Luận văn Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu cơ

i trường Khó tái sinh Rây phân tử Zeolit (ZMS) Bề mặt hút nước, phân cực, rãnh đều đặn Khử nước, phân riêng không khí Phân riêng dựa trên phân cực, hình học Năng suất thấp hơn các loại chất hấp phụ khác Silica gel Chất hấp phụ háo nước, năng suất cao Làm khô dòng khí, tách hydrocacbon từ dòng khí Năng suất cao hơn rây phân tử Zeolit Kém hiệu quả hơn ZMS khi tách nước trong dòng khí Nhôm hoạt tính Chất hấp phụ háo nước, năng suất cao Làm khô dòng khí Năng suất cao hơn ZMS Kém hiệu quả hơn ZMS khi tách nước trong dòng khí 1.2.1.3. Phương pháp vi sinh [16, 28] Benzen là một chất khó phân hủy sinh học. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng thời gian bán phân hủy của benzen trong môi trường nước có thể kéo dài từ vài ngày đến hàng trăm ngày tùy điều kiện môi trường diễn ra quá trình phân hủy. Trong môi trường hiếu khí benzen dễ dàng bị phân hủy tạo ra một chuỗi các sản phẩm trung gian và bị khoáng hóa đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Trong môi trường kỵ khí, các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, ở những điều kiện nhất định benzen mới có khả năng bị phân hủy sinh học. Sự có mặt của vi khuẩn sinh metan, một số hợp chất nhường điện tử: sun phát, nitrat và sắt (III) sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy benzen trong môi trường kỵ khí. Tuy nhiên, quá trình phân hủy diễn ra phức tạp và những chủng vi khuẩn đặc thù đến nay vẫn chưa được xác định. Các phản ứng cho nhận điện tử trong quá trình phân hủy benzen trong điều kiện kỵ khí diễn ra như sau: + Trong môi trường tồn tại vi khuẩn sinh metan 4C6H6 + 27H2O à 9HCO3¯ + 15CH4 + 9H+ + Trong môi trường tồn tại ion sun phát 4C6H6 + 15SO42- + 12H2O à 24HCO3¯ + 15HS¯ + 9H+ + Trong môi trường tồn tại ion nitrat C6H6 + 15NO3¯ + 3H2O à 6HCO3¯ + 15NO2¯ + 6H+ C6H6 + 6NO3¯ à 6HCO3¯ + 3N2 + Trong môi trường tồn tại ion sắt III. C6H6 + 30Fe3+ + 18H2O à 6HCO3¯ + 30Fe2+ + 36H+ Quá trình phân hủy benzen diễn ra theo một chuỗi các phản ứng và tạo ra các hợp chất trung gian: phenol, benzoate, xyclohexdiene, catechol. Ban đầu các liên kết đôi được phá vỡ sau đó là mở vòng và tạo ra các chuỗi các bon mạch thẳng. 1.2.1.4. Phương pháp oxi hóa cấp tiến [25] Ôxi hóa cấp tiến (AOPs - Advanced Oxidation Processes) là những phương pháp tạo ra một lượng lớn các chất trung gian có hoạt tính cao, trong đó quan trọng nhất là các gốc hydroxyl có khả năng ôxi hóa hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ. Trong các phương pháp oxi hóa cấp tiến thì thì quá trình Fenton và các quá trình kiểu Fenton (Fenton- like processes) được biết đến là phương pháp hiệu quả và không đắt cho quá trình xử lý nước bị ô nhiễm bởi các tác nhân khó hoặc không có khả năng phân hủy sinh học. Phương pháp Fenton cổ điển là công trình nghiên cứu của J.H. Fenton được công bố vào năm 1894 trong tạp chí hội hóa học Mỹ. Trong phương pháp này tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe+2 được sử dụng làm tác nhân ôxi hóa rất hiệu quả cho nhiều đối tượng các hợp chất hữu cơ và được mang tên tác nhân Fenton. Phương pháp Fenton