Tìm hiểu về Than hoạt tính

PhÇn I Giíi thiÖu lÞch sö ph¸t triÓn cña than ho¹t tÝnh I-/ Giíi thiÖu chung. Than ho¹t tÝnh ®­îc loµi ng­êi sö dông vµ s¶n xuÊt. Vµo thÕ kû thø 3 ng­êi Trung Hoa d· s¶n xuÊt ra mùc tµu chÊt l­îng cao. Trong thµnh phÇn cña mùc nµy cã muéi than ®­îc s¶n xuÊt b»ng c¸ch ®èt ch¸y dÇu mì d­íi b¸t sµnh óp ng­îc. Tr¶i qua nhiÒu thÕ kû víi nhu cÇu sö dông cao. Vµo n¨m 1870 than ho¹t tÝnh ®· cã mÆt trªn thÞ tr­êng th­¬ng m¹i, víi nhu cÇu vÒ sö dông nã cã tªn gäi chung lµ “bå hãng” nguyªn liÖu ®Çu ®Ó s¶n xuÊt lµ dÇu mì nhùa tinh chÕ [245-2]. N¨m 1872 víi sù ngiªn cøu cña c¸c t¸c gi¶ Haworth vµ Lamb, hai «ng ®· ®­a ra lo¹i than ho¹t tÝnh sö dông nguyªn liÖu ®Çu lµ khÝ tù nhiªn ®­îc s¶n xuÊt nhiÒu ë New Cumberlan, West Virginia(Mü). N¨m 1892 ë Mü ®· s¶nm xuÊt ra lo¹i than ho¹t tÝnh gäi lµ than m¸ng. Do s¸ng chÕ cña t¸c gi¶ John MacNatte. N¨m 1916 Braun vµ Ulinger ®· ®­a ra ph­¬ng ph¸p nhiÖt ph©n ®Ó s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh. N¨m 1943 ë bang Texas than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p lß (lß khÝ, lß láng) víi tæ chøc quy m« c«ng nghiÖp lín h¬n hiÖn ®¹i h¬n. Cho ®Õ nayc¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt trªn ®­îc ¸p dông réng r·i vµ s¶n xuÊt ra nhiÒu lo¹i than kh¸c nhau ®¸p øng nhu cÇu sö dông cho c¸c nghµnh c«ng nghiÖp nãi chung vµ ngµnh c«ng nghiÖp cao su nãi riªng. Than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt víi tæng s¶n l­îng lín nhÊt vµ quy m« c«ng nghiÖp lín nhÊt ë n­íc Mü. Sau ®ã ®Õn c¸c n­íc ph­¬ng t©y. C¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt chñ yÕu ë Mü dïng ba ph­¬ng ph¸p chÝnh : 1_Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than m¸ng. 2_Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nhiÖt ph©n. 3_Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß. Tõ nh÷ng ph­¬ng ph¸p trªn mµ ®­a ra rÊt nhiÒu lo¹i than kh¸c nhau víi c¸c tÝnh chÊt kh¸c nhau, øng dông vµo nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau. Tõ ®ã rót ra kh¸i niÖm chung cña than ho¹t tÝnh :lµ s¶n phÈm ch¸y kh«ng hoµn toµn cña c¸c hîp chÊt c¸cbua hydro. PhÇn II Tæng quan vÒ tÝnh chÊt ho¸ häc, vËt lý cña than ho¹t tÝnh Than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt vµ b¸n trªn thÞ tr­êng quèc tÕ rÊt ®a d¹ng. Mçi lo¹i than ®Òu cã c«ng dông riªng biÖt ®¸p øng nhu cÇu cña c«ng nghiÖp nãi chung, c«ng nghiÖp gia c«ng cao su nãi riªng. Tuy nhiªn xÐt vÒ mÆt ho¸ häc vµ ®Æc tr­ng kü thuËt th× chóng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm chung quyÕt ®Þnh ®Õn kh¶ n¨ng t¨ng c­êng lùc cho cao su. Nh÷ng luËn ®iÓm chung ®ã lµ [166-1]. *CÊu t¹o ho¸ häc. *Møc ®é ph©n t¸n. *CÊu tróc cña than. *Khèi l­îng riªng cña than. Vµ c¸c ®Æc tr­ng kh¸c. I-/ Nh÷ng ®Æc tr­ng vÒ tÝnh chÊt vËt lý. 1- KÝch th­íc h¹t vµ bÒ mÆt riªng cña than ho¹t tÝnh[167-1]. Trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt do cã sù va ch¹m, khuÊy trén. C¸c h¹t than s¬ khai th­êng cã cÊu tróc khèi cÇu hoÆc gÇn víi khèi cÇu. C¸c khèi cÇu n»m bªn nhau trong hçn hîp ph¶n øng l¹i liªn kÕt víi nhau lµm t¨ng kÝch th­íc cña h¹t ®Ó gi¶m n¨ng l­îng tù do bÒ mÆt vµ t¹o thµnh c¸c chuçi. Nh÷ng chuçi thay ®æi nµy kh«ng nh÷ng trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt than mµ c¶ trong qu¸ tr×nh gia c«ng gi÷a than ho¹t tÝnh vµ cao su. Cã c¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than h¹ot tÝnh kh¸c nhau nªn cã c¸c laäi than ho¹t tÝnh cã tÝnh chÊt kh¸c nhau, h×nh d¹ng kÝch th­íc h¹t kh¸c nhau. Nªn