Tóm tắt Luận án Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình chế tạo than hoạt tính dạng vải sợi từ nguyên liệu sợi Viscose

ăng lượng hoạt hóa của phản ứng than hóa theo tốc độ nâng nhiệt Tốc độ nâng nhiệt  (oC/phút) Thừa số A(s -1 ) E (kJ/mol) Hằng số tốc độ phản ứng 3 2,6.10 7 28,91 RTek 91,28 7.10.6,2   5 4,5.10 7 28,87 RTek 87,28 7.10.5,4   10 9,1.10 7 28,78 RTek 78,28 7.10.1,9   15 1,2.10 8 28,69 RTek 69,28 8.10.2,1   30 2,4. 10 8 28,41 RTek 41,28 8.10.4,2   3.1.1.3 Các thông số nhiệt động học của phản ứng than hóa vải sợi viscose - Từ số liệu bảng 3.1 và công thức Kissinger-Coats-Redferm xác định các thông số nhiệt động học tại các nhiệt độ sau: 7 Bảng 3.5 Các thông số nhiệt động học của phản ứng than hóa tại 473 K Mẫu S (kJ/mol.K) H (kJ/mol) G (kJ/mol) M0 0,186 59,87 -28,34 M1 0,135 18,81 -44,93 M2 0,122 16,27 -41,58 M3 0,132 24,47 -38,01 M4 0,134 21,37 -41,85 M5 0,157 13,32 -60,90 M6 0,120 16,82 -39,91 Bảng 3.7 Các thông số nhiệt động học của phản ứng than hóa tại 673K Mẫu S (kJ/mol.K) H (kJ/mol) G (kJ/mol) M0 0,186 58,20 -67,2 M1 0,163 17,15 -84,42 M2 0,151 14,60 -79,12 M3 0,132 22,81 -59,4 M4 0,162 19,70 -81,17 M5 0,138 11,66 -74,17 M6 0,148 15,15 -77,17 Bảng 3.8 Các thông số nhiệt động học của phản ứng than hóa tại nhiệt độ T1/2 Mẫu T½ ( o C) S (kJ/mol.K) H (kJ/mol) G (kJ/mol) M0 340 0,186 58,6 -58,62 M1 350 0,163 17,15 -84,42 M2 300 0,122 15,44 -54,60 M3 270 0,132 24,2 -45,40 M4 350 0,147 20,21 -72,60 M5 280 0,109 12,49 -50,23 M6 270 0,120 16,39 -51,25 - Từ kết quả nghiên cứu trên hình 3.3 tính toán các thông số nhiệt động học được thể hiện trong bảng 3.9. Bảng 3.9 Thông số nhiệt động học phản ứng than hóa theo tốc độ nâng nhiệt Tốc độ nâng nhiệt ( o C/phút) S (kJ/mol.K) H (kJ/mol) G (kJ/mol) 3 0,114 23,32 -47,55 5 0,118 23,27 -50,38 10 0,124 23,18 -54,10 15 0,127 23,09 -55,76 30 0,132 22,81 -59,43 Nhận xét mục 3.1.1 + Phụ gia tẩm lên bề mặt sợi vải viscose có tác dụng làm nhiệt độ than hóa ban đầu giảm làm năng lượng hoạt hóa giảm và tốc độ phản ứng than hóa tăng. 8 + Khi nhiệt độ than hóa tăng thì hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến tăng làm cho tốc độ phản ứng than hóa tăng. + Khi tốc độ nâng nhiệt tăng thì thừa số trước hàm mũ A tăng, hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến tăng và năng lượng hoạt hóa biểu kiến giảm làm cho tốc độ phản ứng tăng. + Ở các nhiệt độ phản ứng than hóa lớn hơn 473 K (thì có G < 0) phản ứng than hóa tự xảy ra. + Khi nhiệt độ than hóa tăng thì H và G càng giảm thì phản ứng than hóa càng dễ xảy ra. Thông số S > 0 và S càng tăng thì độ hỗn loạn trong hệ càng tăng điều này chứng tỏ cấu trúc của sợi viscose bị phá vỡ trong quá trình than hóa. + Khi tốc độ nâng nhiệt tăng thì entropy của phản ứng có xu hướng tăng lên làm cho độ linh động của hệ tăng, entanpi và G càng giảm làm cho phản ứng xảy ra dễ dàng hơn. Trên cơ sở kết quả phân tích nhiệt trọng lượng và nghiên cứu đặc điểm động học của phản ứng than hóa xây dựng được chương trình nhiệt độ chế tạo vải than hóa. 3.1.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình than hóa 3.1.2.