BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH OXI HÓA XYLEN TRÊN VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH TẨM OXIT COBAN

51 522 0
BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC CỦA  QUÁ TRÌNH OXI HÓA XYLEN TRÊN VẬT LIỆU  THAN HOẠT TÍNH TẨM OXIT COBAN

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

MỤC LỤC MỞ ĐẦU BTX (benzen, toluen, xylen) là một trong những hợp chất hữu cơ vòng dễ bay hơi có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp hóa chất: sử dụng làm dung môi trong sơn, là hợp chất quan trọng để tổng hợp nhựa PET( polyetylen, terephtalat) và axit isophtalic, là chất phụ gia để làm tăng chỉ số octan của xăng sẽ …Do đó, chúng có mặt trong thành phần khí thải từ nhiều nhà máy, đặc biệt là nhà máy sản xuất sơn. Các hợp chất này có độc tính rất cao đối với sức khỏe con người và môi trường sống. Vì thế việc tìm cách để giảm nồng độ BTX, đặc biệt là xylen xuống mức cho phép là rất cần thiết. Biện pháp hữu hiệu để loại bỏ BTX để nhằm bảo vệ môi trường sống là chuyển hóa hoàn toàn chúng thành các chất không độc hại hoặc ít độc hại nhờ các quá trình chuyển hóa xúc tác. Như mọi người đã biết, than hoạt tính là vật liệu hấp phụ tốt đối với các chất hữu cơ, đặc biệt với các hợp chất dễ bay hơi như xylen, toluen, benzen… Các oxit kim loại chuyển tiếp (MeOx với Me: Co, Ni, Cu, Fe, Cr…) là các chất xúc tác tốt cho các phản ứng oxi hóa các BTX trong khoảng nhiệt độ vừa phải ( 200 - 400 0 C). Nếu phân tán một lượng nhỏ MeOx (5-10%) lên bề mặt than hoạt tính thì sẽ tạo ra một vật liệu hấp phụ - xúc tác( HP-XT, vừa hấp phụ tốt BTX lại vừa có khả năng oxi hóa xúc tác trực tiếp các BTX hấp phụ thành CO 2 và H 2 O ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, nếu tiến hành hấp phụ như mọi kỹ thuật thông thường khi hoàn nguyên (oxi hóa BTX), vẫn còn nhiều BTX ở dạng hấp phụ vật lý bị khử hấp phụ và giải thoát ra môi trường. Do đó lại gây ra ô nhiễm thứ cấp. Trong luận văn này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu về một kỹ thuật hấp phụ-xúc tác, được gọi là’’ kỹ thuật oxi hóa xúc tác bề mặt ‘’ để xử lý BTX ( hấp phụ và oxi hóa xúc tác) nhằm tạo ra CO 2 , H 2 O với hiệu suất xử lý khoảng 100% ở nhiệt độ không cao (< 200 o C) chỉ trong một đơn vị thiết bị (vừa hấp phụ vừa oxi hóa). 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Độc tính của xylen Xylen: là chất lỏng dễ bay hơi, tồn dưới dạng 3 đồng phân o-xylen, p- xylen , m-xylen và là cấu tử quí làm tăng trị số octan của xăng và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp như làm dung môi trong mực, phẩm màu, keo dán, chất làm sạch, chất tẩy rửa. Mặt khác, xylen cũng là khí thải độc hại và được phát tán chủ yếu từ các khu công nghiệp sử dụng xylen, khu vực khai thác dầu mỏ và kho chứa dầu…Con người có thể bị nhiễm độc hơi xylen qua con đường hô hấp và ăn uống. Các công nhân trong các nhà máy sản xuất sơn và trong gara ôtô cũng có thể bị nhiễm độc hơi xylen với nồng độ cao. Khi nhiễm độc hơi xylen ở nồng độ thấp sẽ gây ngứa mắt, mũi và họng; nhiễm độc ở mức độ cao hơn sẽ gây xáo trộn cân bằng cơ thể, suy giảm chức năng thị giác, chức năng phổi, có thể gây hỏng gan và thận. Cơ thể nhiễm độc hơi