tr­íc khi ®­a vµo sö dông cÇn x¸c ®Þnh ®­îc c¸c th«ng sè(kÝch th­íc h¹t, diÖn tÝch riªng bÒ mÆt h¹t than.). V× nh÷ng th«ng sè nµy lµ mét trong nh÷ng nh©n tè ¶nh h­ëng trùc tiÕp ®Õn tÝnh chÊt cña cao su t¨ng c­êng lùc b»ng than ho¹t tÝnh. Ng­êi ta ®· dïng hai ph­¬ng ph¸p ®Ó x¸c ®Þnh kÝch th­íc h¹t than, diÖn tÝch riªng bÒ mÆt, ®ã lµ : *Ph­¬ng ph¸p kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö. *Ph­¬ng ph¸p hÊp phô lªn bÒ mÆt. V× c¸c kÝch th­íc h¹t, diÖn tÝch bÒ mÆt cña than kh¸c nhau nªn gi¸ trÞ tÝnh to¸n th­êng lÊy gi¸ trÞ trunh b×nh Ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh trùc tiÕp b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö cho ta gi¸ trÞ ®­êng kÝnh trung b×nh h¹t than víi c¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than kh¸c nhau: VÝ dô than m¸ng ®­êng kÝnh h¹t trung b×nh lµ 100-300A0. Lß láng ®­êng kÝnh h¹t trung b×nh lµ 180-600A0. Lß khÝ ®­êng kÝnh h¹t trung b×nh 400-800A0. Ph­¬ng ph¸p nhiÖt ph©n ®­êng kÝnh h¹t trung b×nh lín nhÊt lµ 1400-4000A0. Ng­êi ta ®· ®­a ra ®­îc c«ng thøc tÝnh ®­êng kÝnh trung b×nh cña h¹t than ho¹t tÝnh [245-2]. Sn*d Dn = ----------- Sn Trong ®ã n lµ sè h¹t. d lµ ®­êng kÝnh h¹t. KÝch th­íc h¹t còng x¸c ®Þnh b»ng ph­¬ng ph¸p gi¸n tiÕp nhê ph­¬ng ph¸p hÊp phô theo BET. 2 - DiÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña h¹t than ho¹t tÝnh: *Ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n h×nh häc, ph­¬ng ph¸p tÝnh tãn theo l­îng chÊt láng ph©n tö thÊp hoµn toµn tr¬ ho¸ häc víi than ho¹t tÝnh nh­ng ®­îc hÊp phô lªn bÒ mÆt cña than ho¹t tÝnh. Theo ph­¬ng ph¸p thø nhÊt c¸c kÝch th­íc h×nh häc cña than ho¹t tÝnh ®­îc x¸c ®Þnh b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö. Nõu chÊp nhËn c¸c h¹t than ho¹t tÝnh cã d¹ng khèi cÇu vÒ bÒ m¾t c¸c h¹t than ph¼ng nh½n tuyÖt ®èi. DiÖn tÝch bÒ mÆt h×nh häc riªng Sh ®­îc tÝnh theo c«ng thøc Sh = 6/r.DA ; [168-1] Trong ®ã : r lµ khèi l­îng riªng cña than ho¹t tÝnh. DA ®­êng kÝnh bÒ mÆt trung b×nh h¹t than. Sn.d3 DA = --------- Sn.d2 Trong ®ã n lµ sè h¹t, d lµ ®­êng kÝnh h¹t. DiÖn tÝch bÒ mÆt riªng ®­îc x¸c ®Þnh theo ph­¬ng ph¸p nµy gäi lµ diÖn tÝch bÒ mÆt h×nh häc riªng (Sh). Theo ph­¬ng ph¸p thø hai diÖn tÝch bÒ mÆt riªng ®­îc x¸c ®Þnh theo l­îng chÊt láng ph©n tö thÊp hoµn toµn tr¬ ho¸ häc víi than ho¹t tÝnh, nh­ng hÊp phô lªn bÒ mÆt than ho¹t tÝnh. Trong sè chÊt láng ph©n tö thÊp th­êng dïng lµ Nit¬ ë nhiÖt ®é s«i cña nã, c¸c dung dÞch Ièt vµ Phªnol. DiÖn tÝch riªng bÒ mÆt ®­îc tÝnh to¸n b»ng ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc gäi lµ diÖn tÝch hÊp phô riªng Sp. Gi¸. trÞ Sp cho mçi chÊt láng hÊp phô kh¸c nhau th× kh¸c nhau, v× chÊt láng cã ph©n tö l­îng lín h¬n cµng kÐm hÊp phô bao phñ lªn vÕt x­íc xña h¹t than. §Ó ®¸nh gi¸ møc ®é ph¼ng nh½n bÒ mÆt c¸c cÊu tróc than cã thÓ sö dông tû sè gi­a diÖn tÝch hÊp phô riªng vµ diÖn tÝch bÒ mÆt h×nh häc riªng. Tû sè nµy cµng lín bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a hai pha Polyme - chÊt ®én cµng nhiÒu vµ møc ®é t¨ng c­êng lùc cµng cao. Ng­îc l¹i ë nh÷ng vÕt x­íc khi c¸c m¹ch ®¹i ph©n tö qu¸ lín kh«ng che phñ ®­îc toµn bé bÒ mÆt than c¸c chÊt trong hÖ thèng l­u ho¸, phßng l·o. SÏ bÞ hÊp phô vµo ®ã lµm ®éng häc còng nh­ møc ®é l­u ho¸ cao su bÞ thay ®æi nhiÒu. TÝnh chÊt c¬ lý vµ tÝnh n¨ng sö dông cña vËt liÖu Ýt ®­îc t¨ng c­êng. 3 - CÊu tróc vËt lý cña than ho¹t tÝnh [169-1]. CÊu tróc cña than ho¹t tÝnh ®­îc ®¸nh gi¸ b»ng møc ®é ph¸t triÓn cÊu tróc bËc nhÊt cña nã. Møc ®é ph¸t triÓn cÊu