có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học tới các sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và các ion vô cơ khác hoặc có thể oxi hóa các hợp chất cao phân tử thành những hợp chất hữu cơ đơn giản hơn thuận lợi cho quá trình phân hủy bởi vi sinh vật. CHC (cao phân tử) + •HO ® CHC (thấp phân tử) +CO2 + H2O + OH- Cho đến nay, cơ chế hình thành gốc •HO và cơ chế của phản ứng vẫn còn đang tranh cãi thậm chí còn có những giả thuyết trái ngược nhau. Tuy nhiên một số phản ứng chính xảy ra trong quá trình Fenton có thể được tổng hợp lại bao gồm: Fe2+ + H2O2 ® Fe3+ + •OH + OH – Fe3+ + H2O2 ® Fe2+ + •HO2 + H + •OH + Fe2+ ® OH - + Fe3+ •OH + H2O2 ® H2O + •HO2 Fe2+ + •HO2 ® Fe3+ + HO2 - Fe3+ + •HO2 ® Fe2+ +O2 + H+ CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Với mục đích điều chế vật liệu hấp phụ khí, hơi từ nguyên liệu trong nước, ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác nhau và xử lý môi trường. Dựa trên cơ sở tổng kết các tài liệu tham khảo về phương pháp điều chế, khả năng sử dụng cùng với những điều kiện thực tế của Việt Nam, luận văn đã chọn đối tượng nghiên cứu là than hoạt tính được điều chế từ nguyên liệu tre. Tre được lựa chọn là tre Vầu, có tên khoa học là Bambusa nutans. 2.2. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau: Điều chế than hoạt tính từ nguyên liệu là tre; Sử dụng nguyên liệu có sẵn là tre, xác định các điều kiện than hóa và hoạt hóa tối ưu trong quá trình điều chế than hoạt tính bằng phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm; Đánh giá các chỉ tiêu và tính chất đặc trưng của mẫu than đã được điều chế bao gồm: + Tỷ trọng; + Độ bền hạt; + Cấu trúc xốp; + Khả năng hấp phụ vật lý; + Bề mặt riêng và một vài chỉ tiêu khác; Khảo sát khả năng hấp phụ hơi benzen của than đã được điều chế tiến tới sử dụng than để giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường không khí gây nên bởi benzen và đồng đẳng: + Nghiên cứu động học và động lực học hấp phụ benzen của than; + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than đối với benzen như: kích thước hạt, độ tro của than; + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của than đối với benzen trong điều kiện động lực học như: độ ẩm, tốc độ dòng khí mang; + So sánh chất lượng than đã được điều chế với than gáo dừa Trà Vinh và than antraxit có sẵn trên thị trường. 2.3. Các phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp điều chế than hoạt tính từ tre Phương pháp than hóa Tre được sử dụng có độ tuổi từ 4 – 8 năm, được lấy từ Hòa Bình, tre được cắt nhỏ thành mảnh có kích thước 3 – 4 cm để chuẩn bị cho quá trình than hóa. Quá trình than hóa được thực hiện ở dải nhiệt độ từ 300 – 4500C trong lò nung yếm khí. Thời gian than hóa đối với mỗi nhiệt độ tương ứng được thực hiện ở dải nhiệt độ từ 20 đến 40 phút để có thể xác định được thời gian và nhiệt độ than hóa thích hợp. Hiệu suất than hóa được xác định như sau [11]: Hiệu suất = , (2.1) trong đó: m1 – trọng lượng tre được đưa vào lò (g); m2 – trọng lượng than thu được sau khi đốt (g). Phương pháp hoạt hóa [2, 4, 12] Sản phẩm sau khi than hóa được đập nhỏ với kích thước 5 – 10 mm và tiến hành hoạt