xylen với hàm lượng cao cũng có thể bị tử vong. Những phụ nữ có thai mà bị nhiễm độc hơi xylen ở nồng độ cao sẽ gây hại đến bào thai. 1.2. Tổng quan về than hoạt tính Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu than hoạt tính, sử dụng than hoạt tính là chất hấp phụ, chất mang xúc tác cho các quá trình oxi hóa các hợp chất BTX như…. Trong nước, than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu tại viện Hóa học Quân sự từ những năm 60 để có thể chủ động chế tạo hộp lọc độc cung cấp cho chiến trường. Các công trình nghiên cứu ứng dụng chủ yếu tập trung vào loại than ép viên với cấu trúc mao quản lớn, mao quản trung bình và mao quản nhỏ được phân bố theo tỷ lệ nhất định. Đến nay, các nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính trên các lĩnh vực ngày càng phát triển do điều kiện than hoạt tính đã được sản xuất trong nước với lượng lớn các loại lọc nước, tẩy màu, hấp phụ xử lý khí…từ than gỗ hoạt tính của nhà máy than hoạt tính Hằ 3 Bắc, than gáo dừa của công ty Trà Bắc. Các loại than này không những phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học, xử lý môi trường , công nghiệp trong nước mà còn xuất khẩu một lượng lớn. Việc nghiên cứu về tính chất hấp phụ của các loại than hoạt tính với các đối tượng khác nhau không những trên thế giới mà cả trong nước cũng có thể tập hợp thành những kiến thức khổng lồ và tương đối toàn diện. Trong khi đó ý nghĩa ứng dụng là điều các nhà khoa học trong nước cần phải quan tâm hơn nữa, tạo thuận lợi cho doanh nghiệp và phát huy thế mạnh của Việt Nam. Than hoạt tính là vật liệu cacbon có cấu trúc mao quản và bề mặt riêng lớn. Than hoạt tính có thể hấp phụ được nhiều chất khác nhau, nghĩa là có khả năng thu hút các phân tử lên bề mặt bên trong và bên ngoài của nó. Chính vì thế, than hoạt tính còn gọi là chất hấp phụ. Các tính chất của than hoạt tính, đặc biệt tính chất hấp phụ liên quan đến nguồn nguyên liệu ban đầu, quá trình hoạt hóa. 1.2.1. Các đặc trưng bề mặt cơ bản của than hoạt tính (THT) a. Các thông số bề mặt - Thể tích mao quản (V): là không gian rỗng tính cho một đơn vị khối lượng (cm 3 /g). - Diện tích bề mặt riêng (S): là diện tích bề mặt tính cho 1 đơn vị khối lượng, bao gồm tổng diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài mao quản (m 2 /g). THT có bề mặt riêng rất lớn – đây là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu khí. - Hình dáng mao quản : trong thực tế rất khó xác định hình dáng mao quản. Song có 4 loại mao quản được thừa nhận: mao quản hình trụ, mao quản hình cầu, mao quản hình que, mao quản hình chai. 4 Hình 1.1. Các dạng mao quản ((a) : Hình trụ tròn, (b) Hình khe, (c) hình cầu, (d) hình chai - Phân bố kích thước mao quản dựa trên những giả thiết về hình dáng mao quản (thường chọn hình trụ tròn hoặc hình khe). Chúng được xác định theo sự biến đổi của thể tích hoặc diện tích mao quản với kích thước mao quản. - Kích thước mao quản : Theo qui định của IUPAC, có thể chia mao quản thành 3 loại [10]. + Mao quản lớn : có đường kính mao quản d > 500Å. + Mao quản trung bình: có đường kính mao quản 20A 0 < d < 500Å. + Mao quản nhỏ : có đường kính mao quản trung bình d < 20Å. Thể tích mao quản lớn khoảng 0,2 – 0,8 cm 3 /g với bề mặt riêng 0,5 – 2 m 2 /g. Sự hấp phụ trên bề mặt mao quản lớn không có ý nghĩa thực tế vì bề mặt riêng nhỏ, dung lượng hấp phụ không cao. Nhưng tốc độ hấp phụ của loại than này cao, do quá trình động học thường bị kim hãm bởi giai đoạn khuếch tán, đặc biệt lá quá trình hấp phụ xảy ra trong pha lỏng. Như vậy, mao quản lớn đóng vai trò kênh vận chuyển chất hấp phụ vào sâu bên trong. Mao quản trung bình là phân nhánh của mao quản lớn với bán kính nhỏ hơn (khoảng 15 - 16Å đến 500Å ). Điểm đặc biệt với mao quản trung bình là có sự điền đầy thể tích bởi các chất hấp phụ với kích thước vừa phải (benzen, nitơ) theo kiểu ngưng tụ lỏng tại một áp suất hơi nhất định.Phần lớn than sử dụng để hấp phụ đã biết có thể tích mao quản trung bình không cao(0,02 – 0,1cm 2 /g) với bề mặt riêng 20 – 70 m 2 /g.Tuy nhiên, trong trường hợp đặc biệt (than lọc nước,than tẩy màu ), thể tích mao quản trung bình có thể đạt 0,7 5 cm 2 /g và bề mặt riêng 200 – 400 m 2 /g. Tùy thuộc vào độ lớn bề mặt riêng mà mao quản trung bình có thể đóng vai trò hấp phụ hơi trong vùng nhiệt độ cao cũng như các chất màu có kích thước phân tử lớn từ dung dịch. Ngoài ra, bề mặt trong các mao quản lớn và mao quản trung bình còn làm nền cho các hóa chất tẩm phân bố trên than. Mao quản nhỏ nhất có bán kính dưới 15 – 16Å. Kích thước mao quản nhỏ tương đương với kích thước phân tử chất bị hấp phụ. Theo thuyết điền đầy thể tích, trường hấp phụ tồn tại trong tất cả thể tích mao quản nhỏ và xen phủ lẫn nhau.Theo đó, sự hấp phụ lên các bề mặt trong các mao quản nhỏ không tuân theo quy luật điền đầy từng lớp. Tổng thể tích mao quản nhỏ trên THT thường khoảng 0,02 – 0,06 cm 3 /g và đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ. Chỉ trong trường hợp đặc biệt, mao quản trung bình mới chiếm phần lớn đại lượng hấp phụ chung của THT . b. Hóa học bề mặt than hoạt tính Ngoài thành phần chính là cacbon, THT còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác như S, O, N, và kim loại tồn tại dưới dạng oxit (tro). Chúng chủ yếu được hình thành do quá trình than hóa và hoạt hóa và liên kết hóa học với các nguyên tử cacbon tự do trên các mạng cấu trúc của than để hình thành các phức (nhóm chức) bề mặt cacbon-oxi, cacbon-hidro, cacbon-nitơ ở rìa các vi tinh thể và ở các liên kết ngang trên bề mặt than. Các nhóm chức bề mặt này chia thành hai loại: loại mang tính bazơ và loại mang tính axit, thể hiện qua giá trị pH trong dung dịch nước. 6 Hình 1.2. Các nhóm chức của than hoạt tính Thành phần của các nhóm chức này phụ thuộc vào quá trình hoạt hóa than, chẳng hạn, khi hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong dòng CO 2 than hoạt tính có tính chất bazơ, khi hoạt hóa ở nhiệt độ thấp trong dòng O 2 than hoạt tính có tính axit. Nhóm chức cacbon-oxi bề mặt là nhóm chức quan trọng nhất, ảnh hưởng đến các tính chất bề mặt như độ ẩm, độ phân cực, độ axit và các tính chất hóa lý như tính chất xúc tác, tính chất hấp phụ, tính chất điện …Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hóa học bề mặt của than hoạt tính (đặc biệt là các nhóm chức chứa oxi) đóng vai trò là các tâm hấp phụ và là một trong những nhân tố 7 quyết định sự phân tán các kim loại trên bề mặt than hoạt tính và độ bền của than hoạt tính khi làm việc trong môi trường ẩm. Đồng thời, sự có mặt của nhóm cacboxyl sẽ làm giảm tính kị nước của than hoạt tính và khi đó làm tăng được sự tiếp cận của các tiền chất kim loại trong dung dịch. c. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi diện tích bề mặt riêng nhưng bị ảnh hưởng mạnh bởi sự phân bố kích thước mao quản, các nhóm chức bề mặt than. Diện tích bề mặt càng lớn càng có khả năng tạo ra nhiều tâm hấp phụ do đó, làm tăng khả năng hấp phụ của than. Sự phân bố kích thước mao quản trong than hoạt tính cho thấy các mao quản nhỏ tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn. Một số mao quản nhỏ quyết định hướng khuyếch tán của phân tử bị hấp phụ. Các phân tử có kích thước lớn có thể đi qua các mao quản rộng và không qua có kích thước nhỏ hơn. Sự có mặt của các nhóm chức cacbon-oxi ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các phân tử phân cực do sự tác động qua lại của electron π vòng thơm với các nhóm cacbonyl nhờ cơ chế cho-nhận, trong đó O của cacbonyl là nguồn cho electron và vòng thơm là nguồn nhận. Bản chất (tính chất lý hóa) của chất bị hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính như: độ tan, kích thước phân tử, độ phân cực, pH. 1.2.2. Phương pháp chế tạo than hoạt tính Nguyên liệu dùng sản xuất than hoạt tính khá đa dạng, bao gồm các nguyên liệu chứa cacbon như: than đá, than bùn, than nâu, và các chất có nguồn gốc xenlulo như: gỗ, tre nứa, mùn cưa, bá mía, gáo dừa, sọ dừa, lõi ngô, vỏ trấu, vỏ lạc… 8 Phương pháp chế tạo than thường được tiến hành qua hai giai đoạn là : than hóa và hoạt hóa. - Quá trình than hóa : được tiến hành ở nhiệt độ 400 – 500 0 C, quá trình nhiệt phân này làm bay hơi hoặc phân hủy các thành phần không phải là cacbon. Trong quá trình than hóa cần khống chế nhiệt độ và oxi để sự cháy và phân hủy cacbon là ít nhất. - Quá trình hoạt hóa được thực hiện bằng cách nung than trong môi trường hoạt hóa ở nhiệt độ xác định. Trong giai đoạn này, than sẽ bị khí hóa bớt một phần cacbon để tạo ra độ xốp cần thiết. Nhiệt độ của quá trình hoạt hóa thường chọn ở 2 mức : 400 -500 0 C, 800 -1000 0 C. Phụ thuộc vào tác nhân hoạt hóa, người ta cũng phân chia quá trình hoạt hóa thành 2 loại: + Hoạt hóa hóa học: tác nhân hoạt hóa thường là các chất như ZnCl 2 , H 3 PO 4 ,HCl, NaOH, KOH. Hoạt hóa hóa học thường ít được được sử dụng trừ những trường hợp đặc biệt. + Hoạt hóa hóa lý bằng tác nhân oxy hóa – khử (hay còn gọi là hoạt hóa dùng khí) là quá trình hoạt hóa thường được sử dụng, tác nhân hoạt hóa là các khí (hơi) như hơi nước, CO 2 hoặc không khí. Các khí đó đóng vai trò oxy hóa hoặc khử cacbon, ví dụ : 2C + O 2 ―› 2CO C + O 2 ―› CO 2 C + H 2 O ―› CO + H 2 Quá trình hoạt hóa quyết định cấu trúc xốp và nhóm chức bề mặt của THT. Ngoài ra, tốc độ và chế độ hoạt hóa cũng ảnh hưởng đến đặc tính của than. Để thu được THT có bề mặt lớn cần phải tiến hành phản ứng sao cho quá trình chuyển hóa đồng đều trong cả khối than hoặc khống chế được độ chuyển hóa (lượng than tham gia phản ứng trên tổng số than) theo ý muốn. 9 1.2.3. Các quá trình hoàn nguyên (oxi hóa) than hoạt tính sau khi hấp phụ Nói chung, sau