Luận văn Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nước

O2.. Giá trị tải trọng hấp phụ nhỏ hơn trong trường hợp của methanol so với nước có thể do bán kính lớn hơn của nhóm không phân cực trong methanol. Một nhóm metyl có bán kính 0.2 nm bị hấp phụ trên một nguyên tử oxy có đường kính 0.13 nm, nằm phẳng, có thể cản trở sự tiếp cận của nhóm metyl tới các nguyên tử oxy lân cận. Tương tự, sự hấp phụ của các amin bởi than hoạt tính được xác định bằng lượng nhóm bề mặt cacbon-oxy mang tính axit. Khi những nhóm bề mặt này bị rời khỏi bề mặt, độ hấp phụ của amin cũng giảm. 1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch Sự hấp phụ những hợp chất hữu cơ và vô cơ từ các dung dịch của chúng cũng cho thấy khả năng hấp phụ của than bị ảnh hưởng bởi việc có mặt của các nhóm oxi - cacbon. Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sự hấp phụ của một vài thuốc nhuộm cation và anion trên than chì cũng như các loại muội than khác nhau, đã thấy rằng sự hấp phụ đó, mặc dù được xác định bởi diện tích mặt của cacbon, vẫn bị ảnh hưởng mạnh bởi sự 24 hiện diện của các oxit có tính axit trên bề mặt. Khả năng hấp phụ những chất nhuộm cation tăng cùng với sự tăng số lượng của nhóm oxi bề mặt trong quá trình ôxi hóa than và giảm khi những ôxit bề mặt này bị loại bỏ trong quá trình giải hấp bằng nhiệt trong chân không. Trong trường hợp của những thuốc nhuộm anion, sự hấp phụ giảm theo mức độ ôxi hóa, độ giảm này tùy thuộc vào sự tăng về số lượng của các nhóm axit bề mặt. Goyal và những cộng sự cũng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các nhóm oxy - cacbon tới khả năng hấp phụ một vài ion kim loại như Cr(III), Cr(VI), Co(II), Cu(II), và Ni(II) trên một vài cacbon hoạt tính có sự khác nhau về diện tích bề mặt và khác nhau về số nhóm chức oxy - cacbon trên bề mặt. Những nhà khoa học này đã tìm ra rằng sự hấp phụ này không chỉ liên quan đến diện tích bề mặt, mà còn phụ thuộc vào số lượng của các nhóm oxi và có thể là một vài nhóm oxit acid khác. Sự hấp phụ cation tăng đối với trường hợp than đã thực hiện quá trình ôxy hóa và giảm trong quá trình loại khí, kết quả này được giải thích là quá trình oxi hóa tạo thành các nhóm axit bề mặt mà sự ion hóa trong nước có thể tạo ra ion H+, chuyển trực tiếp vào pha lỏng, để lại bề mặt than có các tâm tích điện, ở đó sự hấp phụ các cation có thể xảy ra. Khi các tâm tích điện âm được loại trừ bằng loại khí, thì bề mặt than sẽ giảm xu hướng hấp phụ cation. Sự hấp phụ của những hợp chất hữu cơ như phenol và P. nitrophenol cũng bị ảnh hưởng bởi những nhóm oxi - cacbon này. Mặc dù sự có mặt của những nhóm oxi axit làm giảm đi sự hấp phụ phenol, nhưng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm tăng cường khả năng hấp phụ. 1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên. Kipling và các cộng sự, trong khi nghiên cứu sự hấp phụ từ những hỗn hợp hai chất trong pha lỏng, đã thấy rằng sự có mặt của oxi bị hấp phụ hóa học, đã mang tính phân cực của nó lên than để chúng hấp phụ ưu tiên hơn đối với thành phần phân cực hơn trong hỗn hợp. Như vậy, Spheron-6 chứa oxi liên kết, metanol