hóa trong lò quay nằm ngang SRJK – 5 – 9S của Trung Quốc. Tốc độ quay 4 vòng/phút, tác nhân hoạt hóa được lựa chọn là hơi nước. Lưu lượng hơi nước ảnh hưởng tới thời gian hoạt hóa và ảnh hưởng tới cấu trúc bề mặt của than hoạt tính sản phẩm do sự bào mòn bề mặt. Do vậy lưu lượng hơi nước và thời gian hoạt hóa là hai đại lượng phụ thuộc vào nhau. Tốc độ hơi nước được tạo ra bằng thiết bị như Hình 2.1. Tốc độ hơi nước phụ thuộc vào cường độ dòng diện được điều chỉnh bằng biến áp 6. Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tốc độ hơi nước vào cường độ dòng điện được xây dựng trước khi hoạt hóa. Hình 2.1. Thiết bị tạo hơi nước 1 – Bình quả lê; 2 – Phễu; 3 – ống chữ U đựng nước; 4 – Lò điện; 5 – Ampe; 6 – Biến áp. 2.3.1.3. Phương pháp nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điều chế than Để xác định được điều kiện hoạt hóa tối ưu cho quá trình điều chế than đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hoạt hóa. Luận văn đã tiến hành các thí nghiệm độc lập với sự thay đổi của các điều kiện hoạt hóa: nhiệt độ, tốc độ hơi nước, thời gian hoạt hóa. Thiết lập các thí nghiệm sau: + Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ tới chất lượng than hoạt tính: Dải nhiệt độ hoạt hóa: 800 đến 10000C; Cỡ hạt: 5 đến 10 mm; Lưu lượng dòng hơi nước: 2,5 l/phút; Thời gian hoạt hóa: 4 giờ. + Thí nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng dòng hơi nước tới chất lượng than hoạt tính: Nhiệt độ hoạt hóa: 9500C; Cỡ hạt: 5 đến 10 mm; Lưu lượng dòng hơi nước thay đổi từ: 1,5 đến 3,5 l/phút; Thời gian hoạt hóa: 4 giờ. + Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa: Nhiệt độ hoạt hóa: 950 0C; Cỡ hạt: 5 đến 10 mm; Lưu lượng dòng hơi nước: 2,5 l/phút; Thời gian hoạt hóa: 2 đến 6 giờ. + Thí nghiệm ảnh hưởng của kích thước hạt: Nhiệt độ hoạt hóa: 950 0C; Cỡ hạt: 5, 10, 15, 20 mm; Lưu lượng dòng hơi nước: 2,5 l/phút; Thời gian hoạt hóa: 4 giờ. Sản phẩm sau hoạt hóa được đem sàng lấy cỡ hạt 2 mm và xác định dung lượng hấp phụ hơi benzen trên cân hấp phụ động Mac – Bell ở nhiệt độ phòng. 2.3.2. Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm [7, 10] Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu trong quy hoạch thực nghiệm sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm hiện đại. Quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng, trong điều kiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng Luận văn sử dụng phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm để tìm các giá trị tối ưu cho quá trình hoạt hoá. Các bước giải bài toán mô hình hoá thực nghiệm như sau [7]: Bước 1: Lập bảng quy hoạch thực nghiệm * Chọn thông số đầu vào là: Z1 – nhiệt độ hoạt hóa (0C); Z2 – thời gian hoạt hóa (giờ); Z3 – tốc độ dòng hơi nước (lít/phút). * Thông số đầu ra là: + Hàm Y1 – diện tích bề mặt riêng (m2/g) + Hàm Y2 – khả năng hấp phụ benzen của than (mmol/g). * Số hạng của phương trình hồi quy được tính theo công thức [7]: N = 2k , (2.2) trong đó: N – số thực nghiệm cần thực hiện; k – số yếu tố ảnh hưởng. Như vậy với 3 biến Z1, Z2, Z3 số lô thí nghiệm cần làm là 8. Mỗi lô thực nghiệm tiến hành 2 thực nghiệm song song để lấy giá