Trờng đại học vinh khoa Hóa học ---------------- trơng thị hằng khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành: hoá vô cơ Ngời hớng dẫn: TS. Nguyễn Hoa Du Sinh viên thực hiện: Trơng Thị Hằng 1 Vinh - 2006 Lời cảm ơn Để hoàn thành khoá luận này, em xin đợc chân thành cảm ơn: - Thầy giáo- TS.Nguyễn Hoa Du đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để em thực hiện và hoàn thành khoá luận này. - Các thầy cô giáo trong tổ Hoá vô cơ, Ban chủ nhiệm khoa Hoá học, các thầy cô giáo phụ trách trong phòng thí nghiệm trờng Đại học Vinh. Cảm ơn các bạn bè, ngời thân đã tận tình động viên giúp đỡ trong quá trình làm khoá luận này. Vì lần đầu làm khoá luận nên không tránh khỏi sơ suất, thiếu sót. Do vậy em rất mong đợc sự chỉ dạy, đóng góp ý kiến. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 5 năm 2006 Sinh viên Trơng Thị Hằng 2 Mục lục Trang Phần 1 - Tổng quan 5 1.1. Đại cơng về than hoạt tính 5 1.1.1. Khái niệm .5 1.1.2. Cấu tạo than hoạt tính 5 1.1.3. Các đặc trng của than hoạt tính 8 1.1.4. ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý nớc .8 1.1.5. Một số nét đặc thù khác của than hoạt tính 10 1.1.6. Sản xuất than hoạt tính 11 1.2. Quá trình hấp phụ .12 1.2.1. Khái niệm 12 1.2.2. Lực hấp phụ .12 1.2.3. Hấp phụ và giải hấp phụ 12 1.2.4. Những đặc trng chủ yếu về tính năng hấp phụ của than hoạt tính .13 1.2.5. Động học quá trình hấp phụ trên than hoạt tính .15 1.2.6. Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 16 1.2.7. Hấp phụ trên than hoạt tính dạng bột 17 1.2.8. Hấp phụ trên than hoạt tính dạng hạt 17 1.2.9. Khả năng xử lý tái sinh than hoạt tính 17 Phần 2 - Thực nghiệm .19 2.1. Dụng cụ và thiết bị .19 2.2. Hoá chất .19 2.3. Pha chế dung dịch 19 2.4. Kỹ thuật thí nghiệm .19 2.5. Tiến hành thí nghiệm 21 3 2.5.1. Xác định đờng đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than trớc khi xử lý .21 2.5.2. Khảo sát ảnh hởng của các yếu tố đến việc xử lý tái sinh than hoạt tính 25 2.5.2.1. Khảo sát ảnh hởng của thời gian xử lý .25 2.5.2.2. Khảo sát ảnh hởng của nhiệt độ xử lý .27 2.5.2.3. Khảo sát ảnh hởng của nồng độ NaOH dùng để xử lý than 28 2.5.2.4. Đánh giá khả năng hấp phụ của mẫu than sau khi xử lý bằng dung dịch kiềm NaOH 30 Phần 3 - Kết luận .34 Tài liệu tham khảo 35 4 Lời nói đầu Phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nh trong kỹ thuật. Trong hoá học phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng vào việc tách các chất thải, tách các nguyên tố hiếm, là cơ sở của phơng pháp sắc ký Đặc biệt phơng pháp hấp phụ đợc sử dụng rộng rãi để xử lý nớc thải công nghiệp. Vì phơng pháp này rất vạn năng, nó cho phép xử lý nớc thải chứa một lợng hoặc nhiều tạp chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nớc thải rất thấp. Nh vậy phơng pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nớc thải sau khi đã xử lý bằng phơng pháp khác. Hiện nay, xu hớng của thế giới đó là xử lý chất thải nhằm giảm ô nhiễm môi trờng. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các quá trình hấp phụ để xử lý chất thải đã và đang đợc triển khai ngày càng nhiều. Tuy nhiên hiệu quả kinh tế cha cao. Để có thể có đợc tính năng u việt trong xử lý chất thải và mang lợi ích kinh tế thì xu hớng hiện nay là tận dụng lại các chất hấp phụ dùng trong xử lý, để chúng đợc sử dụng lại nhiều nhất. Chất hấp phụ cần đề cập đến đó là than hoạt tính. Than hoạt tính là vật liệu phổ biến đã đợc ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp xử lý nớc thải, nớc sinh hoạt, xử lý không khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, nhằm thu hồi các dung môi hữu cơ, khử mùi, khử màu Hơn nữa giá thành của than hoạt tính lại rẻ và dễ sản xuất. Đó là lý do để tôi chọn đề tài này: Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm . Nhiệm vụ đặt ra của đề tài là: -Khảo sát các điều kiện xử lý tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm NaOH. - Khảo sát tính năng hấp phụ của than trớc và sau khi đã đợc xử lý (tái sinh) bằng kiềm trong dung môi nớc. 5 Phần 1 Tổng quan 1.1. Đại cơng về than hoạt tính. Than hoạt tính là một thuật ngữ chung để gọi tên một dãy các vật liệu cacbon có độ xốp lớn và do đó có một bề mặt riêng rất lớn ( 500 1500 m 2 /g). 