được ưu tiên hơn trong dung dịch chứa nó so với benzen. Graphon cơ bản là không chứa oxi, lại ưu tiên 25 benzen hơn. Tương tự, Spheron-6 ưu tiên benzen hơn trong dung dịch của nó với n- heptan, và graphon ưu tiên n-heptan hơn. Sự tương tác này được cho là do sự có mặt của các nhóm oxy - cacbon, chúng tương tác với thành phần phân cực hơn trong dung dịch chứa hai chất khác nhau. Puri và các đồng sự, và Bansal và Dhami, trong khi nghiên cứu đường đẳng nhiệt hấp phụ các dung dịch benzen-metanol, benzen-etanol trên những loại than chì khác nhau với lượng oxi liên kết khác nhau, đã chỉ ra bản chất của những nhóm oxi thậm chí quan trọng hơn tổng lượng oxi trong việc xác định tương tác bề mặt của than với các chất tan trong những trường hợp trên. Những đường đẳng nhiệt trong hấp phụ hỗn hợp benzen-metanol của than chì có nguồn gốc từ gáo dừa khác nhau, cho thấy than chì ban đầu có lượng CO2 thoát ra trên bề mặt lớn hơn cho thấy sự ưu tiên hơn đối với ethanol và methanol phân cực hơn benzen. Vì một phần của các nhóm bề mặt này được loại bỏ trong chân không tại 400°C, nên khả năng hấp phụ rượu cũng giảm xuống đáng kể. Khi các nhóm này được loại bỏ hoàn toàn bằng sự loại khí ở than chì tại 750° C, thì gần như sẽ có một sự đảo ngược của quá trình ưu tiên bởi vì benzen được ưu tiên mặc dù khá nhỏ, hơn là etanol hay metanol. Than chì được loại khí tại 750°C vẫn giữ lại một lượng đáng kể oxi được kết hợp có khả năng tạo ra CO. Than chì không hấp phụ ưu tiên etanol và metanol, và ưu tiên hơn với benzen đối với những mẫu than đã loại khí ở 100°C, khi mà chúng gần như là đã không còn oxi. Điều đó có vẻ là những nhóm quinon đã tạo thành một phần các nhóm bay hơi CO để đẩy mạnh quá trình ưu tiên cho các nhóm benzen. Như vậy, một phần của oxi liên kết (được coi như là một phức chất của CO2) đã đẩy mạnh sự hấp phụ ưu tiên các nhóm rượu , và một phần khác giống như là một phức chất của CO lại đẩy mạnh sự hấp phụ ưu tiên benzen. Như vậy, điều cần xác định ở đây không chỉ là tổng lượng oxi mà còn cả dạng của nó để có thể đánh giá một cách chính xác tính đặc trưng và trạng thái bề mặt của nhóm cacbon - oxy. 1.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than[5, 13] Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vòng thơm ngưng tụ 26 đính với nhau trong những lớp không phân cực. Những lớp này có những kích thước giới hạn, do đó tạo thành các góc. Bên cạnh đó, những lớp này có những chố khuyết, biến dị vào gián đoạn. Những nguyên tử carbon ở những vị trí này có những cặp electron không ghép đôi và những hóa trị thừa ra, có thế năng cao hơn. Do đó, những nguyên tử cacbon này có hoạt tính cao, tạo thành những tâm hoạt động. Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu số lượng và bản chất của các tâm hoạt động này vì những tâm hoạt động này quyết định độ hoạt động của bề mặt, những phản ứng bề mặt và khả năng xúc tác của than hoạt tính. Bởi vì xu hướng cacbon hấp phụ hóa học oxy lớn hơn các chất khác nên nhiều nghiên cứu đã kết luận tâm hoạt động này là từ sự hấp phụ hóa học oxy. Giả thiết đầu tiên là than hoạt tính gắn với nhiều loại khác nhau những tâm hoạt động, từ nghiên cứu của Rideal và Wright sự oxi hóa bề mặt than với khí oxy, họ thấy 3 loại tâm hoạt động khác nhau đã tương tác khác nhau ở những áp suất khác nhau và cho thấy tốc độ hấp phụ hóa học khác nhau oxy ở 200°C. Allardice khi nghiên cứu động học của hấp phụ hóa học oxy trên than chì ở nhiệt độ giữa khoảng 25°C và 300°C dưới áp suất 100 đến 700 torr, thấy một quá trình hấp phụ có 2 bước mà ông cho rằng đó có sự hiện diện của 2 loại tâm hoạt động khác nhau. Dietz và Mc Farlane trong khi nghiên cứu sự hấp phụ hóa học oxy trên than hoạt tính có bề mặt lớn ở nhiệt độ giữa 100°C và 300°C và áp suất oxy là bậc của 100 millitor, quan sát thấy một quá trình hấp phụ ban đầu nhanh và sau đó là một quá trình hấp phụ chậm hơn nhiều. Carpenter và những đồng nghiệp đã oxy hóa rất nhiều loại than ở những nhiệt độ khác nhau, nhận thấy hấp phụ hóa học oxy chỉ tuân theo phương trình Elovich trong thời gian 5 phút đầu tiên. Khi thời gian oxy hóa tăng lên, lượng oxy hấp phụ hóa học vượt quá lượng được tính từ phương trình Elovich. Việc này có thể là do sự tạo thành của những tâm hấp phụ mới bởi quá trình giải hấp oxy khi CO2, CO và hơi nước được giải phóng. Puri và Bansal, khi nghiên cứu sự clo hóa than đường và than gáo dừa ở những nhiệt độ khác nhau trong khoảng 30 đến 1200°C, nhận thấy rằng hydro bị hấp phụ hóa học được 27 giải phóng ở một số bước, phụ thuộc vào nhiệt độ. Những nhà nghiên cứu này cho rằng hydro trong than chì được liên kết với những dạng tâm khác nhau bằng năng lượng hoạt hóa. Lussow và các đồng nghiệp nghiên cứu động học quá trình hấp phụ của oxy trên một mặt graphon hoạt hóa tới những mức độ đốt cháy trong khoảng 0-35% ở trong khoảng nhiệt độ 450°C đến 675°C. Lượng oxy hấp phụ hóa học tăng khá mạnh ở nhiệt độ trên 400°C, lớn hơn gần 2 hoặc 3 lần. Người ta cũng thấy rằng khi áp suất oxy tăng từ 0.5 đến 700 torr, lượng oxy hấp phụ hóa học gần như là tăng gấp đôi. Những kết quả này chỉ ra sự tồn tại của nhiều hơn 1 loại vùng năng lượng hoạt hóa. Ở những nghiên cứu sau này, Walker và các cộng sự khi nghiên cứu tốc độ hấp phụ hóa học của oxy trên graphon hoạt hóa, với 14.4% bị đốt cháy ở nhiệt độ trong khoảng 300°C tới 625°C với áp suất oxy là 0.5 torr, quan sát thấy 2 tốc độ hấp phụ khác nhau , một trên và một dưới 250°C. Hơn nữa còn có sự tăng nhanh lượng oxy bão hòa ở nhiệt độ trên 250oC hay trong khoảng thời gian dài hơn. Điều này chỉ ra sự có mặt của 2 loại tâm hoạt động khác nhau ở năng lượng hoạt hóa của chúng. Năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ ở những tâm tương đối hoạt đông hơn được tìm ra là khoảng 30 kJ/Mol. Bansal nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ hóa học của hydro trên cùng mẫu graphon với áp suất oxy và nhiệt độ hấp phụ. Tốc độ hấp phụ hóa học của hydro là rất thấp so với oxy. Chỉ 4 loại tâm hoạt động được tìm ra khi nhiệt độ hấp phụ là 600oC. Những thí nghiệm hấp phụ hóa học hydro không thể thực hiện được ở nhiệt độ cao vì mặt graphon bị đốt cháy sinh ra khí có thể làm nhiễu phép đo động học. Puri và các đồng nghiệp và Bansal đã thu được những chứng cứ khá thuyết phục cho sự tồn tại của những tâm hoạt động hoàn toàn khác nhau, chúng được gọi là tâm chưa bão hòa. Những tâm này có thể được xác định bởi sự tương tác của than với dung dịch hòa tan brom trong KBr. Những tâm này được tạo ra khi những nhóm oxy - cacbon tạo ra CO2 bị loại khỏi bề mặt than bằng sự loại khí ở nhiệt độ trong khoảng 350 oC đến 750oC. Một mol tâm không bão hòa được tạo ra bằng việc loại bỏ 2 mol oxy hấp phụ hóa học dạng CO2. 