tróc chuèi phô thuéc vµo ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt phô thuéc vµo nguyªn liÖu ®Çu ®­a vµo s¶n xuÊt than. CÊu tróc bËc nhÊt phÊt triÓn m¹nh nhÊt trong than s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p lß. Liªn kÕt ho¸ häc C - C ®¶m b¶o cho cÊu tróc cã ®é bÒn cao. Sè l­îng c¸c h¹t than s¬ khai cã cÊu tróc dao ®éng tõ vµi h¹t ®çi víi than cã cÊu tróc thÊp ®Õn 600 h¹t ®èi víi than cã cÊu tróc cao. Trong thêi gian b¶o qu¶n than ho¹t tÝnh c¸c cÊu tróc bËc nhÊt cña than tiÕp xóc víi nhau, liªn kÕt l¹i víi nhau t¹o thµnh liªn kÕt bËc hai cña than ho¹t tÝnh. Møc ®é bÒn v÷ng cña cÊu tróc bËc hai phô thuéc vµo ®é bÒn liªn kÕt gi÷a c¸c cÊu tróc bËc nhÊt vµ dao ®éng trong kho¶ng ®é bÒn cña liªn kÕt Vandecvan ®Õn ®é bÒn liªn kÕt hydro cã trong than. CÊu tróc bËc hai cµng bÒn v÷ng khi c¸c h¹t than cã kÝch th­íc cµng nhá, møc ®é nh¸m cña bÒ mÆt cµng lín vµ hµm l­îng c¸c nhãm chøa oxy trªn bÒ mÆt than cµng cao. CÊu tróc bËc hai cña than h¹ot tÝnh bÞ ph¸ huû hÕt khi hçn luyÖn víi cao su c¸c cÊu tróc nµy tuy nhiªn cã thÓ t¸i h×nh thµnh khi b¶o qu¶n thµnh phÈm, l­u ho¸ vµ ngay c¶ khi s¶n phÈm ®· l­u ho¸. CÊu tróc cña than ho¹t tÝnh cã thÓ x¸c ®Þnh trùc tiÕp b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö vµ cè thÓ ®¸nh gi¸ gi¸n tiÕp qua l­îng dÇu ®­îc than ho¹t tÝnh hÊp phô (trÞ sè dÇu cña than). TrÞ sè dÇu cña than ho¹t tÝnh lµ l­îng dÇu hay l­îng chÊt láng kh«ng bèc h¬i ml, tr¬ ho¸ häc víi than ho¹t tÝnh nh­ng ®­îc hÊp phô lªn bÒ mÆt cña than bÞn ­ít t¹o tthµnh bét nh·o. Theo lý thuyÕt l­îng dÇu hÊp phô nµy chÝnh lµ kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c h¹t than khi h¹t than nµy n»m s¸t víi h¹t kia. NÕu cÊu tróc cña than cµng lín møc ®é kÕt bã chÆt chÏ cña than gi¶m l­îng dÇu cÇn thiÕt ®Ó trén miÕt víi than cµng nhiÒu h¬n. Nh­ vËy trÞ sè dÇu lµ ®¹i l­îng tæng hîp ®Ó ®¸nh gi¸ gi¸ trÞ diÖn tÝch bÒ mÆt riªng vµ møc ®é cÊu tróc cña than ho¹t tÝnh. 4 - Khèi l­îng riªng cña than ho¹t tÝnh. [170-1]. Khèi l­îng riªng than ho¹t tÝnh lµ ®¹i l­îng phô thuéc vµo ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh nã. Ch¼ng h¹n nÕu dïng nh­ r­îu, axªt«n ®Ó x¸c ®Þnh khèi l­îng riªng cho than ho¹t tÝnh th× r­îu vµ axªt«n l¹i lµ c¸c ph©n tö qu¸ lín kh«ng luån lái vµo c¸c khe, kÏ gi÷a cña c¸c h¹t than, trªn bÒ mÆt cña h¹t than. Nh­ vËy thÓ tÝch do c¸c h¹t than chiÕm sÏ lín vµ khèi l­îng riªng sÏ nhá h¬n khèi l­îng riªng thùc cña than. Khèi l­îng riªng cña than ho¹t tÝnh x¸c ®Þnh b»ng ph­¬ng ph¸p nµy dao ®éng trong kho¶ng tõ 1800-1900 kg/m3. Khi x¸c ®Þnh khèi l­îng riªng cña than ho¹t tÝnh trong Heli láng nhËn ®­îc gi¸ trÞ tõ 1900-2000kkg/m3. Khèi l­îng riªng cña than ho¹t tÝnh ®­îc tÝnh to¸n theo h»ng sè m¹ng tinh thÓ nhËn gi¸ trÞ tõ 2180-2160kg/m3. Than ho¹t tÝnh d¹ng bét lµ c¸c h¹t n»m ë s¸t bªn nhau vµ ë c¸c gãc c¹nh, c¸c cung lµ kh«ng khÝ v× thÕ khèi l­îng riªng cña nã nhá h¬n nhiªï vµ dao ®éng tõ 80-300kg/m3 phô thuéc vµo møc ®é ph¸t triÓn cÊu tróc cña than. Than cã cÊu tróc cµng lín kho¶ng trèng gi÷a c¸c cÊu tróc cµng nhiÒu vµ gi¸ trÞ khèi l­îng riªng cµng nhá. Qua øng dông cña than ho¹t tÝnh ng­êi ta thÊy r»ng gi¸ trÞ khèi l­îng riªng 1860kg/m3 th­êng ®­îc sö dông kh¸ phæ biÕn. Trong c«ng nghÖ gia c«ng cao su ng­êi ta th­êng sö dông lo¹i than ho¹t tÝnh cã khèi l­îng riªng lµ 1800kg/m3 [252-2]. II-/ §Æc tr­ng vÒ mÆt ho¸ häc cña than ho¹t tÝnh [161-1]. Ph©n tÝch cÊu t¹o vµ cÊu tróc cña than ho¹t tÝnh b»ng tia R¬nghen cho thÊy c¸c h¹t than ho¹t tÝnh cã cÊu tróc m¹ng