Nguyên tắc cơ bản của than hoạt tính hấp phụ tạp chất là gì?

Trong nhiều tài liệu, khi nhắc đến nguyên lý hoạt động của than hoạt tính đều chỉ ra rằng “than hoạt tính có số lượng lỗ chân lông lớn và có tác dụng hấp phụ”. Nếu quá trình hấp phụ tuân theo định luật cân bằng bình phương thì than hoạt tính sẽ hấp phụ nhiều sản phẩm hơn tạp chất. Vậy nguyên tắc cơ bản của than hoạt tính khi hấp phụ tạp chất là gì? Tài liệu này bổ sung nhưng thông tin hữu ích liên quan đến vấn đề này.

“Than hoạt tính” là từ dùng để chỉ tên chung của các chất cacbon hóa có khả năng hấp phụ. Sau khi hydrocacbon trải qua quá trình oxy hóa mạnh (thường được gọi là quá trình đốt cháy), phần lớn vật chất còn lại là cacbon. Các chất dễ bay hơi chiếm giữ hydrocacbon ban đầu đã bị đốt cháy do quá trình đốt cháy. Lúc này, các lỗ chân lông sơ bộ đã được hình thành. Sau khi vật liệu cacbon hóa sơ bộ được kích hoạt về mặt hóa học hoặc vật lý , số lượng và kích thước độ xốp của nó sẽ tăng lên rất nhiều. Chất hấp phụ khu vực này được gọi là than hoạt tính.

Than hoạt tính là tên chung của các chất cacbon có khả năng hấp phụ

Sau khi vật liệu cacbon hóa được kích hoạt, diện tích của các phân tử có thể hấp phụ sẽ tăng lên rất nhiều và đạt được hiệu quả hấp phụ. Nói chung, dù than hoạt tính được kích hoạt bằng phương pháp hóa học hay phương pháp vật lý thì cơ chế khử màu và khử mùi của nó có thể được coi là phản ứng vật lý. Một số phương pháp thêm các chất hóa học vào than hoạt tính, sử dụng độ xốp để lưu trữ các chất hóa học trước, sau đó sử dụng các chất bị hấp phụ để phản ứng với chúng khi chúng đi vào, đạt được sự khử màu và khử mùi chung của hấp phụ vật lý là sử dụng hỗn hợp các phân tử lớn và nhỏ với kích thước hạt cực nhỏ khác nhau để khóa các phân tử lớn trong lỗ chân lông, trong khi các phân tử nhỏ có thể di chuyển tự do giữa các lỗ chân lôngđể đạt được hiệu ứng tách.

Bề mặt của than hoạt tính về cơ bản là kỵ nước, nhưng có một số lượng lớn các nhóm chức C=O và COOH , dẫn đến tính ưa nước ở mức độ nhất định và chức năng hấp phụ chất hữu cơ. Bên trong có nhiều vi hạt mịn và phát triển tốt, do đó nó có khả năng loại bỏ chất hữu cơ tốt .vàocơ chế của than hoạt tính tổng hợp được sử dụng trong hệ thống nước siêu tinh khiết để loại bỏ sự hấp phụ của các chất hữu cơ, các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử dưới 1.000 trong nước có thể dễ dàng xâm nhập vào các vi lỗ của than hoạt tính và bị hấp phụ, trong khi các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử hơn 1.500 không thể xâm nhập tự do và khiến lỗ chân lông bị tắc nghẽn. Do đó, than hoạt tính không thể hấp phụ các chất hữu cơ ở mọi kích cỡ. Do đó, để tăng tốc độ hấp phụ của chất hữu cơ,cần phải xử lý trước các chất hữu cơ cao phân tử (chẳng hạn như lọc).

Trong hệ thống nước tinh khiết, than hoạt tính được sử dụng để chuyển hóa clo (𝐶𝑙2、𝐶𝑙𝑂−、𝑁𝐻2𝐶𝑙 ) có thể bị phân hủy hoặc trung hòa để loại bỏ các phân tử clo và ion trong nước máy.