28 Nồng độ của những tâm hoạt động trên bề mặt than hoạt tính được đo theo ngôn ngữ diện tích mặt phẳng họat động (ASA). ASA, theo các nhà khoa học, là một chỉ số của độ hoạt động hóa học của bề mặt than, quyết định khả năng xúc tác và phản ứng bề mặt của than. ASA được xác định từ lượng oxy hấp phụ hóa học ở 300oC trong 24h ở áp suất oxy ban đầu là 0.5 torr. Giả sử rằng một phân tử oxy được hấp phụ hóa học tại mỗi nguyên tử carbon, mà mỗi nguyên tử carbon chiếm diện tích 0.083 nm, lượng oxy hấp phụ hóa học có thể được chuyển đổi sang ASA. Các nhà khoa học này đã hoạt hóa graphon với những mức độ đốt cháy khác nhau để tạo ra một lượng tương ứng ASA và thấy rằng ASA tăng cùng với độ đốt cháy và có thể liên hệ độ hoạt động của graphon với oxy. Tuy nhiên, ngày nay người ta đã tìm ra rằng than có gắn với vài loại nhóm tâm hoạt động, mỗi nhóm lại gắn với một lượng phụ thuộc năng lượng hoạt hóa. Tóm lại, cần thu được dữ liệu từ những điều kiện thích hợp để có thể chắc chắn rằng những sự hoạt động của bề mặt không phải là không chịu ảnh hưởng bởi phản ứng trên những vùng ít hoạt động hơn. Hoffman khi nghiên cứu sự hấp phụ hóa học một vài hydrocarbon như propylen, ethylen, propan và methan trên graphon hoạt động, nhận thấy rằng độ hấp phụ của mỗi hydrocarbon tăng ứng với các graphon có mức độ đốt cháy nhiều hơn, do tăng ASA của graphon. Tuy nhiên, ASA ở những hydrocarbon này nhỏ hơn nhiều khi so với ASA bởi oxy ở mọi mức độ đốt cháy. Hơn nữa, propylen có ASA lớn hơn ethylen, methan và n-butan. Điều này có thể do kích cỡ lớn hơn của những phân tử hydrocarbon này, khi được hấp phụ trên một tâm hoạt động như là đã che những tâm bên cạnh, làm chúng không thể tham gia hấp phụ hóa học. Do vậy, ASA có ý nghĩa duy nhất liên quan đến sự hấp phụ hóa học của những thành phần riêng biệt. Dentzer nghiên cứu khả năng hấp phụ và giải hấp các phức bạc diamin từ dung dịch amoni trên graphit được hoạt hóa với những mức độ cháy khác nhau và thấy rằng lượng bạc hấp phụ tăng khi mức độ đốt cháy tăng. Một quan hệ tuyến tính giữa lượng bạc bị hấp phụ và ASA như được xác định bằng phương pháp Walker. Điều này có thể 29 do những tương tác khử của bạc diamin với những tâm họat động trên than tạo ra bạc kim loại bị hấp phụ trên những tâm hoạt động. Bansal và các cộng sự cho rằng sự tồn tại những tâm hoạt động này là do sự khác nhau trong sự sắp xếp không gian của những nguyên tử carbon bề mặt. Khi bề mặt than có các phân tử khí đi vào, những phức hoạt động được tạo ra giữa những nguyên tử khí và những nguyên tử cacbon trên 2 bề mặt có thể có cấu hình thế năng khác nhau, phụ thuộc vào khoảng cách giữa những nguyên