trị trung bình của hàm Y. * Phương trình hồi quy bậc một ba nhân tố có dạng đầy đủ như sau [7]: Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b3X3 + b12X1X2 + b23X2X3 + b13X3X1. (2.3) Trong đó: X1, X2, X3 – các nhân tố ảnh hưởng; b – hệ số của phương trình; Y – Hàm mục tiêu. * Mã hoá các biến Ký hiệu Xi là các biến mã hóa, ta có mối quan hệ giữa biến mã hóa với biến thực ở mức cao (+1), mức thấp (–1) và mức gốc (0) như sau: (2.4) trong đó: li – khoảng biến thiên; Z0 – mức gốc . Từ công thức 2.4 cho biến thực các giá trị trong vùng khảo sát ta sẽ có các biến mã hóa tương ứng Xi. Các giá trị Xi được ghi trong Bảng 2.1. Bảng 2.1. Mức mã hóa các biến thực nghiệm Zi Mức giá trị Z1 (0C) Z2 (giờ) Z3 (lít/phút) Giá trị gốc 900 4 2,5 Khoảng biến thiên 100 2 1 Giá trị trên 1000 6 3,5 Giá trị dưới 800 2 1,5 * Lập kế hoạch thực nghiệm với các biến trên. Bước 2: Làm thí nghiệm theo bảng quy hoạch thực nghiệm Làm thực nghiệm theo kế hoạch đã xác định. Lặp lại các thí nghiệm 2 lần và lấy kết quả trung bình. Để tránh sai số hệ thống thì tiến hành thực nghiệm theo thứ tự sau: 2, 5, 8, 1, 3, 7, 4, 6 và 5, 4, 6, 1, 7, 8, 3, 2. Bước 3: tính các hệ số hồi quy * Tính toán hệ số hồi quy ta sử dụng công thức sau: (2.5) Trong đó: u – thí nghiệm thứ u; i, j – nhân tố ảnh hưởng; Yuj – là kết quả thu được ở thí nghiệm trên. Bước 4: đánh giá tính có nghĩa của hệ số hồi quy Kiểm tra các hệ số có nghĩa của phương trình hồi qui theo chuẩn số Student Hệ số hồi quy được cho là có nghĩa nếu thoả mãn bất đẳng thức sau [7]: ti tính > ti bảng(p, f) với ti tính = (2.6) trong đó: vµ (2.7) Ta có thể tính phương sai tái sinh Su2 bằng việc thực hiện thí nghiệm ở tâm và tính theo công thức 2.9 [12]: Su2 = (2.8) Những hệ số nào không thoả mãn bất đẳng thức trên thì không thoả mãn và được loại bỏ khỏi phương trình hồi quy. Bước 5: đánh giá sự phù hợp của phương trình hồi quy Để đánh giá sự phù hợp của phương trình hồi quy ta sử dụng bất đẳng thức Fischer [7]: Ftính < Fbảng (p, f1, f2) Với: f1 = N – n – 1 và f2 = N(m – 1) ; ; (2.9) Trong đó: N – số thực nghiệm; n – số lần lặp lại của thực nghiệm; n – số lượng nhân tố ảnh hưởng; – kết quả thực nghiệm thứ u sau khi đã loại bỏ những hệ số không có nghĩa; – giá trị trung bình của m lần thực nghiệm thứ u. Nếu Ftính < Fbảng thì sai khác giữa lý thuyết và thực nghiệm là không đáng tin cậy nên mô hình mô tả đúng thực nghiệm. 2.3.3. Các phương pháp xác định các chỉ tiêu, tính chất đặc trưng của than Chọn kích thước hạt Kích thước hạt than được chọn bằng phương pháp sàng trên hệ 2 sàng có kích thước xác định. Phần than ở trên sàng thứ nhất và dưới sàng thứ hai được loại bỏ. Hệ sàng được lắp trên thiết bị sàng lệch tâm Thiết bị sàng lệch tâm được mô tả trên Hình 2.2 Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị sàng lệch tâm 1 – Mô tơ; 2 – Mâm quay; 3 – Các lớp sàng; 4 – Bộ chuyền lực. 2.3.3.2. Xác định tỷ trọng lít Tỷ trọng lít là trọng lượng của một đơn vị thể tích than, tính cả phần không gian nằm giữa các hạt than. Người ta xác định trọng lượng của 50 ml than trên cân kỹ thuật chính xác 10-1g. Tỷ trọng lít được tính bằng công thức 2.3 [3, 14]: D = (2.10) Xác định