khi hấp phụ các chất bị hấp phụ, than hoạt tính có thể được hoàn nguyên bằng các kỹ thuật sau: a. Hoàn nguyên bằng nhiệt Kỹ thuật này được sử dụng để tái sinh các chất hưu cơ dễ bay hơi. Than hoạt tính sau khi hấp phụ chất ô nhiễm sẽ được gia nhiệt đến 800 0 C với tốc độ gia nhiệt 1-10 0 C/phút trong môi trường chân không. Nhược điểm của phương pháp này là: hiệu suất tái sinh chỉ được 80% .Sự khử hấp phụ các phân tử hữu cơ (chất ô nhiễm) trong các mao quản trung bình của than hoạt tính là rất khó khăn. Do nhiệt độ hoàn nguyên cao nên khá tốn kém về nhiệt. b. Hoàn nguyên bằng phương pháp hóa học * Hoàn nguyên bằng hơi nước * Hoàn nguyên bằng không khí nóng * Hoàn nguyên bằng các tác nhân oxi hóa như H 2 O 2 Các kỹ thuật hoàn nguyên này đều cho hiệu suất cao và tái sinh được than hoạt tính. 1.3. Hấp phụ và các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Hấp phụ là hiện tượng làm tăng nồng độ của chất (lỏng, khí) trên bề mặt vật liệu rắn. Chất có khả năng được làm giàu làm giàu gọi là chất bị hấp phụ và vật liệu rắn gọi là chất hấp phụ. Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với các nguyên tử, ion ở trên bề mặt chấ hấp phụ. Quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt. Tùy thuộc vào kiểu tương tác (lực tương tác) giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ được chia thành hai dạng hấp phụ : hấp phụ vật lý (lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực Van-der-van) và hấp phụ hóa học (lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực liên kết hóa học). 10 [...]... các dao động tạo ra do các tạp chất (SiO2) của than AC Khi tẩm cobalt oxit trên bề mặt than AC theo phương pháp tẩm khô thì các liên kết hóa học trên AC có bị thay đổi hay không? Câu trả lời này sẽ 35 được làm sáng tỏ khi phân tích phổ hồng ngoại của các mẫu vật liệu này Hình 3.4 trình bày phổ hồng ngoại của mẫu than AC khi tẩm 5% wt Co (kí hiệu 5CoOx/AC) Hình 3.4 Phổ hồng ngoại IR của vật liệu CoOx/AC... mặt của các liên kết hóa học trên bề mặt vật liệu rắn nói chung Hình 3.3 trình bày phổ hồng ngoại IR trong vùng 400 - 2000 cm -1 của than AC Hình 3.3 Phổ hồng ngoại của than AC Phân tích phổ IR cho thấy than AC xuất hiện các đám phổ 1539,20 cm -1, 1415,75 cm-1 và 1041,56 cm-1 tương ứng với các dao động hóa trị cacboxylic ( C = O, 1539 cm-1) [3], của nhóm phenol (1415 cm-1) [3] và dao động hóa trị của. .. hòa trên bề mặt các vật liệu Khi tăng nhiệt độ sẽ xảy ra quá trình khử hấp phụ oxy Lượng khí oxy khử hấp phụ được đưa đến đetecto để định lượng Theo lý thuyết về hấp phụ, vận tốc của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình: v = -Vm= K0exp Trong đó, θ: độ hấp phụ (phần trăm che phủ bề mặt rắn của vật liệu bởi các phân tử bị hấp phụ) K0: hệ số tỉ lệ; E: năng lượng hoạt hóa của quá trình. .. biệt các tâm axit Bronsted và Lewis 2.3 Phương pháp khử hóa theo chương trình nhiệt độ (TPR - H2): Phương pháp TPR-H2: là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để xác định các đặc tính của các oxit kim loại, hỗn hợp oxit kim loại và oxit kim loại phân 24 tán trên chất mang Phương pháp TPR-H 2 cung cấp thông tin một cách định lượng về tính khử của các oxit Kỹ thuật đo TPR-H2 bao gồm