tử carbon, tạo ra sự phụ thuộc của năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ hóa học. Sherman và Eyring đã tính toán lý thuyết năng lượng hoạt động của hấp phụ hóa học hydro trên mặt than và tìm ra giá trị phụ thuộc vào khoảng cách C-C. Một phép so sánh những giá trị lý thuyết của Sherman và Eyring và giá trị thực nghiệm thu được bởi Bansal đã được đưa ra. Sự thống nhất giữa giá trị thực nghiệm và lí thuyết đã cho thấy một điều rằng khoảng cách C có tác động như các loại tâm hoạt động khác nhau trên đó sự hấp phụ hóa học có thể xảy ra. 1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính[5, 13, 24] Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt . Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể được thực hiện bằng sự tạo thành các dạng nhóm chức bề mặt khác nhau. Các nhóm chức này bao gồm các nhóm chức oxy – cacbon được tạo thành khi oxy hóa bề mặt than với các khí hoặc các dung dịch oxy hóa. Nhóm chức bề mặt cacbon – hydro tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với khí hydro ở nhiệt độ cao. Nhóm chức cacbon – lưu huỳnh bằng quá trình xử lý than hoạt tính với lưu huỳnh nguyên tố, CS2, H2S, SO2. Cacbon – nitơ trong quá trình xử lý than hoạt tính với amoniac. Cacbon – halogen được tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dịch. Vì các nhóm chức này được liên kết và được giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm, và bởi vì thành phần các cạnh và góc này chủ yếu là bề mặt hấp phụ, nên người ta hi vọng khi biến tính than 30 hoạt tính sẽ thay đổi đặc trưng hấp phụ và tương tác hấp phụ của các than hoạt tính này. Thêm vào đó, sự biến tính bề mặt than cũng được thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại lên bề mặt. Ảnh hưởng của các nhóm chức bề mặt oxy – cacbon lên đặc trưng và tính chất bề mặt đã được thảo luận ở 1.3. Trong phần này chủ yếu đề cập đến ảnh hưởng của các biến tính khác lên đặc điểm chất hấp phụ của than hoạt tính. 1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính bằng N2 Than hoạt tính chứa lượng không đáng kể nhóm chức nitơ. Tuy nhiên, phản ứng pha khí với dimethylamin ở 1500C trong 1h, hoặc với NH3 khô ở 3000C hoặc hơn, tạo ra một lượng đáng kể nhóm chức C-N trên bề mặt. Boehm và các cộng sự cũng như Rivera-Utrilla và các cộng sự, thấy rằng khi than hoạt tính đã oxy hóa được đun nóng với NH3 khô, nhóm nitơ được tạo thành trên bề mặt. Ở nhiệt độ thấp sự cố định Nitơ cân bằng với số nhóm oxy axit trên bề mặt và được cho là sự tạo thành muối amoni. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao sự thay thế các nhóm hydroxyl bằng nhóm amin đã được thừa nhận, than trở nên kỵ nước và giảm đáng kể khả năng hấp phụ xanh methylen. Puri và Mahajan thấy rằng sự tương tác giữa than đường với khí NH3 khô liên quan đến sự trung hòa nhóm chức axit trên bề mặt và sự cố định thêm một số lượng NH3 ở dạng không thể thủy phân. Nhưng những nhà nghiên cứu không cho rằng sự cố định NH3 với nhóm bất kỳ nào trên bề mặt than. Tuy nhiên, Puri và Bansal thấy rằng quá trình xử lý than đường đã khử trùng clo với NH3 ở nhiệt độ 3000C thu được sự thay