độ hút nước của than [3, 5] Độ hút nước của than là tỷ số giữa lượng nước được chứa trong thể tích xốp của than trên trọng lượng của mẫu than. Xác định trọng lượng của 38 cm3 than hoạt tính rồi cho nước ngập than và đun sôi 15 phút. Đem lọc hút chân không ở áp suất âm 60 mmHg trong thời gian 5 phút. Cân lượng than đã hút nước. Độ hút nước được tính bằng: %H2O = (2.11) trong đó: m1 – trọng lượng than trước khi hút nước (mg); m2 – trọng lượng than sau khi hút nước (mg). Độ hút nước của than cho biết định tính tổng thể tích lỗ của than. Thiết bị độ hút nước được trình bày trên Hình 2.3. Hình 2.3. Thiết bị đo độ hút nước của than 1 – Phễu đựng nước; 2 – Bình chân không; 3 – Áp kế thủy ngân; 4 – Van điều chỉnh áp suất; 5 – Bơm chân không. 2.3.3.4. Xác định độ bền hạt [3, 5, 12,13] Độ bền hạt của than hoạt tính được xác định trên nguyên tắc bào mòn hạt than bằng sự va chạm với các quả cầu thép trong trống quay bằng kim loại đặt nằm ngang và quay với vận tốc không đổi trong thời gian 5 phút. Sau khi ngừng quay than được sàng bụi bằng sàng có kích thước quy định. Độ bền hạt được tính theo công thức: Độ bền = , (2.12) trong đó: m1 – trọng lượng than ban đầu (mg); m2 – trọng lượng than sau khi sàng bụi (mg). Xác định độ tro của than [5]. Độ tro của than thể hiện hàm lượng các hợp phần vô cơ trong than và được xác định bằng cách nung một lượng than xác định ở nhiệt độ 850oC ở trong không khí cho đến khi than cháy hết còn lại tro trắng. Cân trọng lượng tro, độ tro được tính: % tro = (2.13) trong đó: m1 – trọng lượng than đem nung (mg); m2 – trọng lượng tro (mg). Xác định khả năng hấp phụ vật lý của than [3, 5, 11] Khả năng hấp phụ vật lý của than hoạt tính với benzen được xác định theo phương pháp Rubinsteiu trên cân hấp phụ động Mac – Bell với lò so thạch anh. Sơ đồ thiết bị được vẽ trên Hình 2.4. Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý cân hấp phụ động Mac - Bell 1 – Bộ làm khô, sạch không khí; 2 – Lưu lượng kế không khí V1; 3 – Lưu lượng kế chất bị hấp phụ V2; 4 – Bình bay hơi chứa chất bị hấp phụ; 5 – Thiết bị ổn nhiệt; 6 – Buồng hỗn hợp; 7 – Buồng hấp phụ; 8 – Lò xo thạch anh; 9 – Giỏ đựng mẫu; 10 – Máy đo độ giãn lò xo. Bản chất của phương pháp là dùng dòng khí khô, sạch sục vào bình bay hơi đựng chất bị hấp phụ là C6H6 lỏng, một dòng dùng để pha loãng. Tốc độ của hai dòng được đo bằng hai lưu lượng kế V1, V2. Áp suất tương đối P/Ps của dòng hỗn hợp được xác định theo công thức: (2.14) trong đó: V1 – lưu lượng dòng khí dùng pha loãng (lít/phút); V2 – lưu lượng dòng khí sục qua bình bay hơi (lít/phút); Pa – áp suất khí quyển (mmHg); Ps – áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ thí nghiệm (mmHg); P – áp suất hơi của chất bị hấp phụ (mmHg). Độ hấp phụ của than ở các giá trị áp suất hơi tương đối P/Ps được xác định thông qua độ co giãn lò xo thạch anh treo mẫu chất hấp phụ. Thiết bị quang học (10) đo độ giãn lò xo chính xác tới 0,01mm. Độ hấp phụ được tính theo công thức: a = (2.15) trong đó: Dl1 – độ giãn của lò xo đo lượng mẫu đưa vào (mm); Dl2 – độ giãn của lò xo do lượng chất bị hấp phụ khi cân bằng (mm); M – trọng lượng phân tử chất bị hấp phụ (mg). Dựng đường đẳng nhiệt chất bị hấp phụ và giải hấp phụ a = f(P/Ps). Đồ thị có dạng Hình 2.5. Hình 2.