1.1.1. Khái niệm. Nhiều dạng Vô định hình của cacbon nh than gỗ, than muội, than cốc Thực tế là những dạng vi tinh thể của than chì. Trong một vài loại than muội, những vi tinh thể đó bé đến mức chỉ gồm vài ô cơ bản của kiến trúc tinh thể than chì. Tính chất lý học của các dạng than trên phụ thuộc chủ yếu vào kiến trúc và diện tích bề mặt của chúng. Than ở dạng bột mịn có bề mặt rất phát triển có khi đến 1000m 2 /g, nên có khả năng hấp thụ rất lớn những phân tử khí, những phân tử chất tan từ dung dịch. Than vừa mới đợc điều chế cha hấp thụ các chất còn có khả năng hấp phụ rất cao đợc gọi là than hoạt tính. 1.1.2. Cấu tạo của than hoạt tính. Than hoạt tính đợc cấu tạo từ dạng cacbon vô định hình. Trong than hoạt tính ngoài những vòng 6 cạnh của các nguyên tử cacbon giống nh than chì, còn có những nhóm CO và OH là sản phẩm tạo nên trong quá trình oxi hoá để điều chế than hoạt tính. Nhờ đó mà hoạt tính cuả than tăng lên. Cấu tạo của lớp than hoạt tính 6 c c c c c c c o OH c c o c c c c c c c c c c c c c c OH c c c c cc c c c c c c c c c c c c c c c c Tùy theo cách sắp xếp của các lớp đối với nhau than hoạt tính có hai dạng tinh thể là kiến trúc tinh thể lục phơng và kiến trúc tinh thể trực thoi. * Cấu trúc xốp của than hoạt tính. Cấu trúc xốp của than hoạt tính phụ thuộc vào việc lựa chọn nguyên liệu ban đầu và kỹ thuật hoạt hoá kế tiếp cùng điều kiện để phát triển cấu trúc xốp. Quá trình hoạt hóa tạo cho than một diện tích bề mặt lớn và một hệ thống lỗ xốp với kích cỡ khác nhau. Khả năng hấp thụ của than hoạt tính liên quan trực tiếp với bản chất xốp của nó, các thông số quan trọng thể hiện tính chất xốp là: - Tính chất bề mặt riêng: Là diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài hạt tính cho một đơn vị khối lợng. - Thể tích lỗ: Là không gian tính cho một đơn vị khối lợng. - Thể tích lỗ xốp riêng: là không gian trống tính cho một đơn vị khối lợng bao gồm độ rỗng bên trong hạt. - Hình dạng mao quản: Có 4 loại : Mao quản hình trụ, hình khe, hình cầu, hình chai. - Diện tích bề mặt là yếu tố quan trọng đầu tiên xác định khả năng hấp phụ của một chất. Diện tích bề mặt càng lớn càng có khả năng tạo nhiều tâm hấp phụ trên bề mặt than. Kích cỡ lỗ xốp cũng rất quan trọng để lựa chọn loại than phù hợp với mục đích sử dụng. * Bản chất hoá học của bề mặt than hoạt tính. Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa nhiều nguyên tố khác, những nguyên tố này chiếm khoảng 5 20% khối lợng than hoạt tính, trong đó chủ yếu là các kim loại dạng oxit (tro) và hidroxit chủ yếu là do quá trình than hoá và hoạt hoá, tạo nên các phức chất chứa oxi trên bề mặt hay các nhóm chức trên bề mặt. Tính chất và hàm lợng các nhóm chức đợc xác định bởi nguyên liệu xuất phát dùng để tạo nên than hoạt tính và bởi quá trình hoạt hoá than. Do đặc điểm hoạt động của các vi tinh thể và ở các liên kết ngang bề mặt than. 7 Bề mặt nguyên thuỷ của than hoạt tính không phân cực nên có ái lực mạnh với hợp chất hữu cơ không phân cực và có ái lực yếu với hợp chất hữu cơ phân cực. Nhng các oxit bề mặt vẫn mang bản chất kỵ nớc của than. Chúng quyết định khả năng hấp thụ hơi nớc 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 vào nhóm chức bề mặt. Các nhóm chức bề mặt bao gồm hai loại: Loại mang tính chất bazơ và loại mang tính chất axit. Chúng thể hiện ở khả năng biến đổi pH của dung dịch. Thành phần các nhóm chức phụ thuộc vào quá trình hoạt hoá và việc xử lý than sau đó. Ví dụ nh khi hoạt hoá than với CO 2 ở nhiệt độ cao, trong