Nghiên cứu điều chế vải than hoạt tính từ sợi Visco Việt Nam tẩm phụ gia Axit H3PO4 - Bùi Văn Tài

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 131 Nghiên cứu điều chế vải than hoạt tính từ sợi visco việt nam tẩm phụ gia axit h3po4 Bùi Văn Tài, Nguyễn Hùng Phong, trần văn chung Tóm tắt: Bài báo này mô tả kết quả nghiên cứu điều chế vải than hoạt tính từ vải visco Việt Nam tẩm axit h3po4. Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng là: phương pháp đo dung lượng hấp phụ hơi benzen, phương pháp xác định diện tích bề mặt, phương phá đo độ bền kéo đứt. Kết quả thấy rằng độ bền kéo đứt của vải than hoạt tính phụ thuộc vào hàm lượng chất tẩm, thời gian hoạt hóa và nhiệt độ hoạt hóa. Khi hoạt hóa ở nhiệt độ 670oC, thời gian 50 phút, nồng độ axit H3PO4 10% diện tích bề mặt đạt 840 m2/g, dung lượng hấp phụ hơi benzen đạt 4,66 milimol/g, độ bền đạt 77-54 N theo chiều dọc- ngang. Từ khóa: Than hoạt tính, Vải than hoạt tính, Vải cacbon hoạt tính 1. mở đầu Hiện nay, than hoạt tính đã được sử dụng bao gồm có ba dạng là: than hoạt tính dạng hạt, than hoạt tính dạng bột và than hoạt tính dạng vải sợi [4]. Than hoạt tính dạng vải (hay còn có tên gọi khác là vải cacbon hoạt tính hoặc vải than hoạt tính) là sản phẩm thuộc thế hệ thứ 3 của than hoạt tính, mới được bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 60 của thế kỷ 20 đến nay. Vải than hoạt tính có nhiều ưu điểm hơn so với than hoạt tính dạng hạt và dạng bột như: khả năng hấp phụ cao, tốc độ hấp phụ lớn, mức độ cản trở của dòng khí đi qua lớp vật liệu nhỏ, độ bền cơ lý cao, nhẹ và mềm mại. Do vậy, chất hấp phụ vải than hoạt tính đã được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, bảo hộ lao động, công nghiệp và xử lý môi trường...[1,2] Vải than hoạt tính được chế tạo từ các nguyên liệu vải dệt như: sợi hữu cơ, sợi tơ tự nhiên hoặc sợi tổng hợp (sợi xenlulo, sợi polyacrynonitril, sợi visco.v.v). Công nghệ chế tạo sợi vải than hoạt tính có các giai đoạn như: chuyển hóa sợi hữu cơ thành sợi than hóa, sau đó hoạt hóa ở nhiệt độ cao với tác nhân hoạt hóa là hơi nước hoặc CO2. Ngoài ra người ta còn có thể sử dụng tác nhân hoạt hóa khác như dùng phụ gia hóa chất tẩm phủ lên bề mặt vải nguyên liệu để hoạt hóa. Các loại phụ gia hóa chất thường là: H3PO4; Na2HPO4; H3PO4; (NH4)2HPO4; ZnCl2; CuCl2 ; AlCl3; FeCl3 ; polyphotphat ure... Các nước công nghiệp phát triển có rất nhiều các công nghệ chế tạo vải than hoạt tính khác nhau. Vải sợi được sử dụng nhiều nhất là sợi PAN và sợi visco, phụ gia sử dụng là H3PO4, ZnCl2, Na2HPO4 [3, 4]. ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu chế tạo, ứng dụng vải than hoạt tính chưa được quan tâm; nguyên liệu vải sợi visco sẵn có rẻ tiền có thể đáp ứng nguồn nguyên liệu để chế tạo vải than hoạt tính lượng lớn. Trong bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo vải than hoạt tính từ vải visco Việt Nam. 2. PHần thực nghiệm 2.1. Nguyên liệu, thiết bị 2.1.1 Nguyên liệu Hóa học & Kỹ thuật môi trường B.V.Tài, N.H.Phong, T.V. Chung, “ Nghiờn cứu điều chế vải than phụ gia axit H3PO4” 132 - Nước cất 1 lần. - Axit H3PO4, Trung Quốc, Pa. - Sợi vải visco, Việt Nam. 2.1.2. Thiết bị - Cân hấp phụ động McBell: Xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ hơi C6H6, xác định diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ bé, thể tích lỗ trung. - Thiết bị Accupic 1330 (Micromeritics, Mỹ): Xác định khối lượng riêng thực d theo phương pháp nạp He. - Thiết bị GeoPyc1360 - Micromeritics (Mỹ): Xác định khối lượng riêng biểu kiến theo phương pháp nạp dryflo. - Thiết bị đo độ bền kéo đứt vạn năng Cole Parmer - 492KRC 1000 (Mỹ): Xác định độ bền kéo đứt của vải theo tiêu chuẩn TCVN 1754-86. - Thiết bị lò quay: giải nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 1000oC, sai số  20oC, điều chỉnh tốc độ quay vô cấp. - Cân phân tích, từ 0 - 200 g, sai số  0,0001g. 2.2. Phương pháp điều chế vải than hoạt tính - Điều chế vải than hoạt tính theo sơ đồ sau: - Mẫu vải visco nguyên liệu được dệt từ sợi visco bằng phương pháp dệt thoi, mật độ sợi 120 sợi ngang/10cm và 80 sợi dọc/10 cm. Cắt mẫu vải kích thước 20-50 cm, giặt sạch bằng nước xà phòng, rửa sạch bằng nước cất, phơi khô tự nhiên, sấy khô ở 120oC trong 3h đến khối lượng không đổi. - Ngâm mẫu vải vào trong dung dịch phụ gia tẩm, nhiệt độ ngâm tẩm trong khoảng 60oC-80oC, thời gian từ 60-90 phút, sau