ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÊN HV
VÕ THỊ DIỄM KIỀU

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUÁ TRÌNH THAN HÓA TRONG
QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ HẠT
ĐIỀU
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 13051181
LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQGHCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : ..................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................


I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều
chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong
quy trình điều chế than hoạt tính để tạo than hoạt tính chất lượng cao có thể
áp dụng vào quy mô nhà máy ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước,… đem
lại hiệu quả kinh tế cao và tăng tính cạnh tranh. Đồng thời nghiên cứu này
giải quyết vấn đề ô nhiễm trường từ nguyên liệu vỏ hạt điều.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/07/2015
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2015
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Lý Cẩm Hùng

Tp. HCM, ngày tháng
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

năm 2015

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


2

LỜI CẢM ƠN
Với lòng cảm ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lý Cẩm
Hùng đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ. Thầy đã giúp em có được những kiến
thức quý báu trong quá trình nghiên cứu.
Cảm ơn phòng thí nghiệm hóa của Viện Hàn Lâm Trung Quốc đã tạo điều
kiện giúp em hoàn thành đề tài nghiên cứu.

4
ABSTRACT
The cashew nuts shell residue after oil extraction was utilized for the
production of the activated carbon in order to enhance economic benefits, gain more
job opportunities as well as reduce environmental pollution. However, the process
of producing the activated carbon from the cashew nuts shell residue have not been
seriously investigated and commercialized. The process has two steps –
carbonization and activation, in which the former normally occur in inert condition
whereas the latter involves the use of KOH and CO2; but the quality of activated
carbon is still not good enough. In this paper, the process of carbonization has been
improved by adapting the heating rate in order to controlling the conversion rate of
cellulose and hemicellulose; and the steam was used to activate carbon at 850oC.
The activated carbon was obtained with better quality, e.g. BET surface area of
1171 m2/g and total pore volume of 0.7 cm3/g. The results show that the conversion
rate of cellulose and hemicellulose in the residue have to be controlled effectively
and it is the key step in the process. The results from this fundamental research also
provide a new concept of carbonization process for activated carbon production at
an industrial scale.


5
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát
từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành hướng nghiên cứu. Các số liệu
có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ theo đúng quy định. Kết quả trình bày trong luận văn
được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trước
đây.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

1.2.4. Tình hình sản xuất than hoạt tính trong nước và thế giới ........................24
1.3.

Lý thuyết về hấp phụ [18, 19] .........................................................................26

1.3.1. Các khái niệm và phân loại hấp phụ ........................................................26


7
1.3.1.1.

Hấp phụ vật lý .......................................................................................26

1.3.1.2.

Hấp phụ hóa học ...................................................................................27

1.3.2. Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt ........................................................28
1.4.

Vỏ hạt điều và tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính .........................34

1.4.1. Vỏ hạt điều ...............................................................................................34
1.4.2. Tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều ...................36
1.4.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước .........................................................36

1.4.2.2.


3.3.1. Đối với mẫu BBC ........................................................................................68
3.3.2. Đối với mẫu CC6 ........................................................................................73
3.3.3. Đối với mẫu CC3 ........................................................................................78
3.3.4. So sánh và đánh giá các mẫu đã hoạt hóa ...................................................82
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................89
4.1. Kết luận ..............................................................................................................89
4.1.1. Quy trình sản xuất than hoạt tính dựa vào phương pháp hoạt hóa hơi nước
trước đây................................................................................................................89
4.1.2. Quy trình sản xuất than hoạt tính cải tiến giai đoạn than hóa .....................89
4.2. Kiến nghị ............................................................................................................90
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .......................................................92


9
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................93


10
DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các hướng nghiên cứu sản xuất than hoạt tính.................................24
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất cần thiết cho nghiên cứu ...................................38
Bảng 2.2. Danh mục dụng cụ cần thiết cho nghiên cứu....................................39
Bảng 2.3. Phân tích thành phần nguyên tố của CNS dùng trong thí nghiệm. ..41
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ T10C đến các tính chất của sản phẩm than
hóa. ....................................................................................................................54
Bảng 3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ T20C đến các tính chất của sản phẩm than hóa.
...........................................................................................................................58
Bảng 3.3. Các nhóm chức chính của các sản phẩm than hóa ...........................62
Bảng 3.4. Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt R (0C/phút) đến các tính chất của sản