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia Than hóa mẫu vải sợi viscose tẩm phụ gia với tốc độ thổi khí N2 là 1,5 lít/phút, chương trình nhiệt độ: nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ), 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), 2 = 5 oC/phút, 700 oC (t2 = 0,25 giờ). Độ thiêu đốt của các mẫu tẩm hóa chất nhỏ hơn so với mẫu không tẩm khoảng 10 - 22 %. Hóa chất tẩm có ảnh hưởng đến độ bền của vải sợi than hóa. Độ bền của các mẫu tẩm hóa chất cao hơn so với mẫu không tẩm. Mẫu tẩm polyphotphat ure (M3) có độ thiêu đốt thấp nhất và độ bền cơ lý cao nhất. Hóa chất tẩm lên vải có tác dụng giảm sự cháy của vải trong quá trình carbon hóa. Bảng 3.10 Độ thiêu đốt và độ bền cơ lý của các mẫu vải sợi đã than hóa Chỉ tiêu Mẫu sau than hóa M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 Hàm lượng chất tẩm, (%) 0 5,12 4,97 5,04 5,03 4,98 4,95 Độ thiêu đốt, (%) 78,3 67,5 58,2 56,5 59,5 62,8 61,6 Độ bền kéo đứt, (N) - Dọc - Ngang 110 70 130 80 132 87 150 103 135 91 125 72 120 75 Đứt gãy, (%) 8 5 4 1 4 5 6 3.1.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia polyphotphat ure tẩm Điều kiện than hóa là: tốc độ thổi khí N2 là 1,5 lít/phút, chương trình nhiệt độ: nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ), 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), 2 = 5 oC/phút, 400 oC (t2 = 0,25 giờ); 3 = 20 oC/phút; 950 oC (t3 = 1 giờ). Hàm lượng chất tẩm tăng lên từ 3,1 % đến 5,03 % thì độ thiêu đốt giảm xuống và độ bền của sợi tăng lên. Hàm lượng chất tẩm tăng lên từ 7,07 % đến 9,04 % thì 9 độ thiêu đốt tăng và độ bền kéo đứt giảm, trên bề mặt của vải xuất hiện nhiều sợi đứt trong quá trình than hóa. Từ kết quả nghiên cứu trên chọn hàm lượng chất tẩm hợp lý là 7,07 %. Bảng 3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia đến chất lượng vải sợi than hóa TT Hàm lượng chất tẩm, (%) Bề mặt vải sợi than hóa Sợi gãy, (%) Độ thiêu đốt, (%) Độ bền, (N) Dọc - Ngang 1 Vải sợi viscose Trắng 0 0 1520- 1040 2 3,10 Màu đen, mềm 3 67,2 320 - 210 3 5,03 Màu đen, mềm 1 60,1 415 - 310 4 7,07 Màu đen, mềm 1 61,2 476 - 335 5 9,04 Màu đen, mềm 3 62,5 253 - 180 6 15,20 Màu đen, cứng 5 67,9 150 - 98 3.1.2.4 Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, tốc độ nâng nhiệt a. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt, thời gian đẳng nhiệt và nhiệt độ than hóa đến chất lượng sợi vải than hóa. Giai đoạn 1. (giai đoạn từ nhiệt độ phòng tới nhiệt độ thoát hơi nước tự do) - Khảo sát sự biến đổi trọng lượng mẫu vải sợi viscose tẩm hàm lượng 7 % phụ gia polyphotphat ure, chọn được thời gian đẳng nhiệt ở 120 oC là t = 2 giờ với tốc độ nâng nhiệt tối đa là 0 = 20 oC/phút. Giai đoạn 2. (từ nhiệt độ thoát hơi nước tự do đến khi bắt đầu than hóa). - Các thí nghiệm trong khoảng nhiệt độ từ 120 đến 200 oC chọn tốc độ nâng nhiệt là 1 = 20 oC/phút. - Nghiên cứu xác định nhiệt độ bắt đầu than hóa trong lò quay, với điều kiện thí nghiệm là: tốc độ thổi khí trơ N2 1,5 lít/phút, chương trình nhiệt độ: thời gian đẳng nhiệt ở 120 oC là 2 giờ, tốc độ nâng nhiệt từ 120 oC đến nhiệt độ than hóa