1
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 4
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 5
Chương 1 - TỔNG QUAN ......................................................................................... 6
1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt ....................................................................... 6
1.1.1 Than hoạt tính .............................................................................................. 6
1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ........................................................ 9
1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt ...................................................................... 12
1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính ................................................... 13
1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp ........................................................................... 16
1.2.2 Trung hòa kiềm ........................................................................................... 18
1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ ......................... 19
1.3.1 Tính axit bề mặt của cacbon. ...................................................................... 20
1.3.2 Tính kị nước ............................................................................................... 20
1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực ............................................................................ 21
1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch ....................................................................... 23
1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên. ..................................................................................... 24
1.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than ....................................................................... 25
1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính .......................................................................... 29
1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính bằng N
2
.......................................................... 30
1.5.2 Biến tính bề mặt than bằng halogen ............................................................ 31
1.5.3 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa. ............................................ 31
1.5.4 Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm ....................................................... 33 2
3.5 Xác định một số đặc trưng của than biến tính .................................................... 61
3.5.1 Xác định diện tích bề mặt riêng của than .................................................... 61 3
3.5.2 Xác định các nhóm chức có thể có trên bề mặt các loại than ...................... 64
3.5.3 Xác định tổng số tâm axit trên bề mặt than ................................................. 65
3.5.4 Khảo sát pHpzc của các loại than. .............................................................. 68
3.5.5 Bước đầu nghiên cứu cơ chế hấp phụ amoni của than biến tính .................. 69
3.6 Khảo sát khả năng xử lý amoni bằng mô hình động .......................................... 72
3.6.1 Khảo sát khả năng trao đổi của than biến tính với amoni ........................... 72
3.6.2 Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu....................................................... 73
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 77
4
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Trần
Hồng Côn đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí báu trong
quá trình nghiên cứu.
Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm.
Chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm
hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn.
Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản
thân, sự giúp đỡ của những người xung quanh, đặc biệt là những người thầy, đồng
nước sinh hoạt, đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là loại bỏ các cation và anion
trong nước; chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt
tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước”. 6
Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt của than hoạt tính
1.1.1 Than hoạt tính
Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than
hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó
có diện tích bề mặt rất lớn.
Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước.
Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụ
cho mục đích chữa bệnh. Người Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng
cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng
năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường. Than hoạt tính này được sản
xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có
mặt của hơi nước hoặc CO
2
. Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ
nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm[5].
Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho nhiều
mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ
trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong
kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm
sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha
khí. Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng,
0
C.
Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về dạng
cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than,
chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than.
Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [13].
Quá trình than hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu hầu như luôn luôn là hệ phân
tử lớn do sự tổng hợp hoặc quá trình tự nhiên. Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách
tăng nhiệt độ xử lý, quá trình xảy ra cùng với sự giải phóng khí và chất lỏng có khối
lượng phân tử thấp. Do đó, than thu được là dạng khác của nguyên liệu ban đầu có thể
lớn hơn hoặc nhỏ hơn hình dạng ban đầu nhưng nó có tỷ trọng thấp hơn. Khi tăng nhiệt
độ xử lý sẽ tạo ra cấu trúc trung gian bền hơn. Trong quá trình than hóa, khi hệ đại
phân tử ban đầu phân hủy, các nguyên tử cacbon còn lại trong mạng đại phân tử di
chuyển khoảng ngắn (có thể < 1nm) trong mạng tới vị trí bền hơn, thậm chí tạo ra
mạng các nguyên tử cacbon(có hydro liên kết với nó). Thành phần của nguyên liệu ban
đầu khác nhau sẽ phân hủy theo những cách riêng, tạo ra các dạng than khác nhau.
Khoảng cách (kích thước nguyên tử) được mở ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử 8
khác, sự di trú của nguyên tử cacbon và các liên kết của chúng tạo ra mạng xốp có
thành phần là các nguyên tử cacbon. Mỗi loại than có đặc trưng xốp khác nhau.