Hình 3.4. Các phản ứng nhiệt phân của cellulose và hemi-cellulose [30] ........59


12
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ T20C lên hiệu suất mẫu than hóa ...............60
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ T20C lên tích chất mẫu than hóa ................61
Hình 3.7. Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các nhiệt độ T20C ...................62
Bảng 3.3. Các nhóm chức chính của các sản phẩm than hóa ...........................62
Hình 3.8. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hiệu suất các mẫu than hóa ......65
Hình 3.9. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến tính chất các mẫu than hóa .....66
Hình 3.10. Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các tốc độ gia nhiệt khác nhau
...........................................................................................................................67
Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới thể tích hấp phụ của các mẫu
than hoạt tính BCC-AC .....................................................................................70
Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới hiệu suất và diện tích BET
của các mẫu than hoạt tính BCC-AC ................................................................71
Hình 3.13. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới khả năng hấp phụ chỉ số
Methylen và Iot của các mẫu than hoạt tính BCC-AC .....................................72
Hình 3.14. Phổ FTIR của các mẫu than hoạt tính BCC-AC .............................73
Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới thể tích hấp phụ của các mẫu
than hoạt tính CC6-AC......................................................................................75
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới hiệu suất và diện tích BET
của các mẫu than hoạt tính CC6-AC .................................................................76
Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới khả năng hấp phụ chỉ số
Methylen và Iot của các mẫu than hoạt tính CC6-AC ......................................77
Hình 3.18. Phổ FTIR của sản phẩm hoạt tính CC6-AC tại các thời gian hoạt
hóa khác nhau ....................................................................................................78


13

môi trường. Đồng thời nâng cao giá trị kinh tế của vỏ hạt điều là hết sức cần thiết.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Quy mô phòng thí nghiệm

-

Phòng thí nghiệm (State Key Laboratory of Multi-Phase Complex Systems)
của giáo sư Guangwen Xu, Viện Kỹ thuật ứng dụng, Viện Hàn Lâm Trung
Quốc.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


15
Ý nghĩa khoa học: Tiếp nối các nghiên cứu về điều chế than hoạt tính với
việc cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính để tạo than
hoạt tính chất lượng cao từ vỏ hạt điều.
Ý nghĩa thực tiễn: Tạo than hoạt tính chất lượng cao có thể áp dụng vào quy
mô nhà máy ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước,… đem lại hiệu quả kinh tế cao
và tăng tính cạnh tranh. Đồng thời nghiên cứu này giải quyết vấn đề ô nhiễm môi
trường từ nguyên liệu vỏ hạt điều.


16

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Than hoạt tính

trúc xốp và vật lý mà còn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc hóa học.
Cấu trúc hóa học: thành phần của than hoạt tính gồm cacbon (chủ yếu),
hydro, oxy,… Và các nhóm chức giữa các nguyên tố hóa học liên kết được hình
thành là carboxyl, nhóm lactone, nhóm rượu, nhóm phenlic, hydroxyl,.. tùy thuộc
vào nguồn nguyên liệu và tác nhân hoạt hóa. Trong đó, những nhóm chức chức oxy
là những nhóm quan trọng nhất vì chúng làm ảnh hưởng tới đặc tính bề mặt than
hoạt tính, cụ thể tính hút ẩm, tính phân cực, tính axit, tính chất hóa lý [3, 4].
1.1.3. Ứng dụng của than hoạt tính
Than hoạt tính ngoài khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính còn có các ưu
điểm như: không độc hại, giá thành rẻ, sản xuất. Vì vậy than hoạt tính được sử dụng
rộng rãi cho nhiều ứng dụng:
• Trong y tế (than dược): than hoạt tính tẩy trùng các độc tố sau khi ngộ độc
thức ăn và dùng làm khẩu trang để lọc khói bụi.


