên liệu

54

3.1.2. Hóa chất

54

3.2. Thiết bị – Tiến hành thí nghiệm

55


3.2.1. Trình tự nghiên cứu thực nghiệm

55

3.2.2. Thí nghiệm than hóa

55

3.2.2.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm

55

3.2.2.2. Tiến hành thí nghiệm

56

3.2.3. Thí nghiệm hoạt hóa

57

3.2.3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm

57

3.2.3.2. Tiến hành thí nghiệm

58

3.3. Phương pháp nghiên cứu

3.3.1. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm

59
59


3.3.1.1. Phương án quay bậc 2 Box – Hunter

59

3.3.1.2. Tiêu chuẩn tối ưu của phương án – Nghiên cứu bề
mặt đáp ứng

62

3.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Xanh metylen trong pha lỏng của
sản phẩm than hoạt tính

63

3.3.2.1. Chuẩn bị dung dịch chuẩn

63

3.3.2.2. Nghiên cứu đường động học hấp phụ Xanh metylen

64

3.3.2.3. Nghiên cứu đường cân bằng hấp phụ Xanh metylen


64

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM – BÀN LUẬN

65

4.1.

Kết quả khảo sát nguồn nguyên liệu

65

4.2.

Quá trình than hóa: hiện tượng – kết quả – bàn luận

66

4.3.

4.2.1. Kết quả khảo sát chế độ than hóa

66

4.2.2. Bài toán qui hoạch thực nghiệm – Tối ưu quá trình than hóa

68

Quá trình hoạt hóa: hiện tượng – kết quả – bàn luận


71

4.3.1. Kết quả khảo sát chế độ hoạt hóa

71

4.3.2. Bài toán qui hoạch thực nghiệm – Tối ưu quá trình hoạt hóa

73

4.3.2.1. Quá trình hấp phụ Xanh metylen của than hoạt tính
từ trấu

75

4.3.2.2. Bài toán tối ưu hóa quá trình hoạt hóa than trấu
bằng hơi nước

84

KẾT LUẬN

89

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

90

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ


91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

92

PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
B.E.T.: Brunauer – Emmett – Teller
SBET: Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp B.E.T.
EPDT: Etylen-Popylen-Diene-Tepolymer
SEM: Kính hiển vi điện tử quét
TYT: thực nghiệm yếu tố toàn phần
TYP: thực nghiệm yếu tố từng phaàn


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Sản lượng lúa gạo và trấu trên thế giới năm 2002.
Bảng 1.2. Một số thống kê về sản xuất lúa gạo ở Việt Nam những năm gần đây.
Bảng 1.3. Thành phần cơ bản của trấu.
Bảng 1.4. Các nguồn năng lượng sinh học chủ yếu ở Việt Nam (2002).
Bảng 1.5. Cơ hội sử dụng và tiềm năng của trấu thóc.
Bảng 2.1. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm (mg/g) của than hoạt tính từ trấu.
Bảng 4.1. So sánh các chỉ tiêu của trấu nguyên liệu với trấu Thái Lan.
Bảng 4.2. Các thông số khảo sát tối ưu quá trình than hóa.
Bảng 4.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo phương án quay trực giao Box – Hunter.
Bảng 4.4. Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo nhiệt độ hoạt hóa.
Bảng 4.5. Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo thời gian hoạt hóa.

Bảng 4.6. Các thông số khảo sát tối ưu quá trình hoạt hóa than trấu.
Bảng 4.7. Ma trận mã hóa các thí nghiệm của quá trình hoạt hóa.
Bảng 4.8. Các giá trị của phương trình Langergren biểu diễn động học bậc nhất
của quá trình hấp phụ Xanh Methylene của các mẫu than hoạt tính.
Bảng 4.9. Kết quả tính toán mô hình hóa đẳng nhiệt hấp phụ Xanh Methylene
theo phương trình Freundlich.
Bảng 4.10. Kết quả tính toán mô hình hóa đẳng nhiệt hấp phụ Xanh Metylen theo
phương trình Langmuir.
Bảng 4.11. Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo phương án quay trực giao Box – Hunter.
Bảng 4.12. Kết quả đo diện tích bề mặt SBET của một số mẫu than hoạt tính


