Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều

- NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUÁ TRÌNH THAN HÓA.
- Than hoạt tính, vỏ hạt điều, hoạt hóa hơi nước, tốc độ gia nhiệt.
- Tuy nhiên, việc sản xuất than hoạt tính từ vỏ hạt điều chưa được tập trung nghiên cứu.
- Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm 2 giai đoạn than hóa và hoạt hóa, trong đó quá trình than hóa diễn ra trong môi trường khí trơ và quá trình hoạt hóa than thường sử dụng tác nhân KOH và CO 2 .
- Trong nghiên cứu này, qui trình sản xuất than hoạt tính được cải tiến ở giai đoạn than hóa và hơi nước được dùng làm tác nhân hoạt hóa ở 850 o C.
- Cụ thể, quá trình than hóa được chia ra làm 3 giai đoạn với các tốc độ gia nhiệt khác nhau để kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và cellulose trong vỏ hạt điều, giúp giai đoạn hoạt hóa bằng hơi nước đạt hiệu quả cao hơn.
- Sản phẩm than hoạt tính thu được từ nghiên cứu này có chất lượng tốt hơn than hoạt tính được điều chế theo qui trình trong các nghiên cứu trước đó.
- Kết quả này chứng tỏ kiểm soát hiệu quả tốc độ chuyển hóa của hemicellose và cellulose đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất than hoạt tính.
- Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều.
- Trong các nghiên cứu trước đây về điều chế than hoạt tính với nguyên liệu là các nguồn phế phẩm nông nghiệp (Han, X.
- et al., 2012), điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều, tác nhân hoạt hóa thường đượcsử dụng là CO 2 .
- Nguyên liệu vỏ hạt điều sau khi than hóa ở 500 o C(trong 20 phút với tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút) được mang đi hoạt hóa ở 850 o C (trong khoảng từ 13h).
- KOH sau khi hoạt hóa để thu được than sạch, dẫn tới giá thành sản phẩm than hoạt tính cao, tính cạnh tranh kinh tế thấp..
- Vì vậy, để cải thiện chất lượng của than hoạt tính, chúng tôi tập trung nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều.
- Trong giai đoạn than hóa, chúng tôi đã tiến hành khảo sát các tốc độ gia nhiệt khác nhau.
- sản phẩm sau khi than hóa được hoạt hóa ở 850 o C với tác nhân hơi nước.
- Kết quả thu được than hoạt tính với diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 1170m 2 /g và tổng thể tích lỗ xốp khoảng 0.7cm 3 /g.
- Kết quả này chứng tỏ quá trình kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellose và cellulose trong giai đoạn than hóa có ảnh hưởng đến chất lượng của than hoạt tính..
- Micromeritic ASAP 2020 tính toán dựa trên đường hấp phụ-giải hấp ở nhiệt độ nitơ lỏng.
- Xác định hiệu suất trong quá trình than hóa và hoạt hóa.
- Hiệu suất trong quá trình than hóa được xác định theo công thức:.
- Hiệu suất than hóa.
- Hiệu suất hoạt hóa.
- 2.3 Phương pháp điều chế than hoạt tính Quy trình điều chế than hoạt tính được chia làm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa với tác nhân.
- Giai đoạn than hóa: Cho nguyên liệu vỏ hạt điều (Cashew nut shell: CNS) vào bình phản ứng và đem đi gia nhiệt trong môi trường khí trơ (dùng N 2 ) với tốc độ gia nhiệt là 10 o C/phút, đến khi đạt được 450 o C thì giữ ở nhiệt độ này trong vòng 1h;.
- thu được sản phẩm của quá trình than hóa (Basic Carbonized Carbon: BCC)..
- Giai đoạn hoạt hóa: BCC được mang đi hoạt hóa ở nhiệt độ 850 o C dùng tác nhân hơi nước với tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút trong môi trường không có oxi, thu được than hoạt tính (ActivatedCarbon:.