ph¼ng cãa cÊu t¹o tõ c¸c vßng Cacbon(vÞ trÝ s¾p xÕp c¸c nguyªn tö c¸cbon trong vßng gièng vÞ trÝ s¾p xÕp c¸c nguyªn tö c¸cbon trong Benzen). C¸c nguyªn tö C¸cbon liªn kÕt víi nhau b»ng liªn kÕt ho¸ häc ®­îc biÓu diÔn h×nh d­íi ®©y. Kho¶ng 3-7 m¹ng c¸c bon ph¼ng nh­ vËy s¾p xÕp thµnh tõng líp m¹ng nµy lªn m¹ng kh¸c nh­ng kh«ng trång khÝt vµ chÝnh x¸c nh­ nhau mµ c¸c nguyªn tö c¸cbon ë c¸c m¹ng kh¸c nhau n»m lÖch nhau t¹o thµnh c¸c tinh thÓ s¬ khai cña than ho¹t tÝnh, lùc liªn kÕt gi÷a c¸c nguyªn tö c¸cbon trong mét m¹ng. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c nguyªn tö c¸cbon trong cïng mét m¹ng lµ 1,42 A0 kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c nguyªn tö c¸cbon t­¬ng øng ë hai m¹ng kÒ nhau lµ 3,6-3,7A0 Trong mçi tinh thÓ s¬ khai cña than ho¹t tÝnh chøa kho¶ng 100-200 nguyªn tö cacbon. C¸c tinh thÓ s¬ khai s¾p xÕp tù do vµ liªn kÕt víi nhau ®Ó t¹o thµnh c¸c h¹t than ®Çu tiªn. Sè l­îng c¸c tinh thÓ s¬ khai trong h¹t than quyÕt ®Þnh kÝch th­íc cña h¹t than, ch»ng h¹n than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p khuyÕch t¸n MacDG-100 chøa tõ 5000-10000 tinh thÓ. Trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt do cã sù va ch¹m, khuÊy trén c¸c h¹t than s¬ khai th­êng cã khèi cÇu hoÆc gÇn khèi cÇu. C¸c khèi cÇu n»m bªn trong hçn hîp ph¶n øng l¹i liªn kÕt víi nhau nh»m t¨ng kÝch th­íc cña h¹t ®Ó gi¶m n¨ng l­îng tù do bÒ mÆt vµ t¹o thµnh c¸c chuçi. H×nh d¹ng vµ kÝch th­íc cña chuèi phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña tõng lo¹i than. C¸c chuçi h¹t nh­ vËy ®­îc gäi lµ cÊu tróc h¹t bËc nhÊt cña than ho¹t tÝnh. Trong tinh thÓ khèi cña h¹t than ho¹t tÝnh c¸c nguyªn tö c¸cbon n»m ë mÆt ngoµi (nguyªn tö c¸cbon c¹nh hoÆc mÐp) cã møc ®é ho¹t ®éng ho¸ häc lín vµ v×, vËy nã lµ trung t©m cña c¸c qu¸ tr×nh «xy ho¸ t¹o cho bÒ mÆt thn hµng lo¹t c¸c nhãm ho¹t ®äng ho¸ häc kh¸c nh­ nhãm hydroxyl, c¸cb«xyl, c¸cb«nyl, xªt«n... ®­îc biÓu diÔn nh­ sau. Ngoµi C¸cbon trong thµnh phÇn ho¸ häc cña than ho¹t tÝnh cßn cã hydro, l­u huúnh, «xy vµ c¸c kho¸ng chÊt kh¸c. C¸c nguyªn tö nµy ®­îc ®­a vµo than ho¹t tÝnh cïng víi nguyªn liÖu ®Çu vµ trong qu¸ tr×nh «xy ho¸. Sù cã mÆt cña c¸c hîp chÊt chøa «xy trªn bÒ mÆt than ho¹t tÝnh ®­îc chÝnh minh b»ng ph¶n øng axÝt huyÒn phï trong n­íc cña than ho¹t tÝnh. Sù cã mÆt cña c¸c kho¸ng chÊt trong than ho¹t tÝnh cho ph¶n øng kiÒm yÕu. B¶ng 1 thµnh phÇn nguyªn tè mét sè lo¹i than ho¹t tÝnh [252-2]. Lo¹i Hµm l­îng % Cacbon Oxy Hy®ro ChÊt dÔ bay h¬i T¨ng c­êng m¸ng 95,2 3,6 0,6 5 B¸n t¨ng c­êng lß 99,2 0,4 0,3 1,2 T¨ng c­êng lß láng 98,2 0,8 0,3 1,4 Nh×n chung tuú vµo tõng lo¹i than víi c¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt kh¸c nhau nªn thµnh phÇn cña chóng còng kh¸c nhau nh­ng nã than ho¹t tÝnh n»m trong giíi h¹n cho phÐp : C¸cbon 80-99,5% Hydro 0,3-1,3% Oxy 0,5-15% Nit¬ 0,1-0,7% L­uhuúnh 0,1-0,7%[142-4]. Sù cã mÆt c¸c nhãm ph©n cùc trªn bÒ mÆt than ho¹t tÝnh lµ yÕu tè quan träng quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng t¸c dông hãa häc, lý häc cña than ho¹t tÝnh víi c¸c nhãm ph©n cùc, liªn kÕt ®«i cã trong m¹ch ®¹i pjh©n tö. Dùa vµo thµnh phÇn c¸c nguyªn tè ho¸ häc cña than ho¹t tÝnh cã thÓ chän lo¹i than thÝch hîp cho tõng lo¹i cao su ®Ó ®¹t ®­îc lùc t¸c dông gi÷a than vµ m¹ch cao su lín nhÊt B¶ng 2 - tãm t¾t tÝnh chÊt cña mét sè lo¹i than Lo¹i than vµ c«ng dông Ký hiÖu Nguyªn liÖu ®Çu §­êng kÝnh TB h¹t A0 DiÖn tÝch bÒ mÆt hÊp phô N2 m2/g Hµm l­îng chÊt dÔ bay h¬i% pH Than m¸ng +T¨ng tÝnh