Than hóa trong pha lỏng: Các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo
thành cacbon có thể graphit hóa về cơ bản là than không xốp. Do đó để tạo ra một loại
than xốp từ những nguyên liệu này cần 1 phản ứng tác động lên các lớp graphen. Quá
trình than hóa trong pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với trong pha rắn. Bằng sự than
hóa pha lỏng, dạng có thể graphit hóa được tạo thành.
Cacbon hóa trong pha khí cần phải được kiểm soát cẩn thận nguồn nguyên liệu
đầu vào. Nguyên liệu có thể là metan, propan hoặc benzen nhưng quan trọng nhất là
quá trình cacbon hóa (bẻ gãy hoặc nhiệt phân) nguyên liệu khí ở áp suất tương đối thấp
C
được thổi vào ở nhiệt độ khoảng 1000
0
C. Một số túi khí trở thành dòng khí và thoát ra
khỏi lỗ xốp. Hình thức này phụ thuộc lớn vào nguyên liệu được sử dụng. Một nguyên
liệu cứng như là gáo dừa tạo ra nhiều lỗ nhỏ trong khi nguyện liệu mềm như than bùn
luôn tạo ra nhiều lỗ trung.
Nếu tiếp tục thổi hơi nước trong 1 thời gian dài, nhiều hơn rất nhiều các túi khí
tạo thành dòng khí và để lại các lỗ trống. Đầu tiên chúng ta thu được lỗ nhỏ. Khi tiếp
tục quá trình, xung quanh túi khí cũng chuyển thành khí và lỗ xốp phát triển thành lỗ
trung và nếu tiếp tục thì sẽ tạo thành lỗ lớn. Do đó, ta không nên kéo dài quá trình hoạt
hóa.
Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tất
nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu
được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa. Trong quá trình
hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và bay
hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu. Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với
nhau thành các lớp thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên. Sự sắp xếp của các lớp
thơm này không tuân theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp. Các chỗ
trống này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời.
1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính[5]
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết
ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển.
Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm
3
) và mức độ graphit hóa thấp. Cấu
trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình
hoạt hóa, khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống 11
riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính. Dubinin còn đề
xuất thêm rằng cấu trúc vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 cấu trúc vi lỗ bao gồm các vi lỗ
đặc trưng với bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 0.6 – 0.7nm và siêu vi lỗ với bán kính hiệu
dụng từ 0.7 đến 1.6nm. Cấu trúc vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hấp
phụ khí và hơi và công nghệ tia X.
Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ 2
đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0.1 đến 0.2cm
3
/g. Diện tích bề mặt của lỗ này
chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc
biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt
được từ 0.2 – 0.65cm
3
/g và diện tích bề mặt của chúng đạt 200m
2
/g. Các lỗ này đặc
trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất
lỏng bị hấp phụ.
Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than
hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0.5m
2
/g. Chúng
có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng 500- 2000nm với thể tích
lỗ từ 0.2 – 0.4cm
3
/g. Chúng hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ
nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản.
Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng có thể xác định oxy và
hydro. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở thành
một phần cấu trúc hóa học là kết quả của quá trình than hóa không hoàn hảo hoặc trở
thành liên kết hóa học với bề mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử
lý sau đó. Cũng có trường hợp than đã hấp phụ các loại phân tử xác định như amin,
nitrobenzen, phenol và các loại cation khác.
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại hoặc các loại
phân tử được liên kết với cạnh hoặc góc của các lớp thơm hoặc với các nguyên tử
cacbon ở các vị trí khuyết làm tăng các hợp chất cacbon – oxy, cacbon – hydro, cacbon
– nitrơ, cacbon – lưu huỳnh, cacbon – halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là 13
các nhóm bề mặt hoặc các phức bề mặt. Các nguyên tử khác loại này có thể sáp nhập
trong lớp cacbon tạo ra hệ thống các vòng khác loại. Do các cạnh này chứa các tâm hấp
phụ chính, sự có mặt của các hợp chất bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc
tính bề mặt và đặc điểm của than hoạt tính.