Quá trình trung hòa clo tự do:

• 𝐶𝑙2+𝐻2𝑂+𝐶→2𝐻++2𝐶𝑙−+𝑂+𝐶
• 𝐶+𝑂→𝐶𝑂
• 𝐶𝑂+𝑂→𝐶𝑂2

Quá trình trung hòa amoni clorua :

• 2𝑁𝐻2𝐶𝑙+𝐻2𝑂+𝐶→𝑁𝐻3+𝐻++2𝐶𝑙−+𝐶𝑂
• 2𝑁𝐻2𝐶𝑙+𝐶𝑂→𝑁2+𝐻2𝑂+2𝐶𝑙−+𝐶
• 2𝑁𝐻𝐶𝑙2+𝐻2𝑂+𝐶→𝑁2+4𝐻++4𝐶𝑙−+𝐶𝑂

Than hoạt tính có thể trung hòa clo hoặc thuốc tẩy, nhưng có thể có sự phát triển của vi sinh vật trong lớp than hoạt tính, bột than phân hủy sẽ làm tăng các hạt và khả năng hấp phụ có giới hạn nhất định, nhưng than hoạt tính là vật liệu hấp phụ do có tính chất hấp phụ. giá của nó rẻ và một vật liệu rất hữu ích.

Sự hấp phụ của than hoạt tính tương tự như sự cân bằng phản ứng hóa học. Nhưng đừng quên rằng trong các hệ thống nhiều thành phần luôn có những phản ứng cạnh tranh. Cân bằng hóa học thực chất chỉ là bề ngoài, nguyên nhân cơ bản là do lực van der Waals. Số lượng vi lỗ tuyệt đối và tương đối trong than hoạt tính rất lớn, tạo ra diện tích bề mặt rất lớn, do đó tạo ra một nơi cho lực van der Waals hoạt động. Nói rộng hơn, tại giao diện rắn-lỏng, lực liên kết giữa các thành phần nhất định và giao diện than hoạt tính mạnh hơn và thế năng thấp hơn, do đó nồng độ tại giao diện cao hơn, do đó nồng độ của thành phần biến đổi trong chất lỏng.

Đặc tính hấp phụ của than hoạt tính mang đến hiệu quả cao trong xử lý nước, làm sạch không khí

Khi nói về trạng thái cân bằng hóa học, chúng ta phải hiểu nó từ góc độ động học phản ứng. Hai phản ứng dương và âm xảy ra cùng lúc khi tốc độ phản ứng bằng nhau. Nguyên tắc tương tự áp dụng cho trạng thái cân bằng hấp phụ của than hoạt tính. Sự hấp phụ và giải hấp bằng kính hiển vi xảy ra cùng một lúc. Tốc độ hấp phụ và giải hấp của các thành phần khác nhau là khác nhau. Tốc độ này phụ thuộc vào nhiều điều kiện và nồng độ của một thành phần nhất định trong pha lỏng (hoặc pha khí) và pha rắn than hoạt tính là biến số chính ảnh hưởng đến tốc độ hấp phụ và giải hấp tương ứng. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, người ta sẽ thấy một số thành phần có nhiều khả năng bị hấp phụ hơn, điều này có nghĩa là nồng độ trong pha rắn than hoạt tính cao hơn trong khi một số thành phần ít có khả năng bị hấp phụ hơn.

Do đó, về mặt vĩ mô, nó xuất hiện dưới dạng sự hấp phụ các sắc tố bằng than hoạt tính, chứ không phải là sự hấp phụ của sản phẩm chính. Tất nhiên, còn có sự hấp phụ của sản phẩm chính, trong trường hợp này, quá trình than hoạt tính là không phù hợp. Hoặc làm ngược lại, chẳng hạn, đầu tiên hấp phụ sản phẩm chính, sau đó thay đổi nhiệt độ, áp suất, độ pH và các yếu tố khác để giải hấp than hoạt tính gần với độ bão hòa hấp phụ để tạo ra sản phẩm chính.