c«ng nghÖ EPC KhÝ thiªn nhiªn 300-290 100 5 5 +C¸n tr¸ng kh¸ tèt MPC KhÝ thiªn nhiªn 250-280 110-120 5 5 Than lß khÝ +Ph©n t¸n nhá FF DÇu hoÆc khÝ thiªn nhiªn 400-500 40-50 1,0 8-9 +M«®un cao HMF DÇu hoÆc khÝ thiªn nhiªn 600 30-10 1,0 8-9 +B¸n t¨ng c­êng SRF DÇu hoÆc khÝ thiªn nhiªn 600-800 25-30 1,0 8-9 Than lß láng +Chèng mµi mßn siªu cao SAF DÇu 180-220 90-125 1,0 8-9 +T¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mßn rÊt tèt ISAF DÇu 230-250 115 1,0 8-9 +§é bÕn kÕt cÊu thÊp ISAF-LS DÇu 200-230 110-130 1,5 8-9 +§é bÕn kÕt cÊu cao ISAF-HS DÇu 225 110-120 1,5 8-9 +T¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mßn cho cao su l­u ho¸ HAF DÇu 260-280 74-100 1,5 8-9 +Th«ng dông GPF DÇu 500-550 15-30 1,0 9 +T¨ng kh¶ n¨ng dÉn ®iÑn CF DÇu 210-290 125-200 1,5-2 8-9 NhiÖt ph©n +Cùc mÞn FT KhÝ thiªn nhiªn 1800 13 0,5 9 Møc ®é ph©n t¸n trung b×nh MT KhÝ thiªn nhiªn 4700 7 0,5 8 PhÇn 3 C«ng nghÖ s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh ë Mü. I-/ Giíi thiÖu: Tõ thêi xa x­a loµi ng­êi ®· dïng c«ng cô th« s¬ ®Î t¹o ra mét l­îng “muéi”, ®Ó sö dông vµo môc ®Ých riªng cña m×nh, thêi ®ã chØ sö dông theo c¶m gi¸c. Tr¶i qua nhiÒu thÕ kû ng­êi ta ®· nghiªn c­u thÊy t¸c dông ®Ých thùc cña than ho¹t tÝnh kh«ng nh÷ng vÒ ®Æc tr­ng kü thuËt, mµ cßn c¶ vÒ mÆt kinh tÕ. V× vËy, víi sù nghiªn cøu vµ t×m tßi ®Ó d­a vµo sö dông s¶n xuÊt mang tÝnh chÊt c«ng nghiÖp h¬n nã ®­îc xuÊt hiÖn ®Çu tiªn ë Mü. N­íc Mü còng lµ n­íc ph¸t triÓn s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh hµng ®Çu thÕ giíi chiÕm h¬n 1/2tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh cña thª sgiíi. C«ng nghÖ nghhiªn cøu vµ ®i vµo s¶n xuÊt ë Mü, sö dông 3 ph­¬ng ph¸p chÝnh ®ã lµ : 1- Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than m¸ng. 2- Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than lß : + Lß khÝ. +Lß láng. 3- Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nhiÖt ph©n. Nguyªn liÖu ®Çu ®Ó ®­a vµo s¶n xuÊt cã hai lo¹i chÝnh ®ã lµ : khÝ thiªn nhiªn vµ dÇu má. §Ó thÊy ®­îc c¸c ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh ta ®i s©u vµo nghiªn cøu tõng ph­¬ng ph¸p mét. 1- Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than m¸ng [256-2]. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than m¸ng sö dông nguyªn liÖu ®Çu lµ khÝ thiªn nhiªn, hay khÝ thiªn nhiªn ®­îc lµm giÇu thªm dÇu, nhiÖt ®é lµ 11000C. CÊu t¹o nhµ kÝnh : ®­îc cÊu t¹o bëi c¸c vËt liÖu hîp kim cã kÝch th­íc : ChiÒu dµi 30-38 m ChÒu réng 2,5-3,6 m ChiÒu cao lµ 2,5 m Trong mçi nhµ kÝnh cã kho¶ng 2000 - 4000 ngän löa tho¸t ra tõ nh÷ng m¸ng d­îc chuyÓn ®éng qua l¹i chËm ch¹p, hay nh÷ng trôc quay. §Çu phun cã thÓ cung cÊp tíi 0,5 - 0,8 m3/h, ®­îc cung cÊp bëi 3-5 èng dÉn (Burner pipe). Than l¾ng ®­îc t¸ch ra b»ng nh÷ng c¸i n¹o vµ d­îc thu l¹i, vËn chuyÓn b»ng nh÷ng trôc vÝt mang ®i sö lý ttiÕp theo nh­ (lµm s¹ch, nghiÒn...) ®Ó ®¹t ®­îc kÝch th­íc h¹t yªu cÇu. HiÖu suÊt ®èi víi ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy ®¹t rÊt thÊp chØ 5% hay nhá h¬n, ®­êng kÝnh trung b×nh h¹t trong kho¶ng 9 nm -30nm ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy ngµy nay hÇu nh­ kh«ng sö dông ®Ó s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh v× nhiÒu lý do liªn qua ®Õn chÊt l­îng, hiÖu suÊt, m«i tr­êng.... D©y chuyÒn s¶n xuÊt ®­îc biÓu diÓn ë h×nh 1. 