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính.
Hình 1.2. Cấu trúc than không Graphit hóa.
Hình 1.3. Cấu trúc than Graphit hóa.
Hình 1.4. Cây lúa – Hạt lúa.
Hình 1.5. Hạt gạo – Vỏ trấu.
Hình 1.6. Quá trình xay xát lúa.
Hình 1.7. Sơ đồ mô tả ứng dụng của trấu trong sản xuất.
Hình 2.1. Qui trình sản xuất than hoạt tính
Hình 2.2. Cấu trúc lỗ lớn
Hình 2.3. Cấu trúc lỗ trung
Hình 2.4. Cấu trúc lỗ nhỏ
Hình 2.5. Hình SEM bề mặt (a) và mặt cắt (b) của trấu nguyên thủy
Hình 2.6. Hình chụp SEM của trấu nhiệt phân ở 3500C
Hình 2.7. Hình chụp SEM của trấu nhiệt phân ở 8500C
Hình 2.8. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Hình 2.9. Đường hấp phụ đẳng nhiệt L – R
Hình 3.1. Công thức cấu tạo Xanh Metylen

Hình 3.2. Qui trình sản xuất than hoạt tính từ trấu
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm than hóa trấu nguyên liệu
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm hoạt hóa trấu
Hình 3.5. Phương án phân bố thí nghiệm tối ưu quá trình than hóa trấu của Luận
văn với n = 2, k =2
Hình 3.6. Phương án phân bố thí nghiệm tối ưu quá trình hoạt hóa than trấu của
Luận văn với n = 2, k =3


Hình 4.1. Mối quan hệ phụ thuộc giữa hiệu suất và thời gian than hóa tại các
vùng nhiệt độ gia nhiệt khác nhau
Hình 4.2. Mối quan hệ phụ thuộc giữa hiệu suất và nhiệt độ than hóa tại các
vùng nhiệt độ khác nhau
Hình 4.3. Đồ thị đường chuẩn của dung dịch Xanh Metylen
Hình 4.4. Đồ thị đường động học hấp phụ Xanh Methylene của mẫu than số 7
Hình 4.5. Đồ thị đường động học hấp phụ Xanh Methylene của mẫu than số 8
Hình 4.6. Hàm đáp ứng Langergren quá trình hấp phụ Xanh metylen mẫu 2
Hình 4.7. Hàm đáp ứng Langergren quá trình hấp phụ Xanh metylen mẫu 18
Hình 4.8. Đồ thị đường hấp phụ cân bằng mẫu than 1
Hình 4.9. Đồ thị đường hấp phụ cân bằng mẫu than 7


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
B.E.T.: Brunauer – Emmett – Teller
SBET: Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp B.E.T.
EPDT: Etylen-Popylen-Diene-Tepolymer
SEM: Kính hiển vi điện tử quét
TYT: thực nghiệm yếu tố toàn phần
TYP: thực nghiệm yếu tố từng phaàn



DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Sản lượng lúa gạo và trấu trên thế giới năm 2002
Bảng 1.2. Một số thống kê về sản xuất lúa gạo ở Việt Nam những năm gần đây
Bảng 1.3. Thành phần cơ bản của trấu
Bảng 1.4. Các nguồn năng lượng sinh học chủ yếu ở Việt Nam (2002)
Bảng 1.5. Cơ hội sử dụng và tiềm năng của trấu thóc
Bảng 1.6. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm (mg/g) của than hoạt tính từ trấu
Bảng 3.1. So sánh các chỉ tiêu của trấu nguyên liệu với trấu Thái Lan
Bảng 3.2. Các thông số khảo sát tối ưu quá trình than hóa.
Bảng 3.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo phương án quay trực giao Box – Hunter.
Bảng 3.4. Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo nhiệt độ hoạt hóa
Bảng 3.5. Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo thời gian hoạt hóa
Bảng 3.6. Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo lượng hơi nước cung cấp
Bảng 3.7. Các thông số khảo sát tối ưu quá trình hoạt hóa than trấu
Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo nhiệt độ hoạt hóa.
Bảng 3.8. Ma trận thí nghiệm mã hóa của quá trình hoạt hóa
Khả năng hấp phụ và hiệu suất hoạt hóa theo thời gian hoạt hóa.
Bảng 3.9. Các giá trị của phương trình Langergren biểu diễn động học bậc nhất
của quá trình hấp phụ Xanh Methylene của các mẫu than hoạt tính từ
trấu.
Các thông số khảo sát tối ưu quá trình hoạt hóa than trấu.
Bảng 3.10. Kết quả tính toán mô hình hóa đẳng nhiệt hấp phụ Xanh Methylene
theo phương trình Freundlich.
Bảng 3.11. Kết quả tính toán mô hình hóa đẳng nhiệt hấp phụ Xanh Metylen theo
phương trình Langmuir.


