Cấu trúc của than hoạt tính

Bài viết này VITEKO sẽ phân tích kỹ thuật toàn diện về cấu trúc của than hoạt tính. Mục tiêu chính là hệ thống hóa kiến thức về cấu trúc than hoạt tính để hỗ trợ thiết kế hệ thống xử lý, lựa chọn vật liệu tối ưu và dự đoán hiệu suất hoạt động trong các điều kiện vận hành khác nhau.

I. Tổng hợp các thông số của than hoạt tính

Cấu trúc của than hoạt tính có tính đặc trưng thông qua hệ thống thống thông số kỹ thuật phức tạp và tương quan chặt chẽ với nhau. Các thông số này không tồn tại độc lập mà mang đặc tính quyết định hiệu suất hấp phụ tổng thể. Để hiểu rõ cấu trúc than, cần phân tích từng thông số một cách hệ thống.

1.1. Kích thước, thể tích, diện tích bề mặt lỗ xốp

Than hoạt tính có lỗ xốp được đo bằng đơn vị m²/g và chia thành 3 loại chính:

• Micro pore: Kích thước <2 nanometer, chiếm 95% diện tích bề mặt than. Có chức năng chính là hấp phụ các phân tử siêu nhỏ, loại bỏ khí độc như CO, SO₂, NOₓ,… khử mùi hôi và các chất có mùi khó chịu, hấp phụ dung môi hữu cơ nhỏ và ion kim loại nặng.
• Meso pore: Kích thước từ 2-50 nanometer, chiếm không dưới 5% tổng diện tích bề mặt. Chức năng chính bao gồm hỗ trợ khuếch tán chất hấp phụ, vận chuyển phân tử từ bề mặt ngoài vào micropore, hấp phụ các phân tử lớn hơn như protein, enzyme, thuốc nhuộm,… là cầu nối quan trọng giữa macropore và micropore.
• Macro pore: Kích thước >50 nanometer, diện tích bề mặt không đáng kể về mặt hấp phụ. Đóng vai trò là đường dẫn cho chất hấp phụ di chuyển vào sâu trong cấu trúc than, giảm trở lực khuếch tán, tăng tốc độ hấp phụ.

Độ hấp phụ của than hoạt tính được đánh giá thông qua kích thước lỗ xốp. Nếu than có lỗ xốp lớn thì hoạt tính than sẽ nhỏ, và ngược lại.

1.2. Chỉ số iot

Là chỉ số cơ bản đặc trưng của than hoạt tính. Công dụng chính của chỉ số iot là có thể tính ra được diện tích bề mặt riêng của than, đánh giá khả năng hấp phụ, dự đoán hiệu suất hoạt động trong thực tế. Giá trị tiêu chuẩn của chỉ số iot than hoạt tính dao động từ 500-1200 mg/g.

Quy chuẩn đánh giá: Chỉ số Iot lớn → Mức độ hoạt hóa cao → Than chất lượng tốt, ngược lại, chỉ số Iot nhỏ → Mức độ hoạt hóa thấp → Than chất lượng thấp.

1.3. Độ cứng

Thể hiện độ bền cơ học, khả năng chịu lực, chống mài mòn của than hoạt tính trong quá trình sử dụng. Yếu tố quyết định độ cứng của than là nguyên liệu đầu vào, mức độ, phương pháp hoạt hóa và điều kiện xử lý trong sản xuất.

Độ cứng càng cao sẽ đảm bảo được cấu trúc của than trong quá trình sử dụng được nguyên vẹn, tuổi thọ than kéo dài, chất lượng tổng thể cũng được nâng cao.

1.4. Phân bố kích thước hạt

Ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tiếp cận của chất hấp phụ tới bề mặt than. Kích thước hạt nhỏ → Khả năng hấp phụ cao → Tốc độ phản ứng nhanh.

Giảm thiểu mức độ tiêu thụ năng lượng hiệu quả chính là nhờ vào việc tính toán kích thước hạt chính xác từ đó sẽ lựa chọn vật liệt có thông số áp suất tối ưu.