2- Ph­¬ng ph¸p nhiÖt ph©n [204-3]. Ph­¬ng ph¸p nhiÖt ph©n lµ qu¸ tr×nh ph©n ly khÝ thiªn nhiªn ë nhiÖt ®é 13000C. Nguyªn liÖu ®Çu ®Ó s¶n xuÊt lµ khÝ thiªn nhiªn, nhiÖt ®é 13000C, dïng hai lß h×nh trô ®­êng kÝnh lµ 4m chiÒu cao lµ 10m. §­îc kÕt cÊu b»ng g¹ch chÞu löa, qu¸ tr×nh ho¹t ®éng tuÇn hoµn (khÝ thiªn nhiªn ®­îc d­a vµo lß 1 ®­îc ra nhiÖt t¹o thµnhC¸cbon vµ Hydro, C¸cbon ®­îc t¸ch riªng vµ ®­îc thu l¹i Hydro ®­îc dïng lµm nhiªn liÖu ®èt ch¸y lß 2). HiÖu suÊt ®èi ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy ®¹t 40-50%, ®­êng kÝnh trung b×nh h¹t lµ 120-500nm. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy ®ang ®­îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh víi s¶n l­îng ®­a ra thÞ tr­êng kh«ng nhiÒu, nã, th­êng ®­a ra hai lo¹i than chÝnh ®ã lµ MT vµ FT. D©y chuyÒn s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh b»ng ph­¬ng ph¸p nhiÖt ph©n ®­îc biÓu diÔn b»ng h×nh 2. 3- Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than lß. HÇu hÕt than ho¹t tÝnh ®­îc sö dông ngµy nay ®Òu ®­îc s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p lß. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß cã tæng s¶n l­îng cung cÊp ra thÞ tr­êng ®¹tkho¶ng 85-95% so víi tæng s¶n l­¬ng than ho¹t tÝnh mµ Mü cung cÊp ra thÞ tr­êng thÕ giíi. Ph­¬ng ph¸p lß ng­êi ta ph©n ra lµm hai ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt ®ã lµ : a-Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß khÝ. b-Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß láng. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß nãi chung lµ sù ®èt ch¸y kh«ng hoµn toµn khÝ thiªn nhiªn hay dÇu nÆng trong lß chÞu nhiÖt a -Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß khÝ [258-2]. Nguyªn liÖu ®Çu lµ khÝ thiªn nhiªn nhiÖt ®é lµ 12000C thiÕt bÞ gåm : ®Çu ®èt, lß, thiÕt bÞ lµm l¹nh, hÖ thèng thu håi than. CÊu t¹o lß cã thÓ lµ h×nh ch÷ nhËt hay h×nh trô ®­îc ®Æt n»m ngang. - NÕu lµ h×nh ch÷ nhËt cã kÝch th­íc lµ 1m x 2,5m x 3,6m. - NÕu lµ h×nh trô cã ®­êng kÝnh lµ 1,4m, chiÒu dµi lµ 8m dïng 6 ®Çu ®èt (Burner) trong mét lß. Trong mét d©y chuyÒn s¶n xuÊt th­êng cã 3-5 lß. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt phô thuéc vµo tû lÖ gi÷a kh«ng khÝ vµ khÝ thiªn nhiªn ®­îc ®èt ch¸y ph¹m vi lµ 4-6, phô thuéc vµo yªu cÇu cña tõng lo¹i than, t¨ng l­îng kh«ng khÝ th× t¨ng nhiÖt ®é lß, gi¶m hiÖu suÊt vµ kÝch th­íc h¹t hay ng­îc l¹i. HiÖu suÊt ®èi víi ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy ®¹t 30-40% ®­êng kÝnh trung b×nh cña h¹t lµ 50-87nm, cã ba lo¹i than ®­îc s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p ®ã lµ lo¹i SRF, HMF, FF ba lo¹i nµy cã tÝnh chÊt kh¸c nhau vµ c«ng dông kh¸c nhau. D©y chuyÒn s¶n xuÊt lß khÝ ®­îc biÓu diÔn ë h×nh 3. b-Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß láng. Nguyªn liÖu ®Çu lµ nh÷ng Hydro C¸cbon láng (dÇu nÆng, nhùa than ®¸...). NhiÖt ®é lµ 1200-16000.C. CÊu t¹o gåm: ®Çu ®èt, lß, thiÕt bÞ lµm l¹nh, hÖ thèng thu håi than. Lß ®­îc kÕt cÊu b»ng nh÷ng kim lo¹i chÞu nhiÖt chÞu va ®Ëp ®èi víi lo¹i lß nµy cã rÊt nhiÒu kiÓu chiÒu dµi trong kho¶ng 1,4-4 m, ®­êng kÝnh 1,5-8m. HiÖu suÊt ®¹t ®­îc víi ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt lß láng 45-80%, ®­êng kÝnh h¹t 14-90nm. Ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy s¶n xuÊt ra rÊt nhiÒu lo¹i than kh¸c nhau c¶ vÒ tÝnh chÊt vµ c«ng dông bao gåm c¸c lo¹i than : GPF, FEF, HAF, HAF –HS, HAF-LS, ISAF, SAF, CF... Tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt ra tõ ph­¬ng ph¸p lß láng cã thÓ chiÕm tíi 70% tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh cña Mü s¶n xuÊt ra thÞ tr­êng thÕ giíi. Ph­¬ng ph¸p nµy rÊt th«ng dông c¶ vÒ nguyªn liÖu ®Çu lÉn vËn hµnh s¶n xuÊt nªn kh«ng nh÷ng ë Mü ¸p dông ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt nµy mµ cßn ë c¸c n­íc ph­¬ng t©y, c¸c n­íc Ch©u ¸ (NhËt b¶n). B¶ng 3 - tãm t¾t cña ba ph­¬ng ph¸p s¶n xuÊt than ho¹t tÝnh. Quy tr×nh N¨m ho¹t ®éng Nguyªn liÖu ®Çu Ph­¬ng ph¸p NhiÖt ®é 0C HsuÊt % S¶n phÈm Than m¸ng 1915 KhÝ thiªn nhiªn NhiÒu ngän löa va ch¹m ®Õn bÕ mÆt lµm l¹nh 1100 0,5-5% KÝch th­íc h¹t nhá 9-30nm,cÊu tróc nhá, «xy ho¸ cao, sö lý chËm trong gia c«ng cao su. NhiÖt ph©n 1922 KhÝ thiªn nhiªn NhiÖt ph©n ly, ®­¬c cÊp nhiÖt 1300 40-50% KÝch th­êc h¹t lín 120-500nm cÊu tróc nhá. KhÝ lß 1922 KhÝ thiªn nhiªn Ch¸y mét ph©n trong lß chÞu nhiÖt 1200 30-40% KÝch th­íc h¹t trung b×nh 50-87nm, cÊu tróc nhá. Lß láng 1943 DÇu má, nhùa than ®¸ Ch¸y mét phÇn trong lß chÞu nhiÖt 1200-1600 45-80% CÊu tróc h¹t lín, kÝch th­íc h¹t 14-90nm II-/ S¶n l­îng [162-1]. N¨m 1900 tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh ë Mü lµ 2700 tÊn. N¨m 1962 tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh ë Mü lµ 900.000 tÊn n¨m 1982 tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh ë Mü lµ h¬n 2.000.000 tÊn. Ngµy nay ë Mü s¶n xuÊt chñ yÕu ba ph­¬ng ph¸p chÝnh ®É nãi ë trªn. TÝnh ®Õn ngµy 01-01-1965 s¶n l­îng c¸c lo¹i than s¶n xuÊt ë Mü vµ mét sè n­íc ph­¬ng t©y kh¸c cã sè liÖu sau : B¶ng 4 - S¶n l­îng c¸c lo¹i than ®­îc s¶n xuÊt ë Mü (tÊn). H·ng s¶n xuÊt Than Lß láng Lß khÝ M¸ng NhiÖt ph©n S HuberCopporation 8800 19000 4000 111000 Columbian Carbon Co 202000 34000 11000 247000 Cabot Corporation 109000 20000 129000 Richardson Carbon Co 181000 50000 16000 57000 304000 Thermatomic Carbon Co 23000 27000 50000 Phillips petroleum Co 159000 159000 United Carbon Co 184000 36000 14000 234000 S 946000 159000 72000 112000 1289000 B¶ng 5 - Than ho¹t tÝnh s¶n xuÊt ë Mü. N¨m Than Lß M¸ng NhiÖt ph©n Tæng S¶n l­îng %S S¶n l­îng %S S¶n l­îng %S 1952 955905 60 56359 35 84600 5 1604102 1954 927811 66 378741 27 102995 7 1409547 1956 1331045 72 363672 20 145251 8 1839968 1958 1192165 73 324743 20 127697 7 1644605 1960 1610459 79 292355 14 149433 7 2052247 1961 1567378 80 251762 13 145495 7 1964635 1962 1677088 81 207438 11 171938 8 2056464 B¶ng 6 - S¶n l­îng than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt ë mét sã n­íc t­ b¶n ph¸t triÓn. N­íc s¶n xuÊt Than ho¹t tÝnh Lß láng Lß khÝ M¸ng NhiÖt ph©n S Liªn hiÖp Anh 156000 2000 158000 Hµ Lan 55000 55000 ý 82000 1000 83000 Canada 68000 68000 Ph¸p 122000 122000 Céng hoµ liªn bang §øc 45000 7000 14000 66000 NhËt b¶n 105000 13000 2000 13000 133000 S 633000 21000 16000 15000 685000 PhÇn 4 Ph©n lo¹i vµ øng dông than ho¹t tÝnh. I-/ Ph©n lo¹i : Tªn cña c¸c lo¹i than kh¸c nhau ®· ph¸t triÓn nhiÒu n¨m cïng víi nã kh«ng dùa theo mét l« gÝc nµo c¸c nhµ s¶n xuÊt ®· tuú ý ®­a ra nh÷ng s¶n phÈm míi vµ tªn míi, còng nh­ tªn th­¬ng m¹i. HÖ thèng cña c¸c lo¹i tªn ®­a ra ë cét thø 2 ë b¶ng d­íi lu«n dµi dßng cïng víi nã liªn tôc phÊt triÓn ra c¸c lo¹i than míi, ®Õn b©y giê kh«ng thÓ ®­a ra c¸c lo¹i tªn tuú ý ®­îc. V× thÕ, vµo n¨m 1967 mét hÖ thèng tªn ®· ®­îc ra ®êi ë Mü (tiªu chuÈn cña Mü lµ ASTMD1765) ®· ®­îc phæ biÓn réng r·i trªn thÕ giíi. Vµo n¨m 1980 tæ chøc tiªu chuÈn quèc tÕ ISO còng ®· c«ng nhËn tiªu chuÈn cña Mý. HÖ thèng ASTM bao gåm mét ch÷ c¸i theo sau nã lµ ba ch÷ sè. Ch÷ c¸i cho biÕt tèc ®é xö lý theo thø tù : N tèc ®é sö lý trung b×nh. S lµ tèc ®é sö lý chËm. §èi víi ch÷ sè th× sè ®Çu tiªn ®Æc tr­ng cho diÖn tÝch