Bảng 3.12. Sơ đồ bố trí thí nghiệm theo phương án quay trực giao Box – Hunter.



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cây lúa – Hạt lúa
Hình 1.2. Hạt gạo – Vỏ trấu
Hình 1.3. Quá trình xay xát lúa
Hình 1.4. Sơ đồ mô tả ứng dụng của trấu trong sản xuất
Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính
Hình 1.6. Cấu trúc than không Graphit hoá
Hình 1.7. Cấu trúc than Graphit hoá
Hình 1.8. Qui trình sản xuất than hoạt tính
Hình 1.9. Cấu trúc lỗ lớn
Hình 1.10. Cấu trúc lỗ trung
Hình 1.11. Cấu trúc lỗ nhỏ
Hình 1.12. Hình SEM bề mặt (a) và mặt cắt (b) của trấu nguyên thủy
Hình 1.13. Hình chụp SEM của trấu nhiệt phân ở 3500C
Hình 1.14. Hình chụp SEM của trấu nhiệt phân ở 8500C
Hình 2.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Hình 2.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt L – R
Hình 2.3. Công thức cấu tạo Xanh Metylen
Hình 2.4. Qui trình sản xuất than hoạt tính từ trấu
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm than hóa trấu nguyên liệu
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm hoạt hóa trấu
Hình 2.7. Phương án phân bố thí nghiệm tối ưu quá trình than hóa trấu của Luận
án với n = 2, k =2
Hình 2.8. Phương án phân bố thí nghiệm tối ưu quá trình hoạt hóa than trấu của
Luận án với n = 2, k =3


Hình 3.1. Mối quan hệ phụ thuộc giữa độ giảm khối lượng và thời gian than hóa
tại các nhiệt độ khác nhau

Hình 3.2. Mối quan hệ phụ thuộc giữa độ giảm khối lượng và nhiệt độ than hóa
ở các vùng nhiệt độ khác nhau
Hình 3.3. Đồ thị đường chuẩn của dung dịch Xanh Metylen
Hình 3.4. Đồ thị đường động học hấp phụ Xanh Methylene của mẫu than số 2
Hình 3.5. Đồ thị đường động học hấp phụ Xanh Methylene của mẫu than số 19
Hình 3.6. Hàm đáp ứng Langergren quá trình hấp phụ Xanh metylen mẫu 2
Hình 3.7. Hàm đáp ứng Langergren quá trình hấp phụ Xanh metylen mẫu 19
Hình 3.8. Đồ thị đường hấp phụ cân bằng mẫu than 7
Hình 3.9. Đồ thị đường hấp phụ cân bằng mẫu than 10


1

MỞ ĐẦU
Đi đôi với sự phát triển kinh tế, phát triển công – nông nghiệp, dịch vụ luôn
kèm theo một vấn đề rất đáng lo ngại cho đất nước ta, đó là vấn đề ô nhiễm môi
trường – mối hiểm họa có ảnh hưởng lâu dài và rất nguy hiểm trong tình hình
hiện nay.
Hấp phụ là một phương pháp được sử dụng rất rộng rãi trong việc xử lý môi
trường. Vật liệu đang được sử dụng rất nhiều hiện nay đó là than hoạt tính với các
ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác, đó là tính chọn lọc, dung lượng
hấp phụ cao, tốc độ hấp phụ nhanh. Than hoạt tính được sử dụng rất rộng rãi
trong thực tế hiện nay nhưng vẫn có giá tương đối cao.
Ở nước ta cũng như các nước nông nghiệp Đông Á, Đông Nam Á, Nam Á
nói chung, hàng năm sản lượng lúa gạo rất lớn dùng cho nhu cầu nội địa cũng như
xuất khẩu. Một trong các sản phẩm phụ của sản xuất gạo đó là trấu, thường được
đem đốt cháy, gây ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, ở các vùng nông thôn
chúng ta hiện nay, đặc biệt là các nhà máy dệt nhuộm, các khu công nghiệp vấn
đề ô nhiễm nguồn nước đang là một vấn đề bức xúc.
Nếu việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu trấu có hiệu quả

thì không những chúng ta giải quyết được vấn đề xử lý trấu thải mà còn có thể
sản xuất nguồn than hoạt tính rẻ tiền trong khi chất lượng than vẫn bảo đảm sử
dụng tốt trong thực tế.
Việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu bằng phương pháp hoạt hóa
hơi nước chưa hề được nghiên cứu tại Việt nam, do vậy mục đích của Luận văn là
muốn giải quyết các vấn đề thực tiễn sau: tận dụng nguồn trấu để sản xuất than
hoạt tính, xây dựng một nghiên cứu có tính khoa học đối với công nghệ sản xuất
than hoạt tính bằng hơi nước tại Việt nam. Bên cạnh đó, với việc mô tả quá trình