là 1 = 20 oC/phút. Bảng 3.15 Xác định nhiệt độ than hóa Nhiệt độ, ( o C) Độ giảm khối lượng, (%) Bề mặt vải sợi 200 12,8 Màu trắng 210 12,8 Màu vàng nhạt 220 12,8 Màu nâu 230 13,0 Màu đen 240 13,5 Màu đen Ở điều kiện thực tế thì xác định được nhiệt độ bắt đầu than hóa là 230 oC. Mẫu vải sợi viscose tẩm 7 % polyphotphat ure được xử lý kiệt hơi nước tự do theo chương trình nhiệt độ: nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ); 1 = 20 o C/phút đến 230 oC được ký hiệu là M31. - Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt tại nhiệt độ than hóa Tđ = 230 o C điều kiện thí nghiệm như mẫu M31, kết quả ở bảng 3.16. Thời gian than hóa đẳng nhiệt tăng độ thiêu đốt tăng lên, độ thiêu đốt đạt 50% sau 4 giờ, thời gian tăng hơn 4 giờ thì độ thiêu đốt không thể tăng nữa, do vậy chọn thời gian đẳng nhiệt t1 = 4 giờ là điều kiện hợp lý. 10 - Mẫu vải sợi viscose tẩm phụ gia hàm lượng 7,07 % polyphotphat ure được than hóa theo chương trình nhiệt độ, nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ); 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), ký hiệu mẫu M32. Thời gian than hóa đẳng nhiệt tăng độ thiêu đốt tăng lên, độ thiêu đốt đạt 50 % sau 4 giờ, thời gian tăng hơn 4 giờ thì độ thiêu đốt không thể tăng nữa, do vậy chọn thời gian đẳng nhiệt t1 = 4 giờ là điều kiện hợp lý. Bảng 3.16 Ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt tại 230 oC Thời gian, (giờ) Độ thiêu đốt, (%) Độ bền kéo đứt, (N), Dọc - Ngang 0,5 13,2 945-653 2 38,3 915-605 4 50,1 625-413 6 50,4 625-413 8 50,4 625-413 Giai đoạn 3. (giai đoạn từ nhiệt độ bắt đầu than hóa 230 đến 400 oC) - Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt điều kiện thí nghiệm như mẫu M32 được thể hiện trong bảng 3.17. Bảng 3.17 Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt trong khoảng từ 230 oC đến 400 oC Tốc độ nâng nhiệt ( o C/phút) Độ thiêu đốt (%) Độ bền kéo đứt, (N) Dọc - Ngang Sợi gãy, (%) 5 52,3 180-120 1 10 52,1 175-116 2 15 51,3 140-95 6 20 50,9 120-81 10 Vải sợi viscose 0 1520-1040 0 Nhận xét; tốc độ nâng nhiệt càng cao thì độ thiêu đốt càng giảm do thời gian than hóa thấp hơn và độ bền cơ lý của sợi sẽ thấp hơn so với vải sợi viscose. Kết quả này phù hợp với quá trình nghiên cứu lý thuyết do tốc độ phản ứng tăng và entropi tăng cấu trúc của vải sợi bị phá vỡ sau khi than hóa. Do vậy, chọn tốc độ nâng nhiệt 2  5 oC/phút. - Ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt (t2 giờ) ở nhiệt độ 400 oC được thể hiện trong bảng 3.18. Bảng 3.18 Ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt tại 400 oC Thời gian (giờ) Độ thiêu đốt, (%) Độ bền kéo đứt, (N), Dọc - Ngang 0,25 54,3 180-120 0,50 54,4 181-120 1,00 54,5 181-120 2,00 54,4 180-120 Thời gian đẳng nhiệt tăng, độ thiêu đốt tăng và sẽ không tăng nữa khi thời gian đẳng nhiệt lớn hơn 0,5 giờ, do vậy chọn thời gian đẳng nhiệt t2 = 0,25 giờ. - Mẫu vải sợi viscose tẩm phụ gia hàm lượng 7,1 % polyphotphat ure theo chương trình nhiệt độ, nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ); 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), 2 = 5 oC/phút, 400 oC (t2 = 0,25 giờ), ký hiệu M33. Giai đoạn 4. (giai đoạn từ nhiệt độ 400 đến 950 oC) 11 Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt 3 ở khoảng nhiệt độ từ 400 - 950 o C đến chất lượng của sợi vải than hóa (điều kiện thí nghiệm như mẫu M33) kết quả được thể hiện ở bảng 3.19. Bảng 3.19 Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt khoảng từ 400 đến 950 oC Tốc độ nâng nhiệt,( o C/phút) Độ thiêu đốt,(%) Độ bền kéo đứt, (N) Dọc - Ngang 5 58,1 390- 291 10 58,1 390- 291 20 58,0 391-290 Tốc độ nâng nhiệt càng cao thì độ thiêu đốt càng thấp do thời gian ngắn hơn và tốc độ nâng nhiệt cao không ảnh hưởng tới độ bền sợi vải, do vậy chọn tốc độ nâng nhiệt 3 = 20 oC/phút. - Mẫu vải sợi viscose tẩm phụ gia hàm lượng 7,1 % polyphotphat ure than hóa theo chương trình nhiệt độ, nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ); 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), 2 = 5 oC/phút, 400 oC (t2 = 0,25 giờ), 3 = 20 oC/phút; 700 oC (t3 = 0,25 giờ), ký hiệu mẫu M35. - Mẫu vải sợi viscose tẩm phụ gia hàm lượng 7,1 % polyphotphat ure than hóa theo chương trình nhiệt độ, nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ); 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), 2 = 5 oC/phút, 400 oC (t2 = 0,25 giờ), 3 = 20 oC/phút; 850 oC (t3 = 0,25 giờ), ký hiệu mẫu M38. - Khảo sát thời gian đẳng nhiệt (t3) ở nhiệt độ 950 o C (điều kiện thí nghiệm giống như mẫu M38) kết quả thể hiện trong bảng 3.20. Khi thời gian đẳng nhiệt ở 950 oC tăng từ 0,25 giờ đến 1 giờ độ thiêu đốt gần như không tăng và độ bền sợi vải tăng lên. Khi thời gian đẳng nhiệt tăng từ 1 giờ lên 5 giờ thì độ thiêu đốt và độ bền sợi gần như không tăng, do vậy chọn thời gian đẳng nhiệt tại 950 oC là t3 = 1 giờ. - Mẫu vải sợi viscose tẩm phụ gia hàm lượng 7,07 % polyphotphat ure than hóa theo chương trình nhiệt độ, nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 1 giờ); 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ), 2 = 5 oC/phút, 400 oC (t2 = 0,25 giờ), 3 = 20 oC/phút; 950 oC (t3 = 1 giờ), ký hiệu mẫu M39. Bảng 3.20 Ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt tại 950 oC Thời gian (giờ) Độ thiêu đốt, (%) Độ bền kéo đứt, (N) Dọc - Ngang 0,25 59,3 390 - 291 0,5 60,2 450 - 320 1 60,2 477 - 335 2 60,3 476 - 336 3 60,5 472 - 334 4 60,4 474 - 336 5 60,3 472 - 334 + Nhiệt độ bắt đầu than hóa được xác định trong điều kiện thực tế chế tạo vải than hóa trong lò quay là 230 oC. Tại nhiệt độ bắt đầu than hóa thời gian 12 đẳng nhiệt càng dài càng tốt. + Ở giai đoạn nhiệt độ từ 230 - 400 oC thì tốc độ nâng nhiệt có ảnh hưởng đến quá trình than hóa. Tốc độ nâng nhiệt càng thấp thì độ bền cơ lý của vải sợi than hóa càng cao. Có thể do tốc độ nâng nhiệt càng thấp thì càng hạn chế sự đứt gãy của sợi vải. + Tốc độ nâng nhiệt ở các giai đoạn nhiệt độ khác đều ảnh hưởng không đáng kể đến độ bền cơ lý của vải sợi than hóa, do vậy chọn tốc độ nâng nhiệt cao nhất của thiết lò để tiếc kiệm thời gian và năng lượng. + Thời gian đẳng nhiệt ở 950 oC có ảnh hưởng đến chất lượng sợi than hóa, khi thời gian than hóa tăng từ 0,25 giờ đến 1 giờ thì độ bền sợi vải tăng lên, khi tăng thời gian từ 1 giờ lên 5 giờ thì độ bền sợi gần như không tăng. b. Đánh giá cấu trúc và tính chất của các mẫu vải than a b c d Hình 3.5 Ảnh SEM của vải sợi viscose và vải sợi than hóa Hình a sợi viscose nguyên liệu (M30), kích thước của sợi 11- 15 μm; Hình b sợi than hóa (M32), kích thước sợi 9 -10 μm; Hình c sợi than hóa (M33), kích thước 5 - 7 μm; Hình d sợi than hóa (M39): kích thước: 5 - 7 μm. * Kết quả phân tích xác định thành phần của mẫu vải sợi than hóa bằng phổ EDX được thể hiện trong bảng 3.21. Bảng 3.21 Thành phần của vải sợi than hóa TT Tên mẫu Thành phần (%) C O P 1 M30 43,40 53,70 2,5 2 M31 44,61 52,10 2,5 3 M32 94,5 3,50 2,0 4 M33 93,82 3,18 1,8 5 M37 98,30 1,6 0,1 6 M39 99,95 0,05 0 - Khi nhiệt độ và thời gian than hóa tăng thì hàm lượng carbon tăng và hàm lượng oxi giảm; hàm lượng carbon của mẫu M33 đạt 99,82 % điều đó chứng tỏ rằng ở nhiệt độ 400 oC quá trình than hóa xảy ra hoàn toàn. - Khi nhiệt độ tăng đến 950 oC thì hàm lượng P trên bề mặt vải carbon không còn. Điều này chứng tỏ rằng hàm lượng phụ gia tẩm bị thăng hoa mất đi 13 trong quá trình than hóa ở nhiệt độ cao. * Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu M32, M33, M38 và M39 thể hiện trên phổ hình 3.7. Mẫu M32, mẫu M33 là sợi than hóa ở nhiệt độ thấp trên phổ không xuất hiện pic, chứng tỏ các nguyên tử carbon tồn tại ở trạng thái vô định hình. Mẫu than hóa ở nhiệt độ 950 oC (M39) thì pic ứng với góc quét 2θ = 24,97 tăng lên lớn hơn so với mẫu M38 điều đó chứng tỏ hàm lượng vi tinh thể graphit trong sợi tăng lên. 10 20 30 40 50 60 70 2 M32 M33 M38 M39 24.97 43.45 Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray) với các mẫu vải than hóa Bảng 3.22 Độ bền kéo đứt của mẫu sợi than hóa TT Mẫu Nhiệt độ than hóa, ( o C) Độ bền kéo đứt, (N) Dọc - Ngang Độ thiêu đốt, (%) 1 M30 Vải sợi viscose 1520- 1040 0 2 M32 230 625 - 413 50,4 3 M33 400 220 - 161 52,3 4 M36 750 150 - 103 58,1 5 M38 850 367 - 258 60,3 6 M39 950 476 - 335 63,1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 200 400 600 800 1000 Nhiệt độ cacbon hóa, oC Độ b ền , N Dọc Ngang Hình 3.8 Đồ thị sự phụ thuộc của độ bền kéo đứt vào nhiệt độ Khi than hóa tại nhiệt độ 230 oC độ bền của vải sợi than hóa giảm một nửa so với vải sợi viscose ban đầu. Giai đoạn nhiệt độ than hóa từ 230 đến 400 oC độ bền của vải sợi than hóa giảm khi nhiệt độ than hóa tăng lên và độ bền của vải sợi than hóa ở 400 oC thấp nhất. Giai đoạn từ 850 đến 950 oC thì độ bền của vải sợi than tăng lên khi nhiệt độ tăng. Độ bền cơ lý của mẫu vải ở 950 oC thấp hơn rất nhiều so với mẫu vải sợi viscose ban đầu và mẫu vải đã than hóa ở 230 oC. Tuy nhiên, mẫu vải than hóa ở 950 oC (M39) có khả năng chịu nhiệt tốt trong quá trình hoạt hóa ở vùng nhiệt độ 750 - 950 oC. Nhận xét - Trong quá trình than hóa sợi viscose thì thời gian đẳng nhiệt tại 230 oC càng dài càng tốt. Thời gian đẳng nhiệt ở giai đoạn nhiệt độ 230 - 400 oC càng dài thì độ 14 bền cơ lý của vải sợi than hóa càng cao và sự đứt gãy của vải sợi than hóa càng ít. Trong giai đoạn này hàm lượng carbon tăng từ 63 lên 99 % và