1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính[5]
Nhóm cacbon – oxy bề mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc
trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính acid, và đặc điểm hóa lý như khả
năng xúc tác, dẫn điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này. Thực tế, oxy đã kết
hợp thường được biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số
lĩnh vực ứng dụng nhất định. Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đến khả năng hấp phụ
nước và các khí và hơi có cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụ chất điện phân, lên than
sử dụng làm chất lọc trong cao su và nhựa, lên độ nhớt của graphit cũng như lên tính
chất của nó khi là một thành phần trong phản ứng hạt nhân. Trong trường hợp của sợi
cacbon, nhóm bề mặt quyết định khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và
sau đó là đặc điểm vật liệu composite. Theo Kipling, các nguyên tử oxy và hydro là
những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, và bề mặt của
vật liệu này được nghiên cứu như một bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính chất
C chủ yếu tạo ra sự
hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt, khi ở nhiệt độ trên
400
0
C, sự phân hủy hợp chất bề mặt và khí hóa cacbon là các phản ứng trội hơn hẳn.
C + O2 C(O) (<400
0
C) sự tạo thành hợp chất bề mặt
C + O2 CO + CO
2
(>400
0
C) Sự khí hóa
C(O) CO + CO
2
(>400
0
C) Sự phân hủy hợp chất bề mặt
Trong trường hợp sự oxy hóa xảy ra trong dung dịch, phản ứng chính là sự tạo
thành hợp chất bề mặt, mặc dù một vài quá trình khí hóa cũng có thể xảy ra phụ thuộc
độ mạnh của chất oxy hóa và sự khắc nghiệt của điều kiện thí nghiệm. Sự tạo thành
hợp chất cacbon – oxy bề mặt sử dụng than khác nhau. Than hoạt tính và muội than sử
dụng nhiều cách oxy hóa trong pha khí và pha lỏng đã được nghiên cứu nhiều hơn.
Đối những than có đặc trưng axit – bazơ, nhiều nhà khoa học đã bỏ công sức
nghiên cứu để góp phần tìm hiểu nguyên nhân và cơ chế than có bản chất acid hay
bazơ. Một vài thuyết, ví dụ thuyết điện hóa học của Burstein và Frumkin,, thuyết oxit
của Shilov và trường của ông, thuyết pyron của Voll và Boehm đã được đưa ra để giải
thích cho đặc trưng acid – bazơ của than. Các thuyết này và các nghiên cứu liên quan
pyron được định vị trong hai vòng khác nhau của lớp graphit.
Tuy nhiên, cấu trúc của các nhóm oxy bazơ trên bề mặt cũng đang còn tranh cãi.
Các nhóm oxy trung hòa trên bề mặt được tạo ra do quá trình hấp phụ hóa học không
thuận nghịch oxy ở các tâm không bão hòa dạng etylen có mặt trên bề mặt than.
Các hợp chất bề mặt bị phân hủy thành CO
2
khi xử lý nhiệt. Các nhóm trung
hòa trên bề mặt bền hơn so với các nhóm axit và bắt đầu phân hủy trong khoảng nhiệt
độ 500
0
– 600
0
C và bị loại bỏ hoàn toàn ở 950
0
C. Một dạng của bề mặt than hoạt tính
đã được oxy hóa được công bố bởi Tarkovskya ở hình dưới đây. 16
Nhiều nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu để xác định và định lượng các nhóm
oxi- cacbon bề mặt sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học và hóa lý để giải hấp lớp
oxit, trung hòa với kiềm, chuẩn độ điện thế, phương pháp phổ như phố IR, X-ray. Các
nghiên cứu này đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhóm chức, quan trọng hơn cả là các nhóm
carboxyl, lacton, phenol, quinin và hydroquinon. Tuy nhiên, các phương pháp này
không đưa ra các kết quả có thể so sánh với nhau và nhiều khi không giải thích được
toàn bộ lượng oxi đã kết hợp.
1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp
Các nhóm oxi – cacbon trên bề mặt trên than do quá trình điều chế hoặc được
tạo thành từ kết quả tương tác với oxi hay với các dung dịch hay khí oxi hóa, có các
0
C, hơi nước từ sự phân hủy
carboxyl, phenol trong khoảng nhiệt độ từ 200
0
– 600
0
C. Ở nhiệt độ thấp, nước bị hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học cũng có thể bị giải hấp. Khí H
2
tạo thành bởi sự kết hợp
lại từ các nguyên tử hydro được giải phóng ra là kết quả của sự đứt liên kết C-H được
giải hấp ở nhiệt độ khoảng 500
0
-1000
0
C. Điều này có thể giải thích khoảng 25-30%
hydro nguyên tố còn lại liên kết với các nguyên tử cacbon, thậm chí sau khi khử khí ở
1000
0
C.