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ benzen trên than hoạt tính. Xác định cấu trúc xốp [3, 12] Theo phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt, từ đường cong thực nghiệm có thể xác định được các thông số về cấu trúc của than Thể tích lỗ bé: Vb = a0 . v (2.16) Thể tích lỗ trung: Vtr = (as – a0).v (2.17) Thể tích lỗ lớn: Vl = VS – Vb – Vtr (2.18) trong đó: a0 – độ hấp phụ ứng với điểm bắt đầu vòng trễ (mmol/g); as – độ hấp phụ ứng với điểm cuối vòng trễ (mmol/g); v – thể tích 1mmol chất bị hấp phụ (với benzen ở nhiệt độ 250C, v = 0,089 cm3/mmol); VS – tổng thể tích lỗ (cm3/g). Xác định diện tích bề mặt riêng [3, 5, 12] Diện tích bề mặt riêng của than được xác định theo lý thuyết hấp phụ bề mặt trong khoảng giá trị P/Ps = 0,05 – 0,35. Theo phương trình BET tiến hành xây dựng sự phụ thuộc: (2.19) Đồ thị có dạng đường thẳng: Hình 2.6. Đồ thị đường thẳng BET Từ đồ thị ta tính được: – Độ hấp phụ đơn lớp am (2.20) – Diện tích bề mặt riêng S (m2). S = am ´ N ´ W0 (2.21) trong đó: N – số Avogadro (N = 6,023´1023 phân tử/mol); W0 – diện tích phân tử chất bị hấp phụ (với benzen trên than hoạt tính W0 = 40.10-20 m2/phân tử). Phân bố thể tích lỗ theo bán kính lỗ [3] Đường phân bố vi phân thể tích lỗ xốp trong than hoạt tính theo bán kính hiệu dụng lỗ. (2.22) Được tiến hành theo 2 phương pháp: – Tính toán theo nhánh giải hấp phụ của đường đẳng nhiệt hấp phụ benzen trên than hoạt tính. Phương pháp này được xác định trong khoảng r < 1000 A0 – Thực nghiệm và tính toán trên thiết bị AutoPore IV 9500 V1.07. 2.3.4. Xác định khả năng hấp phụ benzen từ dòng hơi Xác định động học hấp phụ [3, 12] Động học hấp phụ là sự phục thuộc giữa đại lượng hấp phụ vào thời gian đạt cân bằng hấp phụ a = F(t) (2.23) Đại lượng hấp phụ a được tính theo công thức: (2.24) trong đó: m2 – trọng lượng than sau hấp phụ (mg); m1 – trọng lượng than ban đầu (mg). Phương pháp tiến hành: Xác định động học hấp phụ trên cân hấp phụ động Mac – Bell với lò so thạch anh. Cân một lượng than m gam cho vào giỏ đựng mẫu, thực hiện thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ phòng. Xác định các khoảng dãn lò xo tương ứng ở các thời gian t1, t2, t3,..tn khác nhau. Cho đến khi nào độ dãn của lò xo không đổi. Khi đó ta có trạng thái cần bằng hấp phụ. Kết quả được trình bày ở Chương 3. Xác định đẳng nhiệt hấp phụ [3, 12] Đẳng nhiệt hấp phụ benzen được tiến hành với hơi benzen trong không khí. Đó là sự phụ thuộc giữa đại lượng hấp phụ vào nồng độ độ hỗn hợp hơi ở những nhiệt độ hấp phụ xác định. Đại lượng hấp phụ được tính theo công thức trên Phương pháp tiến hành: Cân các mẫu than có cùng trọng lượng như nhau cho các lần thí nghiệm. Tiến hành thí nghiệm trên trên cân hấp phụ động Mac – Bell với lò so thạch anh ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Xác định độ hấp phụ benzen sau khi đạt trạng thái cân bằng. Điều kiện thí nghiệm: + Nồng độ hơi benzen: 18 mg/l; + Nhiệt độ thí nghiệm: thay đổi từ 20 đến 60 0C. Kết quả được trình bày ở Chương 3. Xác định sự ảnh hưởng của độ tro vào khả năng hấp phụ benzen của than. Mẫu than được khử tro bằng dung dịch HCl 1,5 N trong thời gian 30 phút [5]. Sau đó rửa sạch ion Cl– bằng nước cất (thử bằng ion Ag+) Tiến hành thực nghiệm khả năng hấp phụ hơi benzen của hai mẫu than: + Mẫu than khử tro + Mẫu than không khử tro Kết quả được trình bày ở Chương 3. 