- 2.5 Phương pháp cải tiến giai đoạn than hóa Giai đoạn than hóa: Trên cở sở lý thuyết của quá trình nhiệt phân, nguyên liệu vỏ hạt điều được cho vào bình phản ứng và gia nhiệt đến 450 o C.
- sau đó giữ ở nhiệt độ này 1 giờ trong môi trường khí trơ (dùng N 2.
- Quá trình than hóa này được tiến hành trong hệ thống than hóa được thiết kế như trong Hình 2.
- Trong đó, quá trình gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 450 o C của giai đoạn này được chia làm 3 giai đoạn như sau:.
- Hình 1: Quy trình thiết bị sản xuất than hoạt tính.
- Bảng điều khiển nhiệt độ.
- Giai đoạn 1: Từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ T 1 o C (với T 1 o C được khảo sát ở các giá trị lần lượt là o C), tốc độ gia nhiệt trong giai đoạn này là (10 o C/phút)..
- Giai đoạn 2: Từ T 1 o C đến T 2 o C, trong đó chúng ta tiến hành khảo sát 2 yếu tố - nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt..
- Khảo sát nhiệt độ: Từ T 1 o C được chọn ở giai đoạn 1, ta tiếp tục gia nhiệt đến nhiệt độ T 2 o C (với T 2 o C được khảo sát ở các giá trị lần lượt là o C).
- ở đây, tốc độ gia nhiệt được là 2 o C/phút;.
- Khảo sát tốc độ gia nhiệt R: Từ nhiệt độ T 1 o C và T 2 o C được chọn ở trên, việc khảo sát tốc độ gia nhiệt được tiến hành ở các giá trị khác nhau (cụ thể R cần khảo sát ở các giá trị lần lượt là1, 2, 3, 6 o C/phút)..
- Giai đoạn 3: Từ nhiệt độ T 2 o C lên đến 450 o C với tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút..
- Như vậy, thực nghiệm sẽ được tiến hành với mục tiêu xác định được nhiệt độ T 1 o C và T 2 o C thích hợp cùng với giá trị tốc độ gia nhiệt R hợp lý..
- Với mục tiêu trên, sản phẩm than hóa được mang đi phân tích các chỉ số methylen blue, chỉ số iot, nhóm chức, thành phần nguyên tố, hiệu suất than hóa để làm cơ sở cho việc lựa chọn các giá trị đã khảo sát..
- Giai đoạn hoạt hóa: Mẫu than hóa thu được mang đi hoạt hóa ở nhiệt độ 850 o C dùng tác nhân hơi nước với tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút trong môi trường không có oxi, thu được than hoạt tính..
- Kết quả được trình bày trong Hình 1.Sự giảm khối lượng vỏ hạt điều ở tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút được thể hiện trong kết quả phân tích TGA-DTG..
- Từ kết quả phân tích nhiệt, ta nhận thấy ở khoảng nhiệt độ 200450 o C có khoảng 67% chất bay hơi được giải phóng trong vỏ hạt điều..
- Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn 450500 o C thì lignin bắt đầu phân hủy nhiều..
- Theo hình 1, sự nhiệt phân của hemicellulose và cellulose xuất hiện ở các peak ở nhiệt độ 240 o C và 340 o C.
- Do đó, ta áp dụng quá trình kiểm soát nhiệt độ và tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và cellulose trong quá trình than hóa.
- để thu sản phẩm than hoạt tính có bề mặt riêng tốt hơn..
- 3.3 Quá trình than hóa 3.3.1 Giai đoạn 1.
- Thực nghiệm được tiến hành để khảo sát nhiệt độ T 1 o C ở các giá trị lần lượt là o C với tốc độ gia nhiệt là 10 o C/phút.
- Lưu ý, trong các thí nghiệm này, nhiệt độ T 2 o C được giữ ở 340 o C và tốc độ gia nhiệt trong giai đoạn 2 được giữ ở 2 o C/phút.