Nhiều nghiên cứu trên nhiệt giải hấp của các loại than khác nhau đã được công
bố, Puri và Basal thực hiện nhiệt phân chân không muội than, than gỗ và than hoạt tính
và xác định lượng oxi giải phóng ra ở dạng CO
2
, CO và hơi nước. Tổng oxi trong 3
loại hoàn toàn giống với tổng oxi tạo ra bằng những phân tích cơ bản. Sự giải hấp oxi ở
dạng CO
2
và CO trong chân không ở điều kiện tăng từ từ nhiệt độ chỉ ra rằng các khí
này được tạo ra trong những khoảng thời gian khác nhau, điều này nghĩa là các nhóm
trên graphon, sử dụng phương pháp giải hấp bằng nhiệt thay đổi tuyến tính và thấy
rằng năng lượng giải hấp là một hàm của mức độ che phủ bề mặt, điều đó nói lên rằng
các phức oxi bề mặt bao gồm một vài dạng nhóm chức và phân hủy ở các nhiệt độ khác
nhau. Matsumoto va Setaka thực hiện phân hủy bằng nhiệt than hoạt tính, kim cương,
và than chì đã được oxi hóa ở nhiệt độ 950
0
C sử dụng phổ khối lượng. Phổ giải hấp của
các mẫu chỉ ra rằng có hai cực đại khác nhau cho CO và CO
2
như 1 hàm của nhiệt độ,
từ đó cho thấy có trên một lần các khí được giải hấp bằng sự phân hủy các hợp chất bề
mặt khác nhau.
Các chứng cứ rõ ràng từ các nghiên cứu phân hủy nhiệt là có 2 dạng cấu trúc
hóa học bề mặt liên quan đến các tâm khác nhau có năng lượng khác nhau và do đó CO
và CO
2
được giải phóng ra bởi sự phân hủy hai dạng nhóm bề mặt này. Các nhóm bề
mặt giải phóng ra CO
2
kém bề hơn và phân hủy ở nhiệt độ không lớn hơn 350
0
C. Các
nhóm hóa học khác mà giải phóng ra CO bền hơn và bị phân hủy trên 500
0
C. Giải
thích cho kết quả này nói chung là khó vì các nhóm bề mặt tương tác khác nhau trong
các môi trường khác nhau. Chúng có thể tương tác trực tiếp với các nhóm tương tự
hoặc khác nhau ở lân cận. Nói chung, các nghiên cứu giải hấp bằng nhiệt đều thu được
các thông tin giá trị cung cấp các kết quả từ những phương pháp nghiên cứu độc lập.
1.2.2 Trung hòa kiềm
3
, Na
2
CO
3
,
NaOH và C
2
H
5
ONa.
1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ[5, 13]
Người ta biết rằng than hoạt tính chứa một lượng đáng kể oxi và hidro được hấp
phụ hóa học, chúng có ở dạng phức bề mặt cacbon-oxi. Một vài giả thuyết về cấu trúc
được đưa ra cho những chất phức bề mặt này. Dựa vào các phương pháp vật lý, hóa
học và hóa lý, sự tồn tại của các nhóm chức như cacbonyl, cacboxyl, lacton, quinon,
hydroquinon, và phenol đã được đưa ra. Tuy nhiên, các phương pháp đánh giá khác
nhau không cung cấp các kết quả có thể so sánh được, thậm chí quan trọng hơn là toàn
bộ lượng oxi liên kết không được giải thích. Vì thế, vấn đề này không được làm sáng tỏ
một cách phù hợp, cũng như các cấu trúc, cơ chế khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu
đã công bố từ các phòng thí nghiệm và các nơi khác đã chỉ ra rằng hầu như chắc chắn 20
các nhóm hay phức bề mặt xác định có thể tạo ra CO
2
và tương tự có sự tồn tại bề mặt
phân biệt có thể tạo ra CO trong quá trình xử lý nhiệt trong chân không hoặc môi
trường trơ.