2

than hóa và hoạt hóa hơi nước bằng biểu thức toán học sẽ giúp xây dựng qui trình
sản xuất tối ưu đối với công nghệ sản xuất này.
Mục đích của luận văn:
Nghiên cứu phương pháp than hóa trấu và hoạt hóa than trấu bằng hơi nước.
Trên cơ sở đó, xây dựng một phương trình toán học mô tả sự phụ thuộc của các
yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng than sản phẩm. Từ đó xây dựng được cơ sở lý
luận cho việc ứng dụng than hoạt tính từ trấu cho xử lý các chất thải màu từ các
nhà máy dệt nhuộm.
Các nội dung thực hiện được của luận văn:
- Nghiên cứu quá trình than hóa, khảo sát quá trình xảy ra từ đó đưa ra các
khoảng hoạt động tối ưu cho quá trình than hóa. Trên cơ sở đó, sử dụng phương
pháp tối ưu hóa thực nghiệm để đề ra phương án than hóa tối ưu nhất.
- Xác định khả năng hấp phụ thuốc nhuộm Xanh metylen của than hoạt
tính thu được từ hoạt hóa than trấu bằng hơi nước, xác định diện tích bề mặt mẫu
than thu được theo phương pháp BET.
- Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa than, từ đó sử
dụng phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm để đề ra phương án hoạt hóa tối ưu
nhất.

Ý nghóa khoa học và thực tiễn:
- Giải quyết được vấn đề tận dụng nguồn trấu thải, sử dụng để sản xuất
chất hấp phụ có đặc tính bảo vệ môi trường.
- Về mặt khoa học, đã đưa ra được qui trình công nghệ tối ưu cho việc sản
xuất than hoạt tính từ trấu bằng hoạt hóa hơi nước.
- Với việc dùng phương pháp qui hoạch thực nghiệm, đã tiếp cận bài toán
hóa học bằng phương pháp toán học.


3

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU VỀ TRẤU VÀ THAN HOẠT TÍNH
1.1. THAN HOẠT TÍNH: [3], [10], [11]
1.1.1. Định nghóa – Phân loại:
Than hoạt tính là vật liệu cacbon có nhiều lỗ xốp được tạo thành nhờ than
hóa rồi hoạt hóa các chất hữu cơ có nguồn gốc chủ yếu từ sinh vật học. Giá trị lớn
nhất của than hoạt tính là khả năng hấp phụ rất lớn do có cấu trúc xốp rất cao
được hình thành trong quá trình sản xuất.
Than hoạt tính có nhiều loại được sản xuất tùy thuộc vào kích thước lỗ, diện
tích bề mặt riêng (m2/g):
- Loại có kích thước lỗ nhỏ (≤ 15 A0), SBET = 1.000÷2.000 m2/g. Đây là loại
có thể tái sinh, được sản xuất từ than đá, than gáo dừa,... có độ bền cơ học cao
dùng cho xử lý nước, hấp thu nguyên tố phóng xạ...
- Loại có kích thước lỗ trung bình (15÷1.000 A0), SBET vài trăm m2/g. Đây là
loại không thể tái sinh, được sản xuất từ than gỗ mềm, mùn cưa, trấu, bã mía...
dùng để tẩy màu, tẩy mùi dung dịch.... Sản phẩm than hoạt tính của Luận văn
nghiên cứu nằm trong phạm vi này.
- Loại có kích thước lỗ lớn (1.000÷2.000 A0), SBET vài chục m2/g. Chúng chỉ
được sản xuất với các nhu cầu đặc biệt.

Than hoạt tính có tính chất hút giữ mạnh các khí, tẩy màu, mùi do trên bề
mặt than xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn. Những điều này có được là do bản
chất cấu tạo bên trong của than hoạt tính.
Tính chất than hoạt tính phụ thuộc vào ba yếu tố:


4

–

Tính chất nguyên tử cacbon trong tập hợp cacbon của than hoạt tính.

–

Sự có mặt các tạp chất trong tập hợp cacbon và trên bề mặt than.

–

Trạng thái vật lý trên bề mặt than.

