ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HUYỀN
NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH
LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC
HẠI DƢỚI DẠNG ION TRONG NƢỚC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS TRẦN HỒNG CÔN
HÀ NỘI -NĂM 2015
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 thầy cô giáo làm việc trong phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa
học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá
trình làm thực nghiệm.
Xin 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 nghiệp đã đóng góp một phần không nhỏ trong nghiên cứu này.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên cao học
1.5.4. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm hóa chất 27
CHƢƠNG 2 – THỰC NGHIỆM 29
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 29
2.2. Mục tiêu nghiên cứu 29
2.3. Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 29
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 31
2.4.1 Chuẩn bị than hoạt tính 31
2.4.2. Ôxi hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1): 31
2.4.3. Tạo vật liệu AC-2. 33
2.4.4. Tạo vật liệu AC-3: 33
2.4.5. Phương pháp khảo sát các đặc trưng của than biến tính 34
2.4.6. Phương pháp xác định các ion trong dung dịch 37
2.5. Phƣơng pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu. 44
2.6. Khảo sát khả năng hấp phụ asen của vật liệu dƣới dạng ion asenat
AsO
4
3-
46
2.6.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ As của các vật liệu 46
2.6.2.Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ As của vật liệu. 46
2.6.3. Xác định dung lượng hấp phụ As cực đại của vật liệu 46
2.7. Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu 47
2.7.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ amoni của vật liệu 47
2.7.2. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ amoni cực đại 48
2.7.3. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại: 48
CHƢƠNG III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49
3.1. Ôxi hóa than hoạt tính bằng dd KMnO
4
/H
2
Hình 2.3. Đường chuẩn xác định nồng độ Mn
2+
40
Hình 2.4: Đường chuẩn asen nồng độ nhỏ. 43
Hình 2.5: Đường chuẩn asen nồng độ lớn. 44
Hình 2.6: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 45
Hình 2.7: Đồ thị để xác định các hằng số trong pt Langmuir 45
Hình 3.1 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính Trà Bắc. 50
Hình 3.2 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa (AC1). 50
Hình 3.3 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC-2(Mn
1%). 51
Hình 3.4 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC-2 (Mn
3%). 51
Hình 3.5 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC-3 (
1% + 5%). 51
Hình 3.6 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC3 (3% +3%). 52
Hình 3.7: Ảnh SEM than hoạt tính đã ôxi hóa (AC1) 53
Hình 3.8: Ảnh SEM than hoạt tính đã ôxi hóa (AC2 –Mn(IV)1%) 53
Hình 3.9: Ảnh SEM vật liệu (AC3 –Mn(IV)1% + Fe(III)5%) 54
Hình 3.10: Đồ thị chuẩn độ than ôxi hóa bằng NaOH 56
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ As của vật liệu AC2. 58
Hình 3.12: Đồ thị phương trình langmuir của AC-1 với As 59
Hình 3.13: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu AC-1với As 60
Hình 3.14: Đồ thị phương trình langmuir của AC-2 với As 61
1
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nước nói chung và nguồn nước sinh hoạt
nói riêng bởi asen là vấn đề toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất lượng cuộc
sống ngày càng cao.
Theo các nghiên cứu gần đây, người dân một số khu vực ở Hà Nội và một số
tỉnh miền Bắc (thuộc đồng bằng sông Hồng), miền Nam (thuộc đồng bằng sông
Cửu Long) đang phải sử dụng nước có hàm lượng asen cao gấp từ 10 đến hàng trăm
lần tiêu chuẩn nước sạch. Hàm lượng amoni xác định được cũng vượt chỉ tiêu cho
phép đến 6 lần hoặc cao hơn. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng và trực tiếp tới sức
khoẻ của con người, do sự độc hại của asen và amoni mang lại. Nó gây ra rất nhiều
loại nguy hiểm như ung thư da, phổi Đây là vấn đề đáng báo động với chúng ta.
Việc loại bỏ amoni và các ion kim loại nặng trong nước thải của các đô thị, nhà
máy hay xí nghiệp cũng như việc loại bỏ asen trong nước, đặc biệt là nguồn nước
ngầm là vô cùng cần thiết và cấp bách.
Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước. Tuy nhiên, ứng dụng
của nó trong xử lý nước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một
số các thành phần không phân cực có hàm lượng nhỏ trong nước.
Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong việc xử lý
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 một số chất độc hại dưới dạng ion trong
nước”.
nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưuhuỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này
được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá
trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các nguyên tố trong than hoạt
tính thường là 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, 6 –7% O. Tuy nhiên hàm lượng
oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1- 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên
3
liệu ban đầu, cách điều chế. Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong
khoảng 800 đến 1500m
2
/g và thể tích lỗ xốp từ 0.2 đến 0.6cm
3
/g.
Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn
2nm.Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên
liệu thô chứa cacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000
0
C. Quá trình điều chế gồm 2
bước: Than hóa ở nhiệt độ dưới 800
0
C trong môi trường trơ và sự hoạt hóa sản
phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950–1000
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
này khác với hoạt hóa bằng hơi; trong đó quá trình than hóa và quá trình hoạt hóa
xảy ra đồng thời. Nguyên liệu thô thường sử dụng là gỗ được trộn với chất hoạt hóa
và chất hút nước thường được sử dụng là axit photphoric hoặc ZnCl
2
. Sự hoạt hóa
thường xảy ra ở nhiệt độ 500
0
C, nhưng đôi khi cũng có khi lên tới 800
0
C. Axit
photphoric làm cho gỗ phình ra và mở cấu trúc cenlulose của gỗ. Trong suốt
quá trình hoạt hóa axit photphoric hoạt động như 1 chất ổn định và đảm bảo rằng
than không bị xẹp trở lại. Kết quả là than rất xốp và chứa đầy axit photphoric.
Sau đó than được rửa và tiếp tục bước sản xuất tiếp theo.
Hoạt hóa bằng hơi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc từ than
bùn, than đá, gáo dừa, gỗ… Trước hết nguyên liệu thô được chuyển hóa thành
cacbon bằng nhiệt. Khi than đá được sử dụng làm nguyện liệu trong hoạt hóa, hơi
nước ở 130
0
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
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 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. 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.
7
Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ
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.
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
8
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
1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt[5]
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
bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy.
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
10
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
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
11
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
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 cân bằng nhiệt khác nhau vì chúng được tạo thành ở những tâm khác nhau,
liên kết với các năng lượng khác nhau. Ví dụ, nhóm cacboxyl phân hủy ở nhiệt độ
thấp hơn so với phenol hay nhóm quinone. Do đó, khi mẫu than được xử lý nhiệt
trong chân không hay trong môi trường trơ, các nhóm bề mặt khác nhau phân hủy ở
các khoảng nhiệt độ khác nhau. Nói chung, người ta thấy rằng các nhóm bề mặt này
bền nhiệt ở nhiệt độ dưới 200
0
C, độc lập với nhiệt độ chúng được tạo
thành.Phương pháp chung liên quan đến quá trình gia nhiệt mẫu than trong
chân không hoặc trong dòng khí trơ ở một chương trình tốc độ gia nhiệt. Các nhóm
chứa oxi bề mặt giải hấp ở dạng các sản phấm khí dễ bay hơi và được phân tích
bằng những phương pháp thông thường như trọng lượng, phổ khối lượng, sắc ký
khí và phổ IR. Vì cacbon có hoạt tính cao với oxi, các nhóm chức bề mặt nói chung
tạo ra CO
2
, CO và hơi nước, lượng mỗi loại khí phụ thuộc vào bản chất của than,
phương pháp tiền xử lý và nhiệt độ giải hấp của nó. Ví dụ, CO
2
được tạo ra bằng sự
phân hủy cacboxylic và lactomic ở nhiệt độ trong khoảng 350
0
C– 750
0
C, CO bị
phân hủy từ các nhóm quinone và nhóm phenolic trong khoảng nhiệt độ từ
500
0
C-950
các khí này được tạo ra trong những khoảng thời gian khác nhau, điều này nghĩa là
các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt có thành phần khác nhau liên quan đến sự
khác nhau về tâm hoạt động được liên kết với các năng lượng khác nhau. Thành
phần của khí thoát ra trong các khoảng nhiệt độ riêng biệt phụ thuộc vào bản chất
nhóm chức bề mặt phân hủy trong khoảng nhiệt độ đó.