thế một phần clo bằng nhóm amin. Than thu được thể hiện khả năng hấp phụ tăng đối với axit. Sự tăng lên về khả năng hấp phụ axit tương ứng với lượng nitơ được cố định, chỉ ra một sự trao đổi C-Cl bằng liên kết C-NH2. Sự tương tác của khí NH3 với sợi cacbon trước và sau oxi hóa đã cho thấy rằng NH3 phản ứng với nhóm lacton và anhydrid, dẫn đến sự tạo thành cấu trúc imid. Zwadski xử lý than với NH3 trước và sau sự oxi hóa với HNO3, và sử dụng phổ IR, thấy rằng không có sự hấp phụ nhóm amide, phổ IR cũng chỉ ra có phản ứng của NH3 với cấu trúc lactone trên lớp cacbon. 31 1.5.2 Biến tính bề mặt than bằng halogen Đặc điểm bề mặt của than, than hoạt tính và muội được biến tính bằng một số phương pháp xử lý với halogen. Sự hấp phụ halogen gồm cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, quá trình thông qua một số cơ chế bao gồm cộng hợp ở các tâm chưa bão hòa, trao đổi với H2, hấp phụ hóa học và sự oxi hóa bề mặt than. Các cơ chế phụ thuộc vào bản chất của bề mặt than, hàm lượng oxy, hydro của than, điều kiện thí nghiệm và bản chất của từng loại halogen. Halogen được cố định trên bề mặt than ở dạng hợp chất cacbon-halogen có độ bền nhiệt cao và không thể loại bỏ bằng xử lý nhiệt trong chân không cho tới 10000C nếu than không còn dư hydro. Tuy nhiên, một phần halogen có thể trao đổi với nhóm OH khi xử lý với kiềm và trao đổi với nhóm NH2 khi xử lý với khí NH3. Do đó, các dạng hấp phụ hóa học hay hấp phụ vật lý này có thể biến tính hoàn toàn đặc điểm bề mặt và phản ứng bề mặt của than. Ví dụ, sự cố định Clo hoặc Brom có thể tạo ra sự phân cực nhưng không phải là liên kết hydro mà là tương tự với liên kết phổ biến trên than là liên kết với nhóm oxi bề mặt. Liên kết C-Cl hoặc C-Br có thể trao đổi với các nhóm chức khác tạo ra loại hợp chất bề mặt mới. Puri và Bansal đã nghiên cứu đặc trưng bề mặt và tương tác bề mặt của than đường, than gáo dừa được biến tính với halogen. Tỷ khối của than tăng tuyến tính khi tăng lượng clo cố định trên than. Tuy nhiên, độ axit bề mặt của than còn lại nhiều hoặc ít thay đổi. Người ta thấy rằng sự cố định clo dẫn đến nhiều dạng cấu trúc lỗ xốp và sự phân bố kích thước mao quản, hoặc sự thay đổi vị trí hoặc mật độ tâm hoạt động. Thay thế clo hấp thụ trên bề mặt bằng các nhóm chức khác đã được Puri và các cộng sự và Boehm nghiên cứu bằng cách đun hồi lưu than đã clo hóa với NaOH 2,5M và xử lý với amoniac để thay thế nhóm clo bằng nhóm amin. Sự có mặt của nhóm amin đã làm bề mặt than có tính chất kiềm, điều này làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ axit. 1.5.3 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa. Các hợp chất cacbon-lưu huỳnh trên bề mặt được nghiên cứu rộng rãi trên than 32 gỗ, than hoạt tính, muội than. Các hợp chất này được tạo thành trong suốt hoặc sau quá trình tạo thành than. Trong trường hợp của cacbon hoạt tính, chúng thông thường được tạo thành bởi đun nóng than trong sự có mặt lưu huỳnh nguyên tố hoặc các chất khí có lưu huỳnh như CS2, và SO2. Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không hợp thức trong khoảng rộng về thành phần phụ thuộc vào bản chất than, các điều kiện thực nghiệm, và độ lớn của bề mặt than. Những hợp chất này thường chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh, có thể lên tới 40-50%. Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không thể chiết với các dung môi hoặc bị phân hủy một cách hoàn toàn bằng xử lý nhiệt trong môi trường trơ, tuy nhiên chúng có thể bị loại bỏ hầu như hoàn toàn khi được xử lý trong khoảng 500-700 ْC với H2. Sự hấp phụ hóa học lưu huỳnh lên bề mặt than bao gồm sự liên kết với các nguyên tử cacbon bên ngoài, cộng tại vị trí nối đôi, thâm nhập vào bên trong cấu trúc mạng, và trao đổi lấy hydro cũng như oxygen còn liên kết với bề mặt cacbon. Như các nguyên tử cacbon ngoại vi, do các hóa trị không thỏa mãn của chúng quyết định các đặc điểm hấp phụ của than hoạt tính, đó là lý do để tin rằng sự có mặt của các chất lưu huỳnh bề mặt sẽ ảnh hưởng tới tính chất bề mặt của những vật liệu này. Sự ảnh hưởng của các hợp chất lưu huỳnh bề mặt lên sự hấp phụ các chất hơi phân cực và không phân cực có kích thước phân tử thay đổi đã được nghiên cứu bởi Puri và Hazra. Sự hấp phụ hơi nước đã tăng một các đáng kể khi áp suất tương đối thấp hơn 0.4 và giảm ở áp suất cao hơn. Lượng lưu huỳnh liên kết tăng làm tăng ảnh hưởng và được cho là do thay đổi sự phân bố kích thước lỗ xốp gây ra bởi cố định lưu huỳnh dọc theo thành lỗ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi metanol và hơi benzen chỉ ra rằng các phân tử lớn hơn này đã tìm các bề mặt càng càng nhỏ vì càng nhiều lưu huỳnh được liên kết trong lỗ. Cacbon Saran lưu hóa đã than hóa tại 900 ْC và đã thêm vào những lượng lưu huỳnh khác nhau trong khoảng 1-12 % đã được sử dụng bởi Sinha và Walker để loại bỏ hơi thủy ngân từ không khí hay hơi nước. Khi hơi nước bị nhiễm bẫn được đưa qua 33 lớp than tại 150 ْC và lượng thủy ngân tích lũy trong dòng hơi nước rất thấp so với than chưa lưu hóa. Điều này dẫn tới phản ứng giữa thủy ngân với lưu huỳnh trên bề mặt than, tạo thành thủy ngân sunphua. Các nhà nghiên cứu Lopez-Gonzalev đã phát hiện ra rằng than hoạt tính đã được lưu hóa là các chất hấp phụ tốt hơn để loại bỏ HgCl2 khỏi dung dịch nước. 1.5.4 Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm Than hoạt tính được tẩm kim loại và các oxit của chúng đã phân tán ở dạng các hạt nhỏ đã và đang được sử dụng rộng rãi trong một vài phản ứng pha khí cả trong công nghiệp và để bảo vệ con người chống lại các khí và hơi độc. Những loại than này được sử dụng lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất để bảo vệ hệ hô hấp của các binh lính chống lại chiến tranh khí. Hơn nữa, việc mang các kim loại lên các vật liệu có cacbon làm giảm các đặc điểm khí hóa và thay đổi cấu trúc lỗ của các sản phẩm cacbon cuối cùng. Vì vậy, việc mang các chất lên than hoạt tính như vậy cũng được sử dụng để thu được than hoạt tính có một cấu trúc vi lỗ xác định. Than hoạt tính được tẩm KI và các hợp chất tương tự, với amine, bao gồm pyridin đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hạt nhân để duy trì các hợp chất phóng xạ của iot từ các tác nhân làm lạnh và hệ thống thông gió. KI mang trên than hoạt tính phản ứng với nhóm oxi - cacbon trên bề mặt than và thay đổi trạng thái hấp phụ của chúng, do đó cải thiện khả năng của than hoạt tính để duy trì metyliot phóng xạ. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính đã được làm thay đổi khi mang lên nó 5 pyridin. Khả năng phản ứng của than có mang clo-xianua đã tăng cùng với việc tăng lượng chất mang. Tuy nhiên, khả năng phản ứng thay đổi từ pyridin này tới pyridine khác nhưng không nhất thiết theo thứ tự tính nucleophilvà tính bazơ của chúng. Barnir và Aharoni đã so sánh sự hấp phụ clo-xianua trên than hoạt tính trước và sau khi mang lên Cu(II), Cr(VI), Ag(I), và NH4+ trong một tỉ lệ cho trước. Sự hấp phụ clo-xianua là thuận nghịch trong trường hợp của than hoạt tính, đã trở thành không thuận nghịch sau khi tẩm mặc dù khả năng hấp phụ không đổi. Reucroft và Chion cũng 34 so sánh trạng thái hấp phụ của than hoạt tính BPL trước và sau khi tẩm với Cu(II), CrO42-, và Ag(I) cho clorofor, cynogen chlorua, phosgen và hydrogen xyanua. Cacbon được tẩm đã cho thấy cả khả năng hấp phụ hóa học và khả năng hấp phụ vật lý, khả năng hấp phụ hóa học được giải thích rõ hơn trong phosgen, cynogen clorua và hygro xyanua. Tất cả các than được tẩm đều giữ lại lượng đáng kể ba chất được mang lên sau khi qua sấy chân không ở 1500C. Sự hấp phụ hơi nước mà hỗn hợp hơi nước với HCN tăng gấp mười lần so với than hoạt tính thông thường. 35 Chương 2 - THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là than hoạt tính từ gáo dừa do Công ty Cổ phần Trà Bắc sản xuất. 2.2 Mục tiêu nghiên cứu Biến tính than hoạt tính từ bản chất bề mặt không phân cực thành bề mặt phân cực, có khả năng hấp phụ các cation trong nước. Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung vào xử lý amoni trong nước, sử dụng phương pháp hấp phụ, trao đổi ion bằng than hoạt tính biến tính. Than hoạt tính oxi hóa là sản phẩm oxi hóa than hoạt tính bằng axit HNO3 trong các điều kiện khác nhau về nồng độ axit, thời gian và nhiệt độ oxi hóa, nhằm mang lên trên bề mặt than hoạt tính các nhóm chức có tính axit, có khả năng trao đổi ion với ion amoni và các cation trong nước. Than oxi hóa sau khi được lựa chọn để xử lý amoni trong nước, sẽ được khảo sát khả năng xử lý các ion kim loại nặng trong nước như Mn2+, Cd2+. 2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu. Bảng 1. danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu STT Tên Dụng cụ, thiết Bị Mục đích 1 Tủ hút Oxi hóa than 2 Bếp điện Đun 3 Máy điều nhiệt Giữ nhiệt độ phản ứng không đổi 4 Tủ sấy hút chân không Sấy vật liệu 5 Máy lắc Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu bằng phương pháp hấp phụ tĩnh 6 Máy đo quang Xác định nồng độ NH4+, Mn2+ 36 7 Máy AAS Xác định nồng độ dung dịch, Cd2+ và các kim loại khác 8 Máy Đo Phổ hồng ngoại Xác định các nhóm chức trên bề mặt vật liệu 9 Máy đo BET Xác định diện tích bề mặt than 10 Các dụng cụ thủy tinh phổ biến trong PTN Tiến hành các thí nghiệm phụ trợ Bảng 2. danh mục các Hóa chất cần thiết cho nghiên cứu STT Tên hóa chất Mục đích 1 HNO3 Oxi hóa than 2 NaOH Trung hòa bề mặt vật liệ