2.3.5. Khảo sát động lực học quá trình hấp phụ benzen trong cột [3, 12] Đây là phương pháp cơ bản được sử dụng trong nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ hơi trong dòng khí của lớp than hoạt tính trong điều kiện thực tế. Sơ đồ nguyên lý quy trình thí nghiệm như sau: Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị DPC – 5. 1 – Bình làm sạch không khí; 2 – Ẩm kế khô – ướt; 3 – Lưu lượng kế; 4 – Bình đựng benzen; 5 – Bình trộn; 6 – Lưu lượng kế hỗn hợp; 7 – Cột than hoạt tính; 8 – Dung dịch chỉ thị; K1– 6 – Khóa 2 nhánh; k7 – Khóa 3 nhánh; 9 – bình xử lý khí. Thí nghiệm với các điều kiện sau: + Nhiệt độ thí nghiệm: 25 0C + Đường kính cột hấp phụ: 20 mm + Kích thước hạt: 2 - 3 mm + Độ xốp tầng hấp phụ: 12 % + Tốc độ dòng hơi: 0,5 lít/phút + Nồng độ benzen: 18 mg/l + Độ dài các lớp thay đổi từ: 1 – 6 cm. Chỉ thị lọt qua là dung dịch NaNO2 trong môi trường H2SO4 đặc nóng Nguyên tắc tiến hành như sau: Không khí được cấp vào hệ thống bằng máy nén khí. Dòng thứ nhất qua bình thuyền chứa benzen. Dòng thứ 2 được làm khô bằng bộ hút ẩm trước khi hòa trộn với dòng hơi benzen. Dòng thứ 2 có chức năng hòa trộn với dòng hơi benzen để điều chỉnh độ ẩm thí nghiệm thích hợp. Cho hỗn hợp chất có nồng độ C0 đi qua cột than hoạt tính có chiều cao L (lớp than được nén chặt) với tốc độ V tới khi sau cột xuất hiện nồng độ nhất định được xác định bởi chỉ thị 7. Khóa K để điều chỉnh độ ẩm dòng hơi và điều chỉnh hàm lượng benzen. Khóa K7 được đóng lại cho dòng hơi vào cột than để tiến hành thí nghiệm sau khi đã cân chỉnh các thông số theo tính toán Thí nghiệm được tiến hành với các yếu tố thay đổi về tốc độ dòng hơi và độ cao cột hấp phụ khác nhau. Theo kết quả thí nghiệm xây dựng sự phụ thuộc giữa thời gian làm việc vào độ dài lớp (đường cong Sylop) t = f(L). Theo đồ thị xác định các đại lượng h, L0 và t0. Trên cơ sở đó tính thời gian làm việc cho một lớp than có độ cao bất kỳ theo công thức 1.20. Ảnh hưởng của độ ẩm dòng hơi đến thời gian làm việc của cột than Để đánh giá ảnh hưởng của độ ẩm dòng hơi tới thời gian làm việc của cột than đã tiến hành thí nghiệm ở các độ ẩm tương đối khác nhau. Điều kiện thí nghiệm như sau: + Nhiệt độ: 25 0C; + Nồng độ hơi benzen: 18 mg/l; + Độ ẩm tương đối dòng hơi: 70 %; + Độ dày lớp than: 2 cm; + Kích thước hạt: 2 – 3 mm; + Tốc độ dòng hơi: 0,5 lít/phút. Ảnh hưởng của tốc độ dòng hơi tới thời gian làm việc của than Tiến hành thí nghiệm với tốc độ dòng hơi khác nhau và giữ nguyên các điều kiện khác (nhiệt độ, hàm lượng benzen) để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ dòng hơi tới khả năng làm việc của than được điều chế. Điều kiện thí nghiệm như sau: + Nhiệt độ: 25 0C; + Nồng độ hơi benzen: 18 mg/l; + Độ ẩm tương đối dòng hơi: 70%; + Độ dày lớp than: 2 cm; + Kích thước hạt: 2 – 3 mm; + Tốc độ dòng hơi thay đổi: 2 – 0,25 lít/phút. 2.3.6. Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm Kết quả thí nghiệm thu được là giá trị trung bình của những phép xác định song song cho một chỉ thị trên phân tích. Phần lớn các phép đo với n = 3. 2.3.7. Phương pháp điều chế và phát hiện benzen * Phương pháp điều chế hơi benzen Điều chế hơi benzen bằng cách sục không khí vào bề mặt thoáng của dung dịch benzen. Dung dịch benzen được chứa trong bình thuyền đặt trong thiết bị ổn nhiệt. Điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng dòng hơi để điều chế nồng độ hơi benzen. Xác định nồng độ hơi benzen theo công thức 2.18: (2.25) trong đó: m1 – trọng lượng bình thuyền trước khi thí nghiệm (mg); m2 – trọng lượng bình thuyền sau khi thí nghiệm (mg); v – tổng lưu lượng khí đi qua các ống động học (lít); t – thời gian tính từ khi mở đến khi đóng bình thuyền (phút). * Phương pháp phát hiện sự có mặt của benzen trong hỗn hợp khí – hơi Phát hiện sự có mặt của benzen trong hỗn hợp khí - hơi bằng phản ứng giữa benzen với natri nitrit trong dung dịch axit sunfuric đặc nóng Phản ứng xảy ra như sau: C6H6 + NaNO2 + H2SO4à C6H5–NO2 (màu vàng nâu) + NO­ + Na2SO4 + H2O CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Điều chế than hoạt tính 3.1.1. Kết quả quá trình than hóa Tre nguyên liệu (1000 g) được cho vào lò nung trong khay bằng thép không gỉ. Nhiệt độ nung được tăng từ nhiệt độ phòng đến 4500C [12]. Khảo sát sự thay đổi của mẫu về khối lượng trong quá trình nung ở các nhiệt độ: 50, 100, 150, 200,250, 300, 350, 400, 4500C. Kết quả thí nghiệm được đưa ra trong Bảng 3.1. Bảng 3.1. Kết quả sự thay đổi trọng lượng nguyên liệu theo nhiệt độ hoạt hóa Nhiệt độ (0C) Thông số 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Trọng lượng sau (g) 998 972 877 804 721 535 410 341 316 Hiệu suất (%) 99,8 97,2 87,7 80,4 72,1 53,5 41,0 34,1 31,6 Hình 3.1. Biểu diễn sự thay đổi trọng lượng nguyên liệu theo nhiệt độ than hóa Từ các kết quả nghiên cứu thu được trong Bảng 3.1 và Hình 3.1 cho thấy: + Ở khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng tới 1500C trọng lượng mẫu biến đổi nhỏ. Điều này được giải thích rằng ở khoảng nhiệt độ này phản ứng than hóa nguyên liệu diễn ra chủ yếu là quá trình giải phóng nước. + Ở khoảng nhiệt độ 200 đến 4000C trọng lượng nguyên liệu thay đổi lớn nhất và sự thay đổi lớn nhất trong khoảng nhiệt độ 300 đến 4000C. Trong dải nhiệt độ này diễn ra quá trình phân hủy các hợp chất như metanol; hắc ín [12]. + Ở khoảng nhiệt độ từ 400 đến 4500C trọng lượng nguyên liệu biến đổi ít. Đây là điểm được chọn lựa để kết thúc quá trình nhiệt phân. Như vậy, lựa chọn nhiệt độ than hóa thích hợp nhất ở 3500C với hiệu suất than hóa thu được là 41 %. 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt hoá 3.1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và lưu lượng hơi nước Chất lượng của than hoạt tính được điều chế phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố trong quá trình hoạt hóa. Trong đó, các yếu tố có tác động chủ yếu tới quá trình điều chế than tre đã lựa chọn bao gồm: nhiệt độ, thời gian và tác nhân hoạt hóa. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, thời gian và lưu lượng