bÒ mÆt cña than ho¹t tÝnh ®­îc ®o b»ng qu¸ tr×nh hÊp phô I2. VÝ dô 1=SAF, 2 = ISAF, 3 = HAF. Hai ch÷ sè cßn l¹i lùa chän tuú tiÖn nh­ng ¸p dông theo mét quy t¾c. Trong tr­êng hîp ®èi víi than ho¹t tÝnh cïng víi mét møc ®é tiªu chuÈn vÇ cÊu tróc ch÷ sè thø hai lu«n lÆp l¹i ch÷ sè thø nhÊt vµ ch÷ sè cuèi cïng lµ sè 0. VÝ dô SAF = N110 vµ ISAF = N220. II-/ øng dông Trong kho¶ng 90-95 % tæng s¶n l­îng than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt ra ®Ó dïng lµm chÊt ®én cho c«ng nghiÖp s¶n xuÊt cao su, gÇn 80% than ho¹t tÝnh ®­îc dïng cho s¶n xuÊt s¨m lèp xe, vµ 10-15% dïng ®Ó s¶n xuÊt c¸c lo¹i vËt liÖu cao su c¬ häc cßn l¹i 5% dïng lµm chÊt ®én cho c¸c ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c, vÝ dô: ngµnh c«ng nghiÖp giÊy, ngµnh s¶n xuÊt chÊt dÎo. ..v.v.. kÕt luËn Qua qu¸ tr×nh nghiªn cøu vÒ than ho¹t tÝnh thÊy ®­îc than ho¹t tÝnh kü thuËtlµ mét lo¹i chÊt ®én v« cïng quan träng trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt cao su (s¨m lèp, ®Õ giÊy...) sù cã mÆt cña than ho¹t tÝnh trong hîp phÇn cao su víi hµm l­îng cÇn thiÕt lµm t¨ng c¸c tÝnh chÊt c¬ lý:giíi h¹n bÒn kÐo ®øt, xÐ r¸ch, kh¶ n¨ng chèng mµi mßn....nãi chung c¸c tÝnh n¨ng kü thuËt cña vËt liÖu cao su ®Òu t¨ng, nh­ng ®iÒu ®ã nãi lªn ta ph¶i lùa chän lo¹i than thÝch hîp, ng­îc l¹i kh«ng nh÷ng t¨ng mµ cßn bÞ gi¶m tÝnh chÊt c¬ lý g©y ¶nh h­ëng xÊu h¬n khi sö dông vËt liÖu cao su. Mµ trªn thÞ tr­êng th× cã rÊt nhiÒu lo¹i than ho¹t tÝnh khi ¸p dông lµm chÊt ®én ®Ó s¶n xuÊt s¨m lèp xe m¸y, xe ®¹p...th× cÇn ph¶i nghiªn cøu vµ lùa chän lo¹i than thÝch hîp nhÊt ®Ó cã ®­îc tÝnh chÊt c¬ lý tèi ­u nhÊt vµ gi¸ thµnh phï hîp nhÊt víi thÞ tr­êng ViÖt nam.  tµi liÖu tham kh¶o pts Ng« Phó Trï kü thuËt chÕ biÕn vµ gia c«ng cao su tr­êng §HBK HN 95 Kirk-Othmer Encyclopedia of chemical Technology Second edition – vol4 Copyright 1964 by John Wily Printed in the USA Rubbet technology and manufacture second edited edited by CM blow. ...(1982) Ull mann’s encyclopedia of industrial Chemistry - vol A5 excutive Editor:Wolfgang Gerhartz.... D 6940 –Weiheim Federal Rupblic of Germany 1986môC LôC Lo¹i than vµ c«ng dông Tªn th­¬ng m¹i c¸c lo¹i than ho¹t tÝnh ®­îc s¶n xuÊt ë c¸c h·ng ë Mü Huber Columbian Contenital Carbot Richardson Thermatomic Philips United Than lß cho mäi c«ng dông APF Velvetecs Sterling 105 Than lß tõ nguyªn liÖu láng -T¨ng kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn CF AromecsCF Statec125H Continec CF Vulcan C United CF -T¨ng tÝnh c«ng nghÖ EPF StatecM Fiblec 55 -Th«ng dông GPF ArovelPEF StatecM ContinecPEF SterlingV Fiblec A United 50PEF -T¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mßn cho cao su l­u ho¸ HAF AsomecHAF StatecR Continec HAF Vucan 6 Texas HAF Fiblec 1 United 60HAF T¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mãn rÊt tèt ISAF AsomecISAF Statec125 ContinecISAF Vulcan3 Texas ISAF Fiblec 0 United 70ISAF -§é bÒn kÕt cÊu cao H-ISAF Statec125H Rig 600 §é bÕn kÕt cÊu thÊp LS-ISAF Neotec130 -Chèng mµi mßn siªu cao SAF AsomecSAF Statec160 Vunlean9 -DÉn ®iÖn cùc tèt SCF CondactexSC Vulcan SCo Than ®­îc s¶n xuÊt b»ng ph­¬ng ph¸p m¸ng Micronexw6 -T¨ng tÝnh c«ng nghÖ EPC Uax EPC Micronex Sferon 6 -C¸n tr¸ng kh¸ tèt MPC Errow MPC Sferon CN -DÉn ®iÖn tèt StatecB Sferon 1 Than lß tõ khÝ Statec93 Rig 99 -Ph©n tµn nhá FF FurnexH -Modun cao HMF Surper HMF ContinecHMF -B¸n t¨ng c­êng SRF Esex SRF Continec SRF-SRF-LM;NM Than nhiÖt ph©n -Cùc min FT R-33 -Møc ®é ph©n t¸n trung b×nh MT TerMAX-S