Bất kể là các oxit bề mặt này có bản chất và cấu trúc chính xác thì đều có một
của than càng tăng, do lượng oxi liên kết với cacbon bề mặt tăng. Từ lâu ta đã biết rằng 21
muội than với hàm lượng oxi cao có thể dễ dàng bị làm ướt bởi nước. Vì vậy, oxi hóa
nhiệt độ thấp muội than thường được sử dụng để làm tăng đặc điểm ưa nước của
chúng. Tương tự, các sợi cacbon hiệu năng cao thường kị nước được oxi hóa một cách
thích hợp để tạo thành nhóm chức bề mặt cacbon-oxi để làm tăng tính ưa nước của
chúng, chúng lần lượt cải thiện sự bám dính với các vật liệu nền trong composite có độ
bền cao. Fitzer đã công bố mối quan hệ trực tiếp giữa số lượng nhóm axit trên bề mặt
sợi cacbon được tạo bởi sự oxi hóa và độ bền của composite trong trường hợp của nhựa
phenola cũng như nhựa epoxi làm vật liệu nền.
Ảnh hưởng của nhóm oxi đưa lên bề mặt sợi cacbon bằng quá trình oxi hóa
trong không khí tại 700
0
C và các tính chất composit đã được ngiên cứu. Trong trường
hợp than hoạt tính, sự có mặt của nhóm axit bề mặt làm cho bề mặt than ưa nước và
phân cực, theo đó cải tiến tính chất hấp phụ khí và hơi phân cực.
1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực
Nhiều nghiên cứu đã công bố ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên khả
năng hấp phụ hơi nước. Lawson và King thấy rằng sự có mặt của oxi liên kết trong
than làm tăng khả năng hấp phụ ở áp suất thấp hơi nước và chuyển dịch đường đẳng
nhiệt tới áp suất thấp hơn. Pierce đã thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước trên
graphon thay đổi một cách đáng kể sau khi để graphon trong hơi nước tại 80˚C. Điểm
khác biệt này được cho là sự tương tác của hơi nước với graphon, tạo một phức bề mặt
cacbon-oxi dẫn đến khả năng hấp phụ hơi nước nhanh hơn bề mặt sạch. Pierce và các
đồng nghiệp và Dubinin đã thấy rằng các tâm hoạt động nhất định trên than hoạt tính
được tạo ra nhiều bởi nhóm bề mặt cacbon-oxi, các nhóm này như là trung tâm hấp phụ
tại đó sự hấp phụ nước xảy ra ở dạng những đám riêng biệt qua liên kết hidro. Các đám
này sau đó phát triển theo kích thước khi có nhiều quá trình hấp phụ xảy ra trên phân tử
hấp phụ bão hòa.
Puri và các đồng nghiệp đã nghiên cứu sự hấp phụ hơi nước trên than kết hợp
với một lượng thay đổi nhóm bề mặt cacbon-oxi và thấy rằng đó là sự có mặt oxy trong
phức CO
2
(oxy có thể tạo ra CO
2
khi thực hiện giải hấp) đã cung cấp các tâm hoạt động
cho sự hấp phụ hơi nước và đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp đó đã không còn,
thậm chí tại áp suất 0 tương đối, miễn là phức CO
2
có mặt. Điều này được cho là sự cố
định của một lượng nước nhất định trên tâm phức CO
2
bởi liên kết hidro; lượng nước
đã cố định tương ứng với 1 mol nước cho mỗi mol phức CO
2
. Phần còn lại của oxy đã
hấp phụ hóa học có ảnh hưởng ít tới sự hấp phụ hơi nước. Khi phức CO
2
được tăng
cường bằng sự oxi hóa và được giải phóng bởi sự khử khí than, sự hấp phụ nước được
tăng lên hay giảm đi một cách tương ứng. Barton đã thấy rằng sự hấp phụ hơi nước lên
than hoạt tính BPL trước và sau oxi hóa ở các cấp độ khác nhau với axit nitric đã bị
ảnh hưởng không quá lớn bởi kích thước lỗ, mà chủ yếu là do sự có mặt của các tâm ưa
nước được tạo ra bởi nhóm oxy axit.