1.1.2. Cấu trúc của than hoạt tính: [1], [3], [10], [11]
1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính: [10], [11]
Than hoạt tính thuộc nhóm vật liệu graphit, nét điển hình của cấu trúc là sự
sắp xếp của các nguyên tử cacbon trên đỉnh lục giác đều nằm cách nhau những
khoảng đồng nhất, chúng được phân bố trong những mặt song song trên các đỉnh
lục giác đều cách nhau 1,42A0, khoảng cách giữa các mặt phẳng lục giác là
3,35A0.

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính.
Trong mặt phẳng mạng nguyên tử cacbon liên kết với 3 nguyên tử cacbon

lân cận bằng lực liên kết hóa trị, lực điện tử hóa trị này theo thứ tự thực hiện mối
liên kết giữa các mặt phẳng, mối liên kết này yếu như liên kết nguyên tử trong
phân tử kim loaïi.


5

Phăng-Klanh đã dùng phương pháp Rơn-ghen để nghiên cứu các mẫu chế
tạo bằng cách nhiệt phân Polivinylinden Clorua (PVDC), Polyvinyl Clorua (PVC)
và một số chất khác. Theo các công trình này thì 65% cacbon trong mẫu nghiên
cứu nằm trong các lớp Graphit, lượng còn lại được sắp xếp kém trật tự hơn. Tác
giả chia vật liệu cacbon (trừ kim cương) thành 2 lớp: lớp không Graphit hóa
(cứng) và lớp Graphit hóa (mềm), qua thực nghiệm cho thấy ở những nhiệt độ
trên 10000C bắt đầu có sự chuyển hóa từ dạng không Graphit hóa sang dạng
Graphit hóa.
Nghiên cứu còn cho thấy, ngay từ đầu quá trình than hóa, trong than của
PVDC các liên kết ngang giữa các tinh thể cơ bản lân cận đã phát triển mạnh,
các tinh thể cơ bản định hướng ngẫu nhiên đối với nhau tạo ra khối rắn có cấu
trúc xốp phát triển, cấu trúc này được bảo toàn ngay ở nhiệt độ cao.

Hình 1.2: Cấu trúc than không Graphit hoá.
Than của PVC là loại Graphit hoá, ngay từ khởi đầu quá trình than hóa các
tinh thể cơ bản đã linh động, liên kết ngang giữa chúng yếu, đồng thời cấu trúc
xốp không phát triển nên than tương đối mềm.


6

Hình 1.3: Cấu trúc than Graphit hoá.
Than hoạt tính thuộc loại vật liệu cacbon không Graphit hóa, các tinh thể cơ

bản trong than không có cấu trúc hoàn chỉnh như Graphit, các mặt song song dễ
bị xê dịch một cách ngẫu nhiên và xen phủ lẫn nhau. Ở than hoạt tính kích thước
trung bình của các tinh thể khoảng 30x9A0. Tuỳ thuộc vào mức độ liên kết giữa
các tinh thể mà phần bề mặt tiếp xúc được với các phân tử bị hấp thụ có thể thay
đổi, trong trường hợp sự sắp xếp tinh thể là lý tưởng nhất cho việc tạo bề mặt
riêng, bề mặt này có thể đạt tới 2000m2/g. Bề mặt riêng của than thương phẩm
nằm trong giới hạn 400-1000m2/g.
Các nguyên tử cacbon trên bề mặt không đồng nhất về năng lượng, năng
lượng các nguyên tử trên bề mặt và trên cạnh tinh thể không giống nhau. Những
tinh thể bị phá huỷ một phần, những “mảnh” vòng lục giác chứa một số nguyên
tử hóa trị không bão hòa, có khuynh hướng tác dụng hóa học với các phân tử lạ
hay các gốc. Quá trình cacbon hoá tạo ra than mà hóa trị tự do của các nguyên tử
trên bề mặt tinh thể được bão hòa chính là nhờ chúng liên kết với các gốc sản
phẩm nhiệt phân.
Khi hoạt hoá ở 900-9500C các gốc này phần thì bị tách đi phần thì bị tác
nhân hoạt hoá oxi hóa chuyển thành khí dễ bị khử hấp thụ. Quá trình hoạt hóa


7

còn làm cháy một phần tinh thể cacbon, phá hủy các vòng lục giác làm xuất hiện
thêm các mạch nhánh không bão hòa của nguyên tử cacbon.
1.2.2.2. Cấu trúc xốp của than hoạt tính: [3], [10], [11]
Quá trình hoạt hóa ngoài việc làm sạch bề mặt than khỏi các hợp chất hữu
cơ cũng như làm sạch các dạng cacbon không tổ chức, giải phóng độ xốp do quá
trình than hóa tạo ra còn phá hủy một phần các tinh thể cacbon tạo thêm không
gian trống giữa các tinh thể, nghóa là tạo thêm độ xốp cho than.
Khi thực hiện quá trình hoạt hóa thích hợp sẽ tạo ra trong than lượng lớn các
mao quản và bề mặt than lớn. Danh từ xốp chỉ thể tích các lỗ xốp tính cho một
đơn vị khối lượng (cm3/g) than hay chất hấp thụ nói chung.