một hỗn hợp khí khử (thường... mặt, việc xử lý bề mặt than TB còn làm tăng được các nhóm chức cacbon -oxi trên bề mặt than Nhóm chức này khá quan trọng do chúng ảnh hưởng mạnh đến tính chất hấp phụ của than nói 33 chung và làm tăng sự phân tán của các kim loại hoặc oxit kim loại trên bề than Để chứng minh được sự tăng các nhóm chức chứa cacbon -oxi của than AC so với than TB, phương pháp chuẩn độ Boehm đã được sử dụng Theo phương pháp... dòng nghiên cứu kỹ thuật oxi hóa xúc tác bề mặt Các nghiên cứu về hấp phụ động và oxi hóa bề mặt (hoàn nguyên) được thực hiện trong hệ vi dòng như hình 2.4 27 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thực nghiệm vi dòng Hấp phụ động: Trong thực nghiệm hấp phụ động, khí mang là N2 chuyển qua bình sục khí E (đựng xylen lỏng ở t = O oC, với áp suất riêng phần bằng 2240 ppmV) Nhờ van 6 ngã G, xylen có thể đi qua reactor M đựng vật. .. ứng đến bề mặt vật liệu rắn (ii) Hấp phụ các chất phản ứng trên bề mặt vật liệu rắn (iii) Chuyển hóa học, cụ thể phản ứng hóa học xảy ra (iv) Khử hấp phụ và khuyêch tán sản phẩm ra khỏi bề mặt vật liệu rắn Giai đoạn (i) và (iv) xảy ra nhanh và không đóng vai trò quyết định tốc độ của phản ứng Căn bằng hấp phụ và khử hấp phụ luôn được duy trì dễ dàng Nồng độ của các phân tử phản ứng trên bề mặt là nhân... cacbon- oxi của than TB và than AC được trình bày trên bảng 3.2 Bảng 3.2 Lượng nhóm chức cacbon -oxi theo phương pháp chuẩn độ Boehm Tổng nhóm chức axit (mmol/g) Tổng nhóm Than hoạt chức bazơ tính (mmol/g) Nhóm TB AC Nhóm Nhóm phenol lacton Carboxyl 0,20 0,04 0,00 0,25 0,19 0,11 Kết quả phân tích cho thấy than TB chứa cả Tổng nhóm axit 0,24 0,50 0,55 0,17 nhóm chứa có tính axit, nhóm chức có tính bazơ... phát hiện ra các dao động cộng hưởng ứng với các liên kết trong phân tử Người ta chứng minh rằng chỉ có hai loại dao động của phân tử thể hiện trên phổ IR là dao động hóa trị và dao động biến dạng Loại dao động hóa trị chỉ thay đổi độ dài liên kết mà không thay đổi góc liên kết Loại dao động biến dạng chỉ thay đổi góc liên kết mà không thay đổi độ dài liên kết Phương trình cơ bản của sự hấp thụ bức xạ... lợi cho quá trình đưa oxit kim loại lên bề mặt than hoạt do các nhóm này dễ tạo phức được được với các cation kim loại như Cu, Co, … 34 Do sự thuận lợi như trên khi xử lý bề mặt than TB bằng axit citric nên trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng than TB được xử lý bề mặt bằng axit citric và kí hiệu là AC 3.1.3 Đặc trưng về phổ hồng ngoại IR Phổ hồng ngoại IR cho phép xác đinh một cách định tính sự . công trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu than hoạt tính, sử dụng than hoạt tính là chất hấp phụ, chất mang xúc tác cho các quá trình oxi hóa các hợp chất BTX như…. Trong nước, than hoạt tính bắt đầu. phụ. Các tính chất của than hoạt tính, đặc biệt tính chất hấp phụ liên quan đến nguồn nguyên liệu ban đầu, quá trình hoạt hóa. 1.2.1. Các đặc trưng bề mặt cơ bản của than hoạt tính (THT) a. Các. than hoạt tính Thành phần của các nhóm chức này phụ thuộc vào quá trình hoạt hóa than, chẳng hạn, khi hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong dòng CO 2 than hoạt tính có tính chất bazơ, khi hoạt hóa ở nhiệt