- Bảng 2: Ảnh hưởng nhiệt độ T 1 o C đến các tính chất của sản phẩm than hóa Kí.
- Nhiệt độ chuyển tiếp.
- Tốc độ gia nhiệt.
- Dựa vào kết quả phân tích trong Bảng 2, khi nhiệt độ T 1 tăng từ 200 đến 270 o C thì hiệu suất than hóa, hàm lượng carbon, chỉ số iot và chỉ số methylen blue giảm nhẹ.
- Kết quả này hợp lý vì khi nhiệt độ tăng sẽ làm tăng các hợp chất dễ bay hơi như hơi nước, CO, CO 2.
- Ngược lại, khi tăng nhiệt độ hàm lượng oxy tăng.
- Kết quả phân tích FTIR (trong Hình 3) cho thấy nhóm peak đặc trưng cho nhóm chức hydroxyl xuất hiện ở bước sóng 32003550 với độ lớn giảm dần khi nhiệt độ T 1 tăng dần.
- Điều này cho thấy khả năng hấp phụ nhóm chức hydroxyl giảm khi nhiệt độ tăng..
- Vì thế, ta chọn nhiệt độ T 1 ở 200 o C thực hiện các thí nghiệm tiếp theo..
- Hình 3: Phổ FTIR của sản phẩm than hóa (CC1, CC2 và CC3) tại các nhiệt độ T 1 o C khác.
- Thực nghiệm được tiến hành để khảo sát nhiệt độ T 2 o C ở các giá trị lần lượt là o C..
- Lưu ý, trong các thí nghiệm này, nhiệt độ T 1 o C được giữ ở 200 o C và tốc độ gia nhiệt trong giai đoạn 2 được giữ ở 2 o C/phút.
- Bảng 3: Ảnh hưởng nhiệt độ T 2 o C đến các tính chất của sản phẩm than hóa Kí.
- Nhiệt độ.
- chuyển tiếp Tốc độ gia nhiệt Hiệu.
- Hình 4: Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các nhiệt độ T 2 o C khác nhau lần lượt là 300, 340.
- Kết quả phân tích ở Bảng 3 cho thấy khi tăng nhiệt độ T 2 từ 300 đến 380 o C thì hiệu suất than hóa tăng nhẹ.
- tuy nhiên hàm lượng carbon, chỉ số iot và chỉ số methylen blue vẫn đạt cực đại tại nhiệt độ 340 o C (lần lượt là mg/g và 42.46 mg/g).
- Do đó, ta chọn nhiệt độ T 2 là 340 o C để tiếp tục thí nghiệm khảo sát tốc độ gia nhiệt..
- Trong các nghiên cứu trước đây, tốc độ gia nhiệt được giữ ở 10 o C/phút trong suốt quá trình than hóa (Yang, J., 2012, Bouchelta, C.
- et al., 2015).Việc giảm tốc độ gia nhiệt sẽ làm tăng hiệu suất cũng như chất lượng của bề mặt than hoạt tính.
- tuy nhiên, giảm tốc độ gia nhiệt cũng có nghĩa là tăng thời gian than hóa và tăng chi phí sản xuất.
- Chính vì vậy, việc khảo sát tốc độ gia nhiệt để chọn ra được giá trị phù hợp sao cho chất lượng than được cải thiện mà chi phí sản xuất không bị ảnh hưởng nhiều.
- Trong nghiên cứu này, tốc độ gia nhiệt được chọn là o C/phút để khảo sát.
- và chỉ áp dụng cho khoảng nhiệt độ từ 200 o C đến 340 o C.
- có nghĩa là ngoài khoảng nhiệt độ trên tốc độ gia nhiệt được giữ ở 10 o C/phút.
- Kết quả được so sánh qui trình sử dụng trong các nghiên cứu trước đây (tốc độ gia nhiệt được giữ ở 10 o C/phút trong suốt quá trình than hóa từ 30450 o C) và trình bày trong Bảng 4..