18
• Trong kỹ thuật: là thành phần chính của túi lọc khí, mặt nạ phòng độc.
• Trong công nghệ quản lý môi trường: xử lý các chất bẩn vi lượng và ion kim
loại nặng.
• Trong đời sống hằng ngày: lọc nước, khử mùi
• Trong lĩnh vực kim loại: như thu hồi vàng, bạc và các chất vô cơ khác, và
làm chất xúc tác, chất mang.
Ví dụ cụ thể cho ứng dụng của than hoạt tính: Quy trình công nghệ xử lý
nước thải sử dụng than hoạt tính [5].

Hình 1.2. Mô hình bể lọc nước xử lý với than hoạt tính
Từ nguồn nước muốn lọc, nước đi qua vòi sen để tạo mưa hạt nhỏ nhằm
tránh làm xói mòn lớp cát trên cùng. Sau đó nước đi qua lớp cát trên cùng (quá trình



20
Đây là phương pháp đơn giản, rẽ tiền và dễ tiến hành. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp này là gây trở ngại cho quá trình hoạt hóa [1].
Quá trình hoạt hóa
Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác
dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có
kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt. Có hai
phương pháp hoạt hóa cơ bản là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Mục đích của
giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu được sau giai đoạn
than hóa.
1.2.1. Phương pháp hoạt hóa vật lý
Hoạt hóa vật lý luôn đi kèm với giai đoạn than hóa, ở nhiệt độ cao vật liệu bị
đề hyđrát hóa, đồng thời xảy ra quá trình tái cấu trúc bề mặt than, kết quả làm tăng
cấu trúc xốp của bề mặt làm tăng diện tích bề mặt riêng của than.
Tác nhân hoạt hóa phổ biến là khí CO2, hơi nước, không khí, … Tuy nhiên,
tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxi, nó còn là tác nhân hoạt hóa
cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặt riêng của than. Trong công nghiệp,
phương pháp dùng hơi nước là phổ biến nhất bởi vì hơi nước là nguồn sẵn có, rẻ
tiền không gây ô nhiễm môi trường [1].
Các phản ứng hoạt hóa chính ứng với tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước lần
lượt là:
C + CO2 = 2 CO
C + H2O = CO + H2
Ta xem xét 1 quá trình cụ thể hoạt hóa bằng hơi nước [6]


21
Khi cacbon tương tác với hơi nước, các phản ứng sau đây diễn ra cùng lúc:
C + H2O = H2 + CO – 31 kcal
2 H2O +C = CO2 + 2 H2

Ít gây ăn mòn thiết bị

-

Sản phẩm than hoạt tính thu được sạch

-

Có thể thực hiện với năng suất lớn

-

Chi phí sản xuất thấp

• Nhược điểm
-

Diện tích bề mặt than hoạt tính không cao

-

Thời gian hoạt hóa lâu

-

Nhiệt độ sử dụng hoạt hóa cao trên 7000C

1.2.2. Phương pháp hoạt hóa hóa học
Các chất hoạt hóa có thể phân chia thành tác nhân hoạt hóa có tính axit
(H3PO4, H2SO4, ZnCl2…) và các tác nhân có tính bazơ (KOH, NaOH, K2CO3…).


Hiệu suất sản phẩm cao

-

Diện tích bề mặt than hoạt tính thu được cao

• Nhược điểm
-

Gây ăn mòn thiết bị

-

Gây ô nhiễm môi trường

-

Tăng chi phí sản xuất

1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính
• Tác nhân hoạt hóa gồm tác nhân hoạt hóa vật lý (H2O, CO2) và tác nhân hoạt
hóa hóa học (NaOH, HCl).
• Nồng độ tác nhân hoạt hóa ảnh hưởng tới tính chất của than hoạt tính. Nếu
nồng độ tác nhân hoạt hóa thấp thì diện tích bề mặt than hoạt tính thấp.
Ngược lại, nồng độ tác nhân hoạt hóa quá cao thì các mao quản bé sẽ phát
triển thành các mao quản trung bình và lớn, dẫn tới khả năng hấp phụ giảm,
hiệu suất sản phẩm thấp.