Bansal và cộng sự cũng nghiên cứu sự phân hủy các nhóm cacbon oxi trên bề
mặt được tạo ra trong quá trình oxi hóa nhiệt độ thấp bề mặt siêu sạch của graphon
hoạt tính sử dụng phổ khối lượng và thấy rằng cả CO
2
và CO là sản phẩm chủ yếu
được tạo ra từ sự phân hủy các nhóm chức oxi khác nhau từ các tâm hoạt động khác
nhau trên bề mặt than. Bản chất của các loại khí thoát ra trong quá tr ình giải hấp
bằng nhiệt các nhóm chức trên bề mặt than và cơ chế thoát ra của chúng cũng
được nghiên cứu bởi VanDriel sử dụng sắc ký khí, bởi Lang và Magnier sử dụng IR
và sắc ký khí, bởi Bonnetain và các cộng sự. Các nhà nghiên cứu này thấy rằng
thành phần chính của nhóm bề mặt phân hủy trong khoảng nhiệt độ 600
0
C-800
0
C
và hầu như hoàn toàn ở 1000
0
C. Lượng oxi thoát ra có thể hoàn toàn được giải
thích do sự thoát ra của khí CO và CO
2
. Năng lượng hoạt hóa cho sự giải hấp tăng
lên với sự giảm mức độ che phủ bề mặt, cho thấy sự thoát ra của các khí khác
nhau liên quan đến sự phân hủy các loại hợp chất bề mặt khác nhau. Trembley và
cộng sự đã đo năng lượng giải hấp của nhóm oxi - cacbon bề mặt trên graphon,
sử dụng phương pháp giải hấp bằng nhiệt thay đổi tuyến tính và thấy rằng
1.2.2. Trung hòa kiềm
Chuẩn độ với kiềm là một trong những phương pháp đơn giản và dễ nhất được
sử dụng để xác định bản chất và lượng nhóm có tính axit trên bề mặt của than.
Ngày nay, người ta đã nhận ra rằng khả năng trung hòa kiềm của than có thể được
xác định sau quá trình khử khí ở 150
0
C để cho nó không còn bất cứ hơi hay khí bị
hấp phụ vật lý nào trên bề mặt. Mẫu than sau đó cho tiếp xúc với dung dịch kiềm
0,1 đến 0,2N trong 24 hoặc 72h. Thời gian tiếp xúc có thể giảm xuống 1 vài giờ
nếu than và kiềm được đun hồi lưu. Các điều kiện này được thực hiện bằng nhiều
nghiên cứu. Puri và cộng sự khảo sát một lượng lớn than trước và sau khử khí, và
oxi hóa trong khí oxi cũng như các dung dịch oxi hóa, và thử khả năng trung hòa
kiềm của than với oxi thoát ra ở dạng CO
2
trong chân không. Người ta thấy rằng
trong mỗi trường hợp lượng kiềm trung hòa gần với lượng CO
2
thoát ra trong
chân không. Vì lượng phức CO
2
giảm trong điều kiện khử khí hoặc tăng trong sự
oxi hóa, khả năng trung hòa kiềm của than cũng giảm và tăng tương ứng. Khi
toàn bộ lượng phức được loại bỏ trong sự khử khí ở điều kiện quanh 750
0
C,
than mất hầu như toàn bộ khả năng trung hòa kiềm của nó, thậm chí nó vẫn chứa
một lượng đáng kể oxy liên kết. Boehm phân biệt các nhóm axit bề mặt trên than
đã oxi hóa bằng phương pháp trung hòa chọn lọc sử dụng bazơ có độ mạnh yếu
khác nhau gồm, NaHCO
3,
1.3.1. 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
hay lacton. Các cấu trúc hóa học bề mặt này tạo ra CO
2
trong quá trình xử lý nhiệt
trong chân không hay trong môi trường trơ ở nhiệt độ 300-750
0
C . Khả năng trung
hòa bazơ của than giảm khi hút chân không hoặc loại khí bằng cách tăng nhiệt
độ một cách từ từ, và giảm tại bất kỳ nhiệt độ nào, tương ứng với lượng CO
2
được
tạo ra tại nhiệt độ đó. Hơn nữa, khi nhiệt độ vượt cao quá, khả năng trung hòa bazơ
của than giảm, cũng ở nhiệt độ cao có sự giải phóng CO
2
từ bề mặt than. Do đó,
16
tính axit bề mặt của than phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm hóa học bề mặt
cacbon-oxi.
1.3.2. Tính kị nƣớc.
Cacbon nguyên chất là chất kị nước. Tính kị nước càng giảm thì tính ưa nước
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 một phương trình để tính số tâm hấp phụ chủ yếu của chúng.
Phương trình đó có dạng sau:
K
1
(a
0
– a) (1 – Ka)h = K
2
a
Với a
0
là số tâm hấp phụ chủ yếu và a ( cả 2 biểu thức có đơn vị mmol/g) là
lượng đã hấp phụ tại áp suất tương ứng p/p
0
. Trong phương trình, (a-a
0
) biểu diễn
tổng số tâm hấp phụ, và (1-Ka) kể đến sự giảm số tâm hấp phụ hoạt động với sự
tăng trong quá trình hấp phụ. Tham số k có thể được tính từ điều kiện a=a
s
khi p/p
0
= 1, với a
s
là chỉ số 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
Copyright: Tài liệu đại học ©