Bansal đã nghiên cứu sự hấp phụ hơi nước trên vài than polyme có độ xốp khác
nhau, liên kết với những lượng oxy không giống nhau. Than liên kết với những lượng
giống nhau oxy liên kết nhưng sở hữu độ xốp khác nhau cho thấy khả năng hấp phụ
tương tự nhau tại áp suất tương đối thấp, nhưng khác nhau đáng kể về giá trị hấp phụ
Sự hấp phụ những hợp chất hữu cơ và vô cơ từ các dung dịch của chúng cũng
cho thấy khả năng hấp phụ của than bị ảnh hưởng bởi việc có mặt của các nhóm oxi -
cacbon. Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sự hấp phụ của một vài thuốc nhuộm cation
và anion trên than chì cũng như các loại muội than khác nhau, đã thấy rằng sự hấp phụ
đó, mặc dù được xác định bởi diện tích mặt của cacbon, vẫn bị ảnh hưởng mạnh bởi sự 24
hiện diện của các oxit có tính axit trên bề mặt. Khả năng hấp phụ những chất nhuộm
cation tăng cùng với sự tăng số lượng của nhóm oxi bề mặt trong quá trình ôxi hóa than
và giảm khi những ôxit bề mặt này bị loại bỏ trong quá trình giải hấp bằng nhiệt trong
chân không. Trong trường hợp của những thuốc nhuộm anion, sự hấp phụ giảm theo
mức độ ôxi hóa, độ giảm này tùy thuộc vào sự tăng về số lượng của các nhóm axit bề
mặt. Goyal và những cộng sự cũng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các nhóm oxy -
cacbon tới khả năng hấp phụ một vài ion kim loại như Cr(III), Cr(VI), Co(II), Cu(II),
và Ni(II) trên một vài cacbon hoạt tính có sự khác nhau về diện tích bề mặt và khác
nhau về số nhóm chức oxy - cacbon trên bề mặt. Những nhà khoa học này đã tìm ra
rằng sự hấp phụ này không chỉ liên quan đến diện tích bề mặt, mà còn phụ thuộc vào
số lượng của các nhóm oxi và có thể là một vài nhóm oxit acid khác. Sự hấp phụ cation
tăng đối với trường hợp than đã thực hiện quá trình ôxy hóa và giảm trong quá trình
loại khí, kết quả này được giải thích là quá trình oxi hóa tạo thành các nhóm axit bề
mặt mà sự ion hóa trong nước có thể tạo ra ion H
+
, chuyển trực tiếp vào pha lỏng, để
lại bề mặt than có các tâm tích điện, ở đó sự hấp phụ các cation có thể xảy ra. Khi các
tâm tích điện âm được loại trừ bằng loại khí, thì bề mặt than sẽ giảm xu hướng hấp phụ
cation.
Sự hấp phụ của những hợp chất hữu cơ như phenol và P. nitrophenol cũng bị
ảnh hưởng bởi những nhóm oxi - cacbon này. Mặc dù sự có mặt của những nhóm oxi
axit làm giảm đi sự hấp phụ phenol, nhưng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm
như là đã không còn oxi. Điều đó có vẻ là những nhóm quinon đã tạo thành một phần
các nhóm bay hơi CO để đẩy mạnh quá trình ưu tiên cho các nhóm benzen. Như vậy,
một phần của oxi liên kết (được coi như là một phức chất của CO
2
) đã đẩy mạnh sự
hấp phụ ưu tiên các nhóm rượu , và một phần khác giống như là một phức chất của CO
lại đẩy mạnh sự hấp phụ ưu tiên benzen. Như vậy, điều cần xác định ở đây không chỉ là
tổng lượng oxi mà còn cả dạng của nó để có thể đánh giá một cách chính xác tính đặc
trưng và trạng thái bề mặt của nhóm cacbon - oxy.
1.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than[5, 13]
Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vòng thơm ngưng tụ
Copyright: Tài liệu đại học ©