- Bảng 4: Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt R ( o C/phút) đến các tính chất của sản phẩm than hóa Kí.
- chuyển tiếp Tốc độ gia.
- Khi giảm tốc độ gia nhiệt tăng từ 10 o C/phút xuống thì hiệu suất than hóa, chỉ số iot và chỉ số methylen blue đều tăng rõ rệt.
- Điều này chứng tỏ tốc độ gia nhiệt có ảnh hưởng tới quá trình than hóa.
- và ở tốc độ gia nhiệt thấp thì cellulose sẽ bị nhiệt phân chậm (Peng, Y., Wu, S., 2010).
- Khi tốc độ gia nhiệt tăng lên thì phản ứng depolymer xảy ra nhanh hơn, dẫn đến việc cellulose sẽ phân hủy thành các hợp chất dễ bay hơi nhiều hơn trước khi ổn định cấu trúc than hóa.
- Kết quả cho thấy nhóm hydroxyl hấp phụ giảm dần khi tăng tốc độ gia nhiệt (Hình 5)..
- Hình 5: Phổ FTIR của các sản phẩm than hóa tại các tốc độ gia nhiệt khác nhau.
- Kết quả thí nghiệm cho thấy việc giảm tốc độ gia nhiệt sẽ giúp cho việc cải thiện chất lượng sản phẩm của quá trình than hóa.
- Tuy nhiên, cũng cần lưu ý cân đối việc giảm tốc độ gia nhiệt vì thời gian than hóa sẽ tăng lên đáng kể.
- Thực tế khi sản xuất, sau khi kết thúc giai đoạn giảm tốc độ gia nhiệt (340 o C), để giảm thời gian than hóa, tốc độ gia nhiệt có thể được tăng cao hơn10 o C/phút (ví dụ như 20 o C/phút hoặc 30 o C/phút tùy thuộc vào hệ thống lò nung).
- Ngoài ra, khi sản phẩm của quá trình than hóa đã tốt, chúng ta có thể xem xét việc.
- 3.4 Quá trình hoạt hóa.
- Mẫu được chọn để tiến hành các thí nghiệm này là mẫu sau quá trình than hóa CC6 và mẫu BBC, với thời gian hoạt hóa cần được khảo sát là phút.
- Bảng 5: Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt tính Mẫu TG hoạt.
- Hình 6: Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến (a) hiệu suất hoạt hóa và diện tích bề mặt riêng (b) của than hoạt tính.
- Ngoài ra, khi so sánh về diện tích bề mặt riêng, kết quả trong hình 6b cũng cho thấy rằng giá trị BET của mẫu than hoạt tính CC6-AC2 với thời gian hoạt hóa 60 phút (926m 2 /g) cao hơn giá trị BET của mẫu BCC-AC3 với thời gian hoạt hóa là 90 phút (902 m 2 /g).
- Điều này khẳng định việc cải tiến thời gian và tốc độ nung của giai đoạn than hóa trước đó đã mang lại hiệu quả tích cực trong giai đoạn hoạt hóa.
- không những có thể cải thiện chất lượng của than hoạt tính mà còn giúp giảm được chi phí của quá trình thông qua việc giảm thời gian hoạt hóa..
- Qui trình sản xuất than hoạt tính được nghiên cứu để cải tiến ở giai đoạn than hóa, trong đó tốc độ gia nhiệt là yếu tố quan trọng để kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và cellulose trong vỏ hạt điều.
- Kết quả thu được sản phẩm than hoạt tính có chất lượng tốt hơn so với sản phẩm than hoạt tính được điều chế theo qui trình trong các nghiên cứu trước đó.
- Các kết quả cụ thể mà nghiên cứu đã đạt được là kiểm soát tốt quá trình phân hủy hemicellulose và celluolose trong quá trình than hóa với qui trình gia nhiệt gồm 3 giai đoạn