Ngày đăng: 15/07/2015, 23:10

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • 1.2.1. Các đặc trưng bề mặt cơ bản của than hoạt tính (THT)

  • Ngoài thành phần chính là cacbon, THT còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác như S, O, N,.. và kim loại tồn tại dưới dạng oxit (tro). Chúng chủ yếu được hình thành do quá trình than hóa và hoạt hóa và liên kết hóa học với các nguyên tử cacbon tự do trên các mạng cấu trúc của than để hình thành các phức (nhóm chức) bề mặt cacbon-oxi, cacbon-hidro, cacbon-nitơ ở rìa các vi tinh thể và ở các liên kết ngang trên bề mặt than. Các nhóm chức bề mặt này chia thành hai loại: loại mang tính bazơ và loại mang tính axit, thể hiện qua giá trị pH trong dung dịch nước.

  • Hình 1.2. Các nhóm chức của than hoạt tính

  • Thành phần của các nhóm chức này phụ thuộc vào quá trình hoạt hóa than, chẳng hạn, khi hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong dòng CO2 than hoạt tính có tính chất bazơ, khi hoạt hóa ở nhiệt độ thấp trong dòng O2 than hoạt tính có tính axit.

  • Nhóm chức cacbon-oxi bề mặt là nhóm chức quan trọng nhất, ảnh hưởng đến các tính chất bề mặt như độ ẩm, độ phân cực, độ axit và các tính chất hóa lý như tính chất xúc tác, tính chất hấp phụ, tính chất điện …Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hóa học bề mặt của than hoạt tính (đặc biệt là các nhóm chức chứa oxi) đóng vai trò là các tâm hấp phụ và là một trong những nhân tố quyết định sự phân tán các kim loại trên bề mặt than hoạt tính và độ bền của than hoạt tính khi làm việc trong môi trường ẩm. Đồng thời, sự có mặt của nhóm cacboxyl sẽ làm giảm tính kị nước của than hoạt tính và khi đó làm tăng được sự tiếp cận của các tiền chất kim loại trong dung dịch.

  • c. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính

  • Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi diện tích bề mặt riêng nhưng bị ảnh hưởng mạnh bởi sự phân bố kích thước mao quản, các nhóm chức bề mặt than.

  • Diện tích bề mặt càng lớn càng có khả năng tạo ra nhiều tâm hấp phụ do đó, làm tăng khả năng hấp phụ của than.

  • Sự phân bố kích thước mao quản trong than hoạt tính cho thấy các mao quản nhỏ tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn. Một số mao quản nhỏ quyết định hướng khuyếch tán của phân tử bị hấp phụ. Các phân tử có kích thước lớn có thể đi qua các mao quản rộng và không qua có kích thước nhỏ hơn.

  • Sự có mặt của các nhóm chức cacbon-oxi ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các phân tử phân cực do sự tác động qua lại của electron π vòng thơm với các nhóm cacbonyl nhờ cơ chế cho-nhận, trong đó O của cacbonyl là nguồn cho electron và vòng thơm là nguồn nhận.

  • Bản chất (tính chất lý hóa) của chất bị hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính như: độ tan, kích thước phân tử, độ phân cực, pH.

  • 1.2.2. Phương pháp chế tạo than hoạt tính

  • 2C + O2 ―› 2CO

  • C + O2 ―› CO2

  • C + H2O ―› CO + H2

    • 1.2.3. Các quá trình hoàn nguyên (oxi hóa) than hoạt tính sau khi hấp phụ

    • Hấp phụ là hiện tượng làm tăng nồng độ của chất (lỏng, khí) trên bề mặt vật liệu rắn. Chất có khả năng được làm giàu làm giàu gọi là chất bị hấp phụ và vật liệu rắn gọi là chất hấp phụ. Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với các nguyên tử, ion ở trên bề mặt chấ hấp phụ. Quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt.

    • Tùy thuộc vào kiểu tương tác (lực tương tác) giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ được chia thành hai dạng hấp phụ : hấp phụ vật lý (lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực Van-der-van) và hấp phụ hóa học (lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực liên kết hóa học). Đối với quá trình hấp phụ vậy lý, nhiệt tỏa ra nhỏ (nhiệt ngưng tụ) và có thể tạo thành đa lớp phân tử. Đối với hấp phụ hóa học, nhiệt tỏa ra khá lớn và các chất bị hấp phụ có thể tương tác với nhau để xảy ra phản ứng hóa học trên bề mặt chất hấp phụ. Quá trình hấp phụ chỉ là hấp phụ đơn lớp.

    • Sự biểu diễn mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ cân bằng ở một nhiệt độ nhất định với nồng độ (áp suất) cân bằng của chất bị hấp phụ gọi là đường đẳng nhiệt. Mỗi đường đẳng nhiệt có một phương trình đẳng nhiệt đặc trưng. Hình 1.3. chỉ ra các dạng đường đảng nhiệt hấp phụ

    • 1.3.1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan