ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHẠM VĂN CỬ
NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP
PHỤ HƠI THỦY NGÂN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHẠM VĂN CỬ
2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu 25
2.1.2. Nội dung nghiên cứu 25
2.2. Thiết bị và hóa chất nghiên cứu 25
2.2.1. Sơ đồ thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân 25
2.2.2. Một số thiết bị và dụng cụ khác 27
2.2.3. Hóa chất và nguyên vật liệu 27
2.3. Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu 27
2.3.1. Làm sạch than hoạt tính 27
2.3.2. Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch brom 27
2.4. Các phương pháp phân tích đánh giá được sử dụng 28
2.4.1. Phương pháp Phổ hồng ngoại 28
2.4.2. Phương pháp tính tải trọng hấp phụ cực đại 29
2.4.3. Xác định nồng độ Hg
2+
bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử 30
Chương 3: Kết quả và thảo luận 33
3.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị 33
3.1.1. Khảo sát quá trình ổn định nhiệt độ 34
3.1.2. Khảo sát hơi thủy ngân theo nhiệt độ 34
3.2. Biến tính than hoạt tính bằng brom 36
3.2.1. Hàm lượng brom hấp phụ trên than hoạt tính 36
3.2.2. Tính chất vật lý của vật liệu 39
3.2.2.1. Xác định bề mặt riêng của than (BET) 39
3.2.2.2. Phổ IR của một số vật liệu 41
Hình 3.7. Phổ hồng ngoại của than biến tính 41
3.3. Khảo sát và đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân 42
3.3.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ hơi thủy ngân
42
3.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ thủy ngân trên các loại than ở nhiệt độ nhất
định 46
Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB1 ở các nhiệt độ khác nhau
43
3.6
Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB2 ở các nhiệt độ khác nhau
44
3.7
Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB3 ở các nhiệt độ khác nhau
44
3.8
Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính
CB4 ở các nhiệt độ khác nhau
45
3.9
Kết quả hấp phụ hơi Hg của các loại than ở 40
o
C
47
3.10
Kết quả hấp phụ hơi Hg của các loại than ở 50
o
C
48
3.11
Kết quả hấp phụ hơi Hg của các loại than ở 60
o
C
50
30
2.4
Đường chuẩn xác định nồng độ Hg
2+
32
3.1
Sơ đồ khối bộ thiết bị hóa hơi và hấp phụ Hg
33
3.2
Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào quá trình tạo hơi Hg
35
3.3
Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa lượng Br
2
đem ngâm tẩm với
lượng Br
2
mang trên than
38
3.4
Đồ thị biễu diễn tọa độ BET của than hoạt tính
39
3.5
Đồ thị biễu diễn tọa độ BET của than biến tính CB4
40
3.6
Phổ hồng ngoại của than hoạt tính
41
3.7
Phổ hồng ngoại của than biến tính
theo thời gian
53 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Viết tắt
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt
1.
EPA
Environmental Protection
Agency
Cơ quan Bảo vệ Môi trường
Hoa Kỳ
1
LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp làm gia tăng lượng các chất ô
nhiễm phát thải vào môi trường trong đó có thủy ngân. Hơi thủy ngân được phát
thải chủ yếu từ quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch như: dầu mỏ, than, quá
trình hoạt động của núi lửa và một số quá trình khác. Hơi thủy ngân dễ dàng đi vào
cơ thể thông qua quá trình hô hấp. Với khả năng tan trong mỡ, dễ kết hợp với các
phân tử. Cho nên nó có thể làm mất chức năng của các cơ quan, hủy hoại nghiêm
trọng tới hệ thần kinh trung ương. Nếu hít phải một lượng lớn thủy ngân có thể dẫn
tới tử vong. Do vậy, việc nghiên cứu ra loại vật liệu có khả năng hấp phụ hơi thủy
ngân cao là cần thiết.
Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý hơi thủy ngân, trong
đó phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả
nhất. Quá trình lưu giữ thuỷ ngân trên than hoạt tính chủ yếu là hấp phụ vật lý, độ
bền liên kết yếu. Thuỷ ngân và các hợp chất của nó có khả năng bay hơi và dễ phát
tán trở lại môi trường ngay ở nhiệt độ thường. Do vậy, người ta đã nghiên cứu biến
tính than hoạt tính nhằm thay đổi cấu trúc bề mặt làm tăng dung lượng hấp phụ
đồng thời tạo liên kết bền hơn giữa thủy ngân với than hoạt tính. Trong khuôn khổ
luận văn này, chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính than
hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân” với hi vọng vật liệu này được ứng
dụng để kiểm soát, xử lý hơi thuỷ ngân phát thải trong các quá trình thực tiễn.
nhiệt gọi là nhiệt kế sơ khởi nhưng chưa sử dụng Hg. Mãi đến năm 1720,
Fahrenheit giới thiệu nhiệt kế Hg và bắt đầu đưa vào nghiên cứu khoa học.
1.1.1. Một số tính chất và ứng dụng của thủy ngân
Thủy ngân là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Hg (từ
tiếng Hy Lạp hydrargyrum, tức là thủy ngân (hay bạc lỏng) và số nguyên tử 80. Là
một kim loại lưỡng tính nặng có ánh bạc, thủy ngân là một nguyên tố kim loại được
biết có dạng lỏng ở nhiệt độ thường, có tính dẫn nhiệt kém nhưng dẫn điện tốt.
Thủy ngân có khối lượng phân tử tương đối lớn là 200,59, nóng chảy ở -
38.87
o
C, nhiệt độ sôi tại 356,72
o
C và khối lượng riêng là 13,534 g/cm
3
ở 25
o
C.
Thủy ngân nguyên tố là dạng dễ bay hơi nhất của thủy ngân, có áp suất hơi ở 25
o
C
là 0,3Pa, hóa hơi ngay ở nhiệt độ phòng.
Thủy ngân hầu như không tan trong nước (56 mg/lít tại 25
o
C), không tan
trong axit clohyđric. Thủy ngân nguyên tố tan trong chất béo và axit nitric, tan trong
pentan (C
5
H
12
) (2,7 mg/lít), tan trong axit sulfuric khi sôi.
kim loại khác như phốt pho, selen v.v Đặc biệt tương tác của thủy ngân với lưu
huỳnh và iot xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ thường do ái lực liên kết của nó với lưu
huỳnh và iot rất cao.
Thủy ngân là một kim loại tạo nên nhiều hợp chất rất kém bền và dễ phân
hủy nổ như HgC
2
, Hg
3
N
2
, Hg(N
3
)
2
và Hg(OCN)
2
. Ví dụ HgC
2
được tạo nên khi
4
C
2
H
2
tác dụng với dung dịch HgCl
2
. Nó có kiến trúc tinh thể giống CaC
2
nhưng khi
(NO
3
)
2
Bởi vậy khi tác dụng với axit nitric hay axit sunfuric đặc, nếu có dư thủy
ngân thì sản phẩm thu được không phải là muối Hg(II) mà là muối của Hg
2
2+
.[3]
Thủy ngân được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ba lĩnh vực được sử
dụng nhiều nhất là: Công nghiệp sản xuất Cl
2
và NaOH bằng phương pháp điện
phân sử dụng điện cựu thủy ngân (điện cực calomen), Nhà máy sản xuất các thiết bị
điện, như đèn hơi thủy ngân, pin thủy ngân, máy nắn và ngắt dòng, các thiết bị kiểm
tra công nghệ, Nông nghiệp: sử dụng một lượng lớn thủy ngân trong sản xuất chất
chống nấm trong việc làm sạch hạt giống. Nhưng do các hóa chất này gây nhiễm
độc cho người dùng và tồn tại lâu dài trong môi trường tự nhiên nên từ năm 1996 ở
Việt Nam đã cấm sử dụng các chất này.
Thủy ngân còn được sử dụng trong các lĩnh vực như trong y tế; trong chế tạo
các dụng cụ nghiên cứu khoa học và dụng cụ trong phòng thí nghiệm (nhiệt kế, áp
kế…); chế tạo các hỗn hống được sử dụng trong các công việc sau: trong nha khoa
để hàn trám răng, trong ắc quy sắt – niken, các hỗn hống với vàng và bạc trước kia
dùng để mạ vàng, mạ bạc theo phương pháp hóa học ngày nay được thay thế bằng
phương pháp điện phân, tách vàng và bạc ra khỏi quặng của chúng; chế tạo ra các
hợp chất hóa học có chứa thủy ngân.
Hg
2+
Hg
Nồi hơi đốt than là một nguồn phát thải thủy ngân lớn nhất ở Hoa Kỳ hiện
nay. Theo thông tin từ những thống kê của EPA (ICR) về quá trình đốt than đá chỉ
ra rằng có 75 tấn thủy ngân trong 900 triệu tấn than được sử dụng trong các nhà
máy điện của Hoa Kỳ trong năm 1999. Trung bình, khoảng 40% lượng thủy ngân
được xử lý bởi các nhà máy điện đốt than còn 60% phát thải ra môi trường.[14]
Hiện nay, các loại bóng đèn huỳnh quang (đèn ống hay thường gọi đèn tuýp,
đèn cao áp, đèn compact) thải bỏ đang là nguồn phát thải thuỷ ngân đáng lo ngại.
Hiện nay, các loại đèn này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động
của con người vì nó cung cấp nguồn ánh sáng hiệu quả và đặc biệt là tiết kiệm điện
năng. Tại Mỹ, 90% lượng đèn huỳnh quang sử dụng trong các hoạt động thương
6
mại, và công nghiệp. Hàng trăm triệu đèn huỳnh quang được sản xuất ra và số
lượng này ngày càng tăng lên do chính sách tiết kiệm năng lượng toàn cầu. Riêng
tại Việt Nam, mỗi năm sẽ có hàng chục triệu bóng đèn thải bỏ cần có biện pháp
quản lý hiệu quả.
1.1.2.2. Độc tính của thủy ngân
Thủy ngân tồn tại dưới bất kỳ dạng nào cũng đều độc hại, độc tính phổ biến
nhất vẫn là ảnh hưởng tới hệ thần kinh, tiêu hóa và hệ thống các cơ quan của thận.
Nguyên nhân gây ngộ độc thủy ngân có thể do hít phải hơi thủy ngân, ăn phải thủy
ngân và hấp thụ thủy ngân qua da. Thủy ngân có khả năng phản ứng với các axit
amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin. Thủy ngân có khả năng liên kết
màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô,
làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh.[9]
Hình 1.1: Ảnh X-Quang chụp một bệnh nhân đã uống 8 ounces thủy ngân
nguyên tố
Thủy ngân có 3 dạng tồn tại: thủy ngân nguyên tố, các muối vô cơ và các
hợp chất hữu cơ. Trong đó, chất có độc tính cao nhất là metyl thủy ngân. Metyl thủy
ngân có khả năng hòa tan trong chất béo, qua màng tế bào, tới não, phá hủy hệ thần
điều khiển vận động, cách diễn đạt thay đổi, nói khó, bắt đầu câu nói khó khăn, nói
lắp. Đối với trẻ em khi bị nhiễm độc Hg thì thần kinh phân lập, thiểu năng trí tuệ.
Metyl thủy ngân (CH
3
)Hg
+
: ảnh hưởng chính đến hệ thần kinh trung ương,
ngoài ra nó còn gây ra các rối loạn về tiêu hoá và ít ảnh hưởng tới thận. Trong môi
trường nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và
ngăn cản quá trình phân chia tế bào.
Năm 1961, các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã liên hệ giữa hàm lượng cao
của thủy ngân trong nước tiểu với các đặc điểm của một căn bệnh bí ẩn Minamata
được tìm thấy trước đó. Trước khi nguyên nhân của bệnh Minamata được phát hiện,
nó đã làm cho các cư dân quanh vịnh Minamata ở Nhật Bản có các triệu chứng: mất
cảm giác, run rẩy, mất điều hòa và thắt thị giác.[11]
8
1.2. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt
Cacbon hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô
định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit (ngoài carbon thì phần còn
lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát). Cacbon hoạt tính
có diện tích bề mặt ngoài rất lớn từ 500 đến 2500 m
2
/g. Do vậy mà nó là một chất lý
tưởng dùng để lọc hút nhiều loại hóa chất.
Bề mặt riêng rất lớn của cacbon hoạt tính là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà
chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu xuất xứ từ hữu cơ, qua quá trình chưng
khô (sấy) ở nhiệt độ cao, trong điều kiện thiếu khí. Phần lớn các vết rỗng - nứt vi
mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh và chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ
nối). Cacbon hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất
khoảng trống giữa các tinh thể. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng
đường kính lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ
yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa. Sự hoạt hóa cũng
loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động
của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp. Trong pha sau
cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự
đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ
trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi
lỗ.
Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt
cháy (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt tính lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn
hơn 75% . Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu
trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ.
10
Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc
trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước
và hình dạng khác nhau. Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác về hình
dạng của lỗ xốp. Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của lỗ,
các phương pháp này đã xác định than thường có dạng mao dẫn mở cả hai đầu hoặc
có một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác.
Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một
cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều
rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc
bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.
Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn
2nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không
xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất
nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các
vách đối diện nhau của vi lỗ. Nói chung chúng có thể tích lỗ từ 0.15 – 0.7cm
phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ
mao quản.
Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung
và lỗ lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ
nhỏ chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp
phụ của than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá
lớn để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt
đầu ngưng tụ mao quản. Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối
cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di
chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn
1.2.3. Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính[7]
Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học. Tuy
nhiên, hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ sở ít hơn nhiều so với tâm ở
cạnh hay ở các vị trí khuyết. Do đó, cacbon được graphit hóa cao với bề mặt đồng
nhất chứa chủ yếu mặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vô định hình. Grisdale và
Hennig thấy rằng tốc độ oxy hóa của nguyên tử cacbon ở tâm nằm ở cạnh lớn hơn
17 đến 20 lần ở bề mặt cơ sở.
Bên cạnh cấu trúc tinh thể và cấu trúc lỗ xốp, than hoạt tính cũng có cấu trúc
hóa học. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý và
lỗ xốp của chúng nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học. Thành phần
quyết định của lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần không tập trung của lực
Van der Walls. Trong graphit, quá trình hấp phụ được quyết định chủ yếu bởi thành
phần phân tán của lực London. Trong trường hợp than hoạt tính, sự phức tạp của
các cấu trúc vi tinh thể, do sự có mặt của các lớp graphit cháy không hoàn toàn
trong cấu trúc, gây ra biến đổi về sự sắp xếp các electron trong khung cacbon và kết
quả là tạo ra các electron độc thân và hóa trị không bão hòa điều này ảnh hưởng đến
12
đặc điểm hấp phụ của than hoạt tính đặc biệt là đối với các hợp chất phân cực và có
thể phân cực.
Mặc dù việc xác định số lượng và bản chất của các nhóm hóa học bề mặt này
bắt đầu từ hơn 50 năm trước, bản chất chính xác của nhóm chức vẫn còn chưa được
chứng minh đầy đủ. Những chứng cứ đã được đưa ra từ các nghiên cứu khác nhau
sử dụng các công nghệ khác nhau vì bề mặt cacbon là rất phức tạp và khó mô
phỏng. Các nhóm chức bề mặt không thể được xử lý như các chất hữu cơ thông
thường vì chúng tương tác khác nhau trong môi trường khác nhau. Phổ eletron cho
phân tích hóa học cho thấy sự chuyển đổi bất thuận nghịch của chức bề mặt xảy ra
khi các phương pháp hóa học hữu cơ cổ điển được sử dụng để xác định và chứng
minh chúng. Do đó người ta mong rằng việc áp dụng của nhiều công nghệ tinh vi
hơn như phổ FTIR, XPS, NMR và nghiên cứu lượng vết phóng xạ sẽ góp phần quan
trọng để hiểu biết chính xác hơn về các nhóm hóa học bề mặt này.
Than hoạt tính có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấp thụ hóa học
này và nhiều các phản ứng của chúng xảy ra do xu hướng này. Ví dụ, than hoạt tính
có thể phân hủy các khí oxy hóa như ozone và oxit của nitơ. Chúng cũng phân hủy
dung dich muối bạc, halogen, sắt(III) clorua, KMnO
4
, amonipersunfat, axit nitric…
Trong mỗi trường hợp, có sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon
– oxy bề mặt. Than hoạt tính cũng có thể được oxy hóa bằng nhiệt trong không khí,
CO
2
hoặc oxy. Bản chất và lượng nhóm oxy - cacbon bề mặt tạo thành từ các sự
oxy hóa khác nhau phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích
bề mặt của nó, bản chất chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình.
Phản ứng của than hoạt tính với oxi ở nhiệt độ dưới 400
0
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
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 đã được xem xét lại một cách kỹ lưỡng và được xem xét trong một vài bài
báo tổng kết. Bây giờ người ta đã chấp nhận rằng đặc trưng acid – bazơ của than là
kết quả của quá trình oxi hóa bề mặt, phụ thuộc vào cách tạo thành và nhiệt độ của
quá trình oxi hóa.
Dạng nhóm cacbon – oxy bề mặt (acid, bazơ, trung hòa) đã được xác định,
các nhóm axit bề mặt là rất đặc trưng và được tạo thành khi than được xử lý với oxy
ở nhiệt độ trên 400
0
C hoặc bằng phản ứng với dung dịch oxy hóa ở nhiệt độ phòng.
Các nhóm chức này ít bền nhiệt và phân hủy khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc
trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 350
0
C đến 750
0
C và giải phóng CO
2
. Các
nhóm chức axit bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, các nhóm
này là caboxylic, lacton, phenol.
Nhóm oxy bazơ trên bề mặt ít đặc trưng hơn và được tạo ra khi một bề mặt
than không còn bất kỳ nhóm oxy bề mặt nào khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc
trong môi trường trơ ở nhiệt độ 1000
0
C sau đó làm nguội ở nhiệt độ phòng, được
tiếp xúc với khí oxy. Garten và Weiss đề xuất cấu trúc dạng pyron cho nhóm chức
bazo, nhóm chức này cũng được biết như cấu trúc chromene. Cấu trúc này có vòng
chứa oxy với nhóm hoạt hóa - CH
2
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
16
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 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 chút nghi vấn rằng oxi hấp phụ hóa học có mặt chủ yếu tại cạnh và góc phụ,
nên những nhóm oxi này ảnh hưởng nhiều tới các đặc trưng bề mặt và tính chất bề
mặt của than hoạt tính.
1.2.5.1. Tính axit bề mặt của than
Tính axit bề mặt của than hoạt tính và muội than là đối tượng ban đầu của
một số lượng lớn các nghiên cứu do tầm quan trọng của nó trong việc xác định một
vài phản ứng phân hủy, phản ứng xúc tác, và các tính chất hấp phụ của những vật
liệu này. Trong trường hợp của muội than, Wiegand đã sử dụng tính axit bề mặt để
phân loại các họ của muội than chúng có tính axit mạnh hoặc có tính chất kiềm hoặc
axit yếu. Tính axit bề mặt của than được đo bởi khả năng hấp phụ bazơ của nó
(hoặc sự trung hòa bazơ), khả năng này được tính bằng lượng cation kiềm đã trao
đổi cho các ion hidro được cung cấp bởi các oxit axit trên bề mặt than. Tính axit bề
mặt là do cấu trúc hóa học của cacbon-oxi bề mặt đã được công nhận như cacboxyl
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.
1.2.5.3. 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 nước do liên kết hidro. Cuối cùng thì
chúng kết hợp với nhau ở áp suất hơi tương đối cao hơn để tạo thành các nốt hai
chiều của pha ngưng tụ trên bề mặt than. Dubinin, Zaverini và Serpinski đã đề xuất
Copyright: Tài liệu đại học ©