II. Cấu trúc của than hoạt tính

Than hoạt tính được tạo thành từ mạng lưới carbon phức tạp với cấu trúc vô định hình, không đồng đều, không theo quy luật tinh thể, tạo ra nhiều kết nối hóa học đa dạng, có khả năng tương tác với các yếu tố môi trường.

Hệ thống lỗ xốp đa tầng của than hoạt tính đó bao gồm vết nứt, hốc, khe hở và vùng lỗ hổng, tạo diện tích bề mặt khổng lồ cho phản ứng hóa học. Từ đó hình thành nên không gian lý tưởng cho quá trình hấp thục các chất, cặn bẩn, mùi,…

Diện tích bề mặt riêng sẽ tính theo “Tổng diện tích bề mặt trong + ngoài / 1 gram than”. Giá trị thực tế bằng 500-2500 m²/g tùy loại than, được đo theo phương pháp BET (Brunauer-Emmett-Teller). Tham số mô tả cấu trúc than hoạt tính: Kích thước hạt than hoạt tính, kích thước lỗ thông hơi, phân bố diện tích bề mặt, các yếu tố liên quan khác.

Từ đó có thể kết luận rằng, cấu trúc của than sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất, ứng dụng của loại vật liệu trong lĩnh vực xử lý nước, xử lý khí thải,…

III. Phân tích cấu trúc than hoạt tính cơ bản

Phân tích cấu trúc cơ bản bắt đầu từ việc nghiên cứu cấu trúc nung - giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình hình thành cấu trúc của than hoạt tính. Đây là nền tảng cấu trúc quyết định khả năng phát triển, mối quan hệ mật độ và độ xốp trong các bước tiếp theo.

3.1. Cấu trúc nung của than hoạt tính

Trạng thái ban đầu trong quá trình hình thành cấu trúc nung của than hoạt tính không tồn tại ở dạng tấm graphite tự nhiên mà là ở dạng vô định hình. Quá trình sản xuất sẽ bắt đầu bằng việc gia nhiệt chậm trong môi trường oxy tối thiểu, nhiệt độ hoạt hóa trên 145°F (63°C), cấu trúc được cố định thành dạng tấm than chì.

Các yếu tố sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc cuối của than là sự sắp xếp góc, khoảng cách, khoảng trống, của các lớp carbon thay đổi tùy theo nguyên liệu đầu vào và điều kiện quá trình hoạt hóa.

3.2. Mối quan hệ mật độ - độ xốp

Hạn chế của cấu trúc nung chính là do bị ảnh hưởng mạnh bởi độ xốp tự nhiên, mật độ biểu kiến ban đầu chưa tối ưu và cần có quá trình hoạt hóa để cải thiện.

Quá trình kích hoạt bắt buộc:

• Xử lý vật lý: Hơi nước, CO₂ ở nhiệt độ cao
• Xử lý hóa học: H₃PO₄, KOH, ZnCl₂
• Mục đích: Loại bỏ nguyên liệu cacbon một cách có chọn lọc

Quy luật nghịch đảo quan trọng:

• Độ xốp cao ↔ Mật độ biểu kiến thấp
• Nhiều nguyên tử cacbon bị loại bỏ → Độ xốp tăng → Mật độ giảm

Để đạt hiệu quả tối ưu, cần cân bằng những yếu tố trong quy luật nghịch đảo mà VITEKO đề cập bên trên.

3.3. Các biến thể cấu trúc khác nhau

Có đa dạng phương pháp hoạt hóa, mỗi phương pháp tạo ra biến thể cấu trúc riêng biệt:

• Hoạt hóa hơi nước: Tạo nhiều micropore
• Hoạt hóa hóa học: Kiểm soát phân bố lỗ tốt hơn

Đặc điểm có thể dự đoán:

• Người dùng có thể căn cứ vào hình thức để lựa chọn
• Mỗi biến thể phù hợp với ứng dụng cụ thể
• Khả năng tùy chỉnh theo nhu cầu

IV. Tính chất đặc biệt của cấu trúc than hoạt tính

Cấu tạo than hoạt tính tạo ra một hệ thống đa chức năng có khả năng xử lý đồng thời nhiều loại chất ô nhiễm.