Độ xốp tổng cộng của chất hấp thụ được xác định theo công thức :
VΣ =

1 1
−
δ d

(1.1)

VΣ : độ xốp tổng, cm3/ g
δ : khối lượng riêng biểu kiến, g/cm3

d : khối lượng riêng thực, g/cm3
Nhiều tài liệu thực nghiệm chứng tỏ rằng các lỗ xốp trong than hoạt tính có
kích thước và hình dáng rất khác nhau và được chia thành xốp lớn, xốp trung và
xốp nhỏ.
- Dạng xốp lớn: Những lỗ xốp có kích thước lớn, có thể quan sát trực tiếp
bằng kính hiển vi quang học, được xếp vào dạng xốp lớn. Người ta đã chụp ảnh
được những lỗ xốp lớn của than hoạt tính sản xuất từ gỗ.
- Dạng xốp trung: Đây là dạng biến dạng xốp của than hoạt tính, có thể
quan sát dạng lỗ này bằng kính hiển vi điện tử. Ra-du-ke-vit và Luc-kia-no-vit đã
chụp ảnh được lỗ xốp trung và thấy rõ đường kính lỗ khoảng 200A0.


8

- Dạng xốp nhỏ: Đây là dạng xốp lỗ nhỏ nhất trong than hoạt tính, người ta
chưa quan sát trực tiếp được dạng lỗ xốp này. Những nghiên cứu hấp phụ cho
phép kết luận rằng kích thước lỗ nhỏ gần kích thước phân tử chất bị hấp phụ.
Lý do làm cho than hoạt tính có cấu trúc hỗn tạp là ở chỗ trong quá trình

hoạt hóa bên cạnh việc hình thành lỗ xốp mới luôn luôn có sự mở rộng kích thước
của lỗ xốp có sẵn.
Trong quá trình hấp phụ mỗi dạng xốp mới có chức năng riêng. Lỗ xốp nhỏ
có ý nghóa lớn nhất về mặt hấp phụ vì bề mặt riêng của nó tới cả ngàn m2/g; lỗ
xốp trung có vai trò trong hấp phụ nơi đó xảy ra ngưng tụ mao quản khi áp suất
hơi đủ cao, tác dụng thứ hai của lỗ xốp trung là làm đường dẫn chất bị hấp phụ
vào xốp nhỏ.
Theo Đu-bi-nin chỉ một số lỗ nhỏ là trực tiếp thông với mặt ngoài hạt than.
Cấu trúc xốp của than tổ chức như sau: lỗ xốp lớn không trực tiếp ra mặt ngoài, lỗ
xốp trung là nhánh của lỗ xốp lớn và xốp nhỏ là nhánh của xốp trung.
Vậy vai trò của của lỗ xốp lớn chủ yếu là tạo điều kiện để phân tử chất bị
hấp phụ nhanh tới những lỗ xốp nhỏ hơn, nằm sâu hơn trong hạt than; chúng
không có vai trò gì trong hấp phụ. Bề mặt riêng của lỗ xốp lớn rất nhỏ, bán kính
lỗ xốp lớn lại quá lớn, không xảy ra ngưng tụ mao quản trong lòng xốp lớn. Tuy
nhiên trong trường hợp than hoạt tính được dùng làm chất mang xúc tác lỗ xốp
kích thước lớn rất quan trọng vì chất xúc tác được phân bố trong lỗ xốp lớn này.
Tóm lại, diện tích bề mặt và thể tích riêng của các lỗ xốp trong than phụ
thuộc vào nguyên liệu và phương pháp chế tạo. Sự thích hợp của một loại than
cho một mục đích cụ thể phụ thuộc tỉ số giữa lượng các lỗ xốp có kích thước khác
nhau, những biến đổi nhỏ về lỗ xốp sẽ làm thay đổi tính chất áp dụng của một
loại than. Bên cạnh đó, tính chất hấp phụ cũng như các tính chất khác của than