kích thước của sợi giảm từ 10 - 15 μm xuống đến 5 - 7 μm, hiệu suất quá trình than hóa cao nhất. Ở giai đoạn nhiệt độ 400 - 750 oC độ bền của sợi than hóa thấp nhất là 150 N (chiều dọc) và 103 N (chiều ngang) và sợi than hóa có cấu trúc ở trạng thái vô định hình. - Khi nhiệt độ than hóa tăng lên đến 950 oC thì hàm lượng carbon tăng lên không đáng kể và kích thước của sợi giảm không đáng kể. Độ bền cơ lý của sợi tăng lên là do trong cấu trúc của sợi vải than hóa có xuất hiện pic của vi tinh thể graphit. Độ bền cơ lý của sợi vải than hóa tăng lên khi có hàm lượng vi tinh thể graphit trong cấu trúc của sợi vải than hóa tăng lên. - Kết hợp kết quả phân tích thành phần theo phổ tán sắc năng lượng EDX, phổ hồng ngoại của vải sợi than hóa thấy rằng: Trên bề mặt sợi mới than hóa không có nhóm –OH và nhóm –COOH. Thành phần oxi phân tích xác định được có thể là thành phần oxi có trong cấu trúc sợi vải. Sau thời gian than hóa 4 giờ ở nhiệt độ 230 oC quá trình than hóa xảy ra hoàn toàn. - Điều kiện hợp lý cho quá trình than hóa chế tạo vải sợi than hóa là: + Chương trình nhiệt độ là: Nhiệt độ phòng, 20 oC/phút, 120 oC (t0 = 2 giờ); 1 = 20 oC/phút, 230 oC (t1 = 4 giờ); 2 = 5 oC/phút, 400 oC (t2 = 0,25 giờ); 3 = 20 oC/phút; 950 oC (t3 = 1 giờ). + Tổng thời gian thí nghiệm than hóa của chương trình này là 7,78 giờ. + Hàm lượng phụ gia polyphophat ure là 7,07 %. + Tốc độ thổi khí mang nitơ là 1,5 lít/phút. 3.1.2.5 Chế tạo vải than hóa theo điều kiện hợp lý Bảng 3.23 Chỉ tiêu kỹ thuật của vải sợi than hóa Lần TN Độ thiêu đốt, (%) Độ bền, (N), Dọc - Ngang Kích thước sợi, (m) Hàm lượng carbon, (%) 1 61,3 476 - 335 5-7 99,5 2 60,8 476 - 335 5-7 99,5 3 61,4 476 - 335 5-7 99,5 Kết quả thí nghiệm trong bảng 3.23 chứng tỏ rằng: vải than hóa được chế tạo theo quy trình đã hợp lý hóa có độ lặp lại và độ tin cậy cao. Nhận xét mục 3.1.2 Qua nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình than hóa đã xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình than hóa chế tạo vải than hóa từ vải sợi viscose và xác lập điều kiện hợp lý cho quá trình than hóa chế tạo vải than hóa trong điều kiện phòng thí nghiệm. Quá trình chế tạo vải than hóa theo điều kiện hợp lý có độ tin cậy cao và chế tạo được mẫu vải sợi than hóa sử dụng làm sản phẩm trung gian cho nghiên cứu hoạt hóa chế tạo vải than hoạt tính. 3.2. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa từ vải đã than hóa 3.2.1 Nghiên cứu đặc điểm động học quá trình khí hóa sợi vải đã than hóa 3.2.1.1 Động học của phản ứng giữa vải sợi đã than hóa và hơi nước Tiến hành nghiên cứu phản ứng giữa mẫu vải đã than hóa ở trên và hơi 15 nước quá nhiệt trong hệ thống lò quay tự tạo (hình 2.1) ở nhiệt độ 750, 800, 850, 950 o C. Mẫu được kiểm tra khối lượng theo thời gian phản ứng và tính toán độ chuyển hóa. Kết quả thực được thể hiện trên hình 3.11. Hình 3.11 Đồ thị sự phụ thuộc độ chuyển hóa vào thời gian Kết quả trên hình 3.11 cho thấy, trong cùng thời gian phản ứng nhiệt độ phản ứng càng tăng thì độ chuyển hóa càng tăng. Thời gian phản ứng ở nhiệt độ 750 oC dài gấp 3 - 4 lần so với nhiệt độ 950 oC. Từ kết quả độ chuyển hóa hình 3.11 tính toán xác định tốc độ phản ứng r (min -1) theo công thức dt dm m r 1  (các giá trị 1/m và dm/dt xác định từ thực nghiệm). Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc giữa tốc độ phản ứng và độ chuyển hóa được thể hiện trên hình 3.12. + Nhiệt độ càng cao tốc độ phản ứng chuyển hóa carbon càng cao. + Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 950 oC cao hơn từ 2 - 3 lần so với tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 750 oC. + Khi độ chuyển hóa tăng thì tốc độ phản ứng tăng, có thể do diện tích bề mặt tăng lên làm cho sự tiếp xúc giữa nguyên tử cacbon và các phân tử hơi H2O tăng lên. Hình 3.12 Sự phụ thuộc giữa tốc độ phản ứng vào độ chuyển hóa - Từ kết quả trên hình 3.12 tính toán giá trị ln(r) và 1/T, xây dựng đồ thị Arrhenius mô tả sự phụ thuộc giữa ln(r) vào 1/T được thể hiện trên hình 3.13. Hình 3.13 Đồ thị Arrhenius mô tả sự phụ thuộc giữa ln(r) và 1/T 0,9: y = -6563,9x + 3,78, R 2 =0,9998 0,8: y = -7273,1x + 3,88, R 2 =0, 9996 0,7: y = -7088,3x + 3,39, R 2 =0, 9997 0,6: y = -7724,2x + 3,77, R 2 =0, 9995 0,5: y = -7230,6x + 3,14 R 2 =0, 9994 0,4: y = -7422,5x + 3,14, R 2 =0, 9997 0,3: y = -6054,8x + 1,63 R 2 =0, 9994 0,2: y = -5763,8x + 1,41, R 2 =0, 9993 0,1: y = -5563,6x + 1,32, R 2 =0, 9991 16 3.2.1.2 Động học phản ứng giữa vải sợi đã than hóa tẩm phụ gia và hơi nước Tiến hành nghiên cứu phản ứng hoạt hóa giữa mẫu vải đã than hóa được tẩm polyphotphat ure lần thứ 2 và hơi nước quá nhiệt trong hệ thống lò quay tự tạo, ở nhiệt độ từ 650 đến 950 oC. Mẫu được kiểm tra khối lượng theo thời gian phản ứng và tính toán độ chuyển hóa. Kết quả xác định độ chuyển hóa của phản ứng phụ thuộc vào thời gian t(phút), được thể hiện trên hình 3.14. Hình 3.14 Đồ thị sự phụ thuộc độ chuyển hóa vào thời gian khi có phụ gia + Khi có mặt phụ gia polyphotphat ure nhiệt độ phản ứng giảm xuống 650 oC trong cùng thời gian phản ứng nhiệt độ phản ứng càng tăng thì độ chuyển hóa càng tăng. Thời gian phản ứng ở nhiệt độ 650 oC dài gấp 3 - 5 lần so với thời gian phản ứng ở nhiệt độ 950 oC. + Khối lượng mẫu vải than hóa tẩm phụ gia bị khí hóa hoàn toàn, chứng tỏ rằng phụ gia có tham gia phản ứng, phụ gia bị phân hủy và thăng hoa trong quá trình phản ứng. - Từ kết quả hình 3.14 tính toán xác định tốc độ phản ứng r(min-1), xây dựng đồ thị sự phụ thuộc giữa tốc độ phản ứng và độ chuyển hóa ở hình 3.15: Hình 3.15 Sự phụ thuộc giữa tốc độ phản ứng và độ chuyển hóa khi có phụ gia Kết quả trên hình 3.15 thấy rằng: + Nhiệt độ càng cao tốc độ phản ứng chuyển hóa của phản ứng càng cao. + Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 950 o C cao hơn từ 2 - 3 lần so với tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 650 o C. + Khi độ chuyển hóa tăng thì tốc độ phản ứng tăng, có thể do bề mặt tiếp xúc giữa nguyên tử C(O) tâm phản ứng và các tác nhân phản ứng tăng lên. + Khi có mặt phụ gia polyphotphat ure tốc độ phản ứng rất cao, chứng tỏ rằng phụ gia có vai trò làm tăng tốc độ phản ứng, giảm nhiệt độ phản ứng xuống 650 o C. - Từ đồ thị hình 3.15 xây dựng đồ thị Arrhenius được thể hiện trên hình 3.16. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 20 40 60 80 100 120 140 Thời gian (phút) Độ chuyển hóa α 850 o C 950 o C 800 o C 750 o C 650 o C 17 Hình 3.16 Đồ thị Arrhenius mô tả sự phụ thuộc giữa ln(r) và 1/T khi có phụ gia 0,9: y = -2730,0x + 0,83, R 2 =0,9991 0,8: y = -2870,0x + 0,49, R 2 =0, 9997 0,7: y = -1971,2x -0,56, R 2 =0, 9992 0,6: y = -1685,6x -1,05, R 2 =0, 9990 0,5: y = -1421,2x -1,52 R 2 =0, 9994 0,4: y = -1036,7x - 2,07, R 2 =0, 9993 0,3: y = -1307,3x - 2,02 R 2 =0, 9998 0,2: y = -1036,7,8x - 2,36, R 2 =0, 9991 0,1: y = -3483,0x + 0,16, R 2 =0, 9997 3.2.1.3 So sánh tốc độ phản ứng khí hóa vải sợi đã than hóa Bảng 3.26 Tốc độ phản ứng giữa vải sợi đã than hóa và hơi nước Độ chuyển hóa A(phút-1) Ea (kJ/mol) r(phút-1) Không có phụ gia Có phụ gia Không có phụ gia Có phụ gia Không có phụ gia Có phụ gia 0,1 3,74 1,17 46,26 28,96 0,014 0,037 0,2 4,08 0,09 47,92 8,62 0,016 0,033 0,3 5,12 0,13 50,34 10,87 0,016 0,036 0,4 22,99 0,13 61,71 8,62 0,015 0,044 0,5 23,02 0,22 60,11 11,82 0,019 0,053 0,6 43,28 0,35 64,22 14,01 0,021 0,060 0,7 29,79 0,57 58,93 16,39 0,015 0,080 0,8 48,77 1,64 60,47 23,86 0,033 0,093 0,9 43,99 2,30 54,57 22,70 0,061 0,014 Kết quả xác định tốc độ phản ứng trên bảng 3.26 thấy rằng: + Hệ số trước hàm mũ A tăng khi độ chuyển hóa tăng và hệ số trước hàm mũ của phản ứng khi có mặt phụ gia thấp hơn khi không có mặt phụ gia. + Năng lượng hoạt hóa khi có mặt của phụ gia thấp hơn từ 2 - 6 lần so với khi không có mặt của phụ gia. + Tốc độ phản ứng khi có mặt phụ gia cao hơn từ 2 - 5 lần so với khi không có mặt phụ gia. + Khi không có phụ gia hệ số trước hàm mũ, năng lượng hoạt hóa và tốc độ phản ứng tăng khi độ chuyển hóa tăng. + Hệ số trước hàm mũ, năng lượng hoạt hóa và tốc độ phản ứng tăng khi độ chuyển hóa tăng. Nhận xét mục 3.2.1 + Quá trình khí hóa vải sợi than hóa là quá trình phản ứng giữa các nguyên tử carbon trên bề mặt vải sợi với hơi nước quá nhiệt để chuyển hóa hoàn toàn vải sợi than hóa thành khí CO, CO2, H2 ... + Khi hoạt hóa vật lý nhiệt độ hoạt hóa càng cao thì tốc độ phản ứng hoạt hóa càng lớn, tốc độ phản ứng hoạt hóa ở nhiệt độ 950 oC cao hơn gấp 2 - 3 lần so với ở nhiệt độ 750 oC. 18 + Khi hoạt hóa hóa lý phụ gia có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hóa đồng thời làm tăng tốc độ phản ứng giữa hơi nước và các nguyên tử carbon trên bề mặt vải sợi than hóa. Tốc độ phản ứng của phản ứng hoạt hóa hóa lý cao hơn gấp 2 - 6 lần so với hoạt hóa vật lý. + Tốc độ phản ứng theo độ chuyển hóa làm cơ sở để xác định và tính toán so sánh được tốc độ phản ứng ở thời điểm kết thúc sự hoạt hóa để tạo ra sản phẩm vải than hoạt tính. 3.2.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình hoạt hóa vải than hoạt tính 3.2.2.1 Ảnh hưởng của phụ gia tẩm polyphotphat ure - Điều kiện hoạt hóa được chọn: Nhiệt độ 800 oC; thời gian là 30 phút; tốc độ hơi nước 2,9 ml/phút; hàm lượng phụ gia tẩm polyphotphat ure từ 3-15 %. A B Hình 3.17 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia tẩm đến chất lượng vải than hoạt tính Từ kết quả hình 3.17A