4.1. Khả năng loại bỏ hợp chất không mong muốn

Cơ chế hấp phụ hiệu quả:

• Hấp phụ vật lý: Lực van der Waals, là cơ chế chính trong cấu trúc than hoạt tính, chiếm 70-80% khả năng hấp phụ tổng thể.
• Hấp phụ hóa học: Tạo ra liên kết cộng hóa trị mạnh giữa chất hấp phụ và bề mặt than hoạt tính.
• Tương tác tĩnh điện với ion: Cấu trúc của than hoạt tính có điện tích bề mặt thay đổi theo pH môi trường, tạo khả năng hấp phụ ion hiệu quả.

Phạm vi loại bỏ rộng, xử lý đa dạng chất ô nhiễm:

• Chất hữu cơ: THMs, pesticides, VOCs
• Kim loại nặng: Pb, Hg, As, Cd
• Khí độc: CO, SO₂, H₂S
• Mùi hôi và vị khó chịu: Amine ((CH₃)₃N), Mercaptan (CH₃SH), Aldehyde (CH₃CHO),…

4.2. Hoạt tính cacbon tetraclorua (CTC)

Hoạt tính cacbon tetraclorua (CTC) là chỉ số tiêu chuẩn đánh giá khả năng hấp phụ hơi hữu cơ của cấu trúc than hoạt tính. Đây là thông số kỹ thuật quan trọng được ASTM D3467 quy định để đo lường chính xác hiệu suất của than trong môi trường pha khí. CTC activity phản ánh thể tích micropore và mesopore nhỏ có khả năng hấp phụ các phân tử hữu cơ bay hơi.

Ý nghĩa thực tiễn:

• Đánh giá khả năng hoạt động trong môi trường khí
• Dự đoán hiệu suất xử lý hơi hữu cơ
• Chỉ số quan trọng cho ứng dụng lọc không khí

4.3. Khả năng khử clo đặc biệt

Khả năng khử clo của cấu trúc than hoạt tính là tính chất đặc trưng thể hiện hiệu quả loại bỏ clo dư trong hệ thống xử lý nước. Đây là quá trình hấp phụ và phản ứng phức tạp diễn ra trên bề mặt than hoạt tính. Độ sâu lớp than là thông số thiết kế quan trọng để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn clo.

Tầm quan trọng trong ứng dụng:

• Xử lý nước sinh hoạt: Loại bỏ clo dư, cải thiện mùi vị
• Xử lý nước thải: Khử clo trước xả thải
• Công nghiệp thực phẩm: Đảm bảo an toàn sản phẩm

4.4. Ảnh hưởng của cấu trúc đến hiệu suất tổng thể

Cấu trúc của than hoạt tính là yếu tố quan trọng nhất, quyết định mọi tính chất và ứng dụng của vật liệu này. Không giống như các vật liệu khác có thể cải thiện bằng phụ gia, than hoạt tính phụ thuộc hoàn toàn vào cấu trúc bên trong nó. Nghiên cứu khoa học đã chứng minh cấu trúc lỗ xốp đóng góp 80-90% vào tổng hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính.

Nguyên tắc tối ưu hóa cấu trúc than:

• Hiểu rõ cấu trúc để chọn than phù hợp
• Cân bằng giữa diện tích và khả năng tiếp cận
• Tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng

Các thông tin về cấu trúc của than hoạt tính đã được VITEKO tổng hợp và phân tích rõ ràng. Mọi thắc mắc khác Quý Khách có thể vui lòng gọi đến chúng tôi qua hotline 093 345 5566 để được hỗ trợ giải đáp chi tiết hơn.