hợp chất hấp thụ sẽ tạo ra nhiều nhóm chức bazơ, còn khi hoạt tính than hoạt hóa với oxi ở nhiệt độ thấp sẽ tạo ra nhiều nhóm chức axit hơn. Nhng nói chung các nhóm chức thuộc cả hai loại đều có cùng trên một loại than. 1.1.3. Các đặc trng chính của than hoạt tính. 8 Các đặc trng của vài loại than hoạt tính đợc trình bày trong bảng sau [4.1] Hãng sản xuất Chemviron Norit Ceca Dica Tên gọi F400 Row0,8 NC60 Mcacth Nguồn gốc Khoáng sản Than bùn Gáo dừa Gáo dừa Kích thớc sử dụng (nm) 0,55 -0,65 0,79 0,53 0,59 Hệ số hình dạng <1,9 1,24 1,93 1,68 Mật độ biến thiên (lèn chặt) 0,43 0,38 0,51 0,5 Mật độ biến thiên (không lèn chặt) 0,4 0,36 0,52 0,45 Độ vớ vụn sau 70 lần va đập 11,1 16,5 9 11,1 Độ vỡ vụn sau 1500 lần va đập 23,3 33,0 16 18,4 Độ ẩm của mẫu % 1 <8 3,2 -- Độ tro 4,5 5-8 -- 3,7 Bề mặt BET (m 2 /g) 1050 1200 900 <10500 -- Chỉ số iốt >1550 1000 1120 -- Chỉ số phenol 30 46 28 36 1.1.4. ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý nớc. Than hoạt tính là một vật liệu phổ biến và đã đợc ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp xử lý nớc thải, nớc sinh hoạt, xử lý không khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm nhằm thu hồi các dung môi hữu cơ, khử mùi, khử màu Hơn nữa giá thành của nó rẻ. Trong thực tế than hoạt tính đợc dùng để trừ độc (trong mặt nạ phòng độc) để loại chất bẩn trong lọc đờng và lọc dầu thực vật, làm chất xúc tác cho những phản ứng giữa các chất khí. Chúng ta chia than hoạt tính ra làm hai loại: Than hoạt tính dạng bột (THB), than hoạt tính dạng hạt (THH). * Than hoạt tính dạng bột: Ngời ta đa than hoạt tính dạng bột (độ hạt từ 10 - 50àm) vào giai đoạn đầu của dây chuyền xử lí sau keo tụ_tủa bông,nhằm giảm bớt các ô nhiễm tạm thời hoặc bất thờng(các chất vi ô nhiễm,chất hữu cơ,các hợp chất có vị lạ ) Mặt khác điều đó cho phép giảm bớt liều l ợng ozon trong giai đoạn ozon hoá trung gian và tăng thời gian làm việc của lớp lọc than hoạt tính dạng hạt trong dây chuyền xử lí nớc 9 * Than hoạt tính dạng hạt (THH). Ngời ta có thể sử dụng THH trong kỉ thuật lọc đơn lớp nghĩa là có thể thay than hoạt tính bằng cát. Trong từng trờng hợp này THH không chỉ đóng vai trò của vật liệu hấp thụ mà còn nh là vật liệu lọc. Hiện nay, THH đợc sử dụng trong giai đoạn sau lọc cát hoặc tốt nhất sau giai đoạn oxi hoá (O 3 hoặc O 3 /H 2 O 2 ).Nớc cần xử lí không còn các hạt huyền phù do đó có thể sử dụng than có đờng kính hạt nhỏ(kích thớc hiệu dụng 0,6 0,8mm) và ít phải thau rửa. Nh vậy, ngời ta có thể khai thác tốt hơn các tính chất hấp thụ cuả vật liệu. * Ưu điểm và nhợc điểm của than hoạt tính dạng bột và dạng hạt trong quá trình xử lý bằng phơng pháp hấp phụ. + Ưu điểm: Giảm đầu t, dễ vận hành, dễ bổ sung khi có xẩy ra ô nhiễm đột xuất, hấp phụ nhanh, cải thiện chất lợng gạn lắng. + Nhợc điểm: Không thể hoàn nguyên thu hồi than, giá thành cao, đối với các hệ làm việc liên tục, việc bảo quản và điều chế huyền phù phải đợc đảm bảo an toàn tinh sạch. * Mục đích chính của việc xử lý than hoạt tính: Tăng cờng khả năng loại bỏ các vật liệu hữu cơ tự nhiên và hấp phụ các chất vi ô nhiễm hữu cơ ở trạng thái vết (thuốc trừ sâu, hidrocacbon, dung môi clo hoá ). 1.1.5. Một số nét đặc thù khác của than hoạt tính. ứng dụng chính của than hoạt tính trong công nghệ xử lý nớc, nớc thải là hấp phụ các tạp chất hữu cơ, tuy nhiên do bản chất bề mặt của than phức tạp, các chất trong nớc lại đa dạng về cả thành phần tạp chất vô cơ nên chúng tác động đến tính chất của than và qua đó tác dụng lên khả năng hấp phụ chất hữu cơ. Than hoạt tính là một chất khử, có thể sử dụng để loại bỏ một số chất oxi hoá nh: clo, axithipocloric, cloamin, ozon, pemangnat. Đóng vai trò xúc tác cho một số phản ứng oxi hoá nh xianua với oxi tạo thành xianat cùng một số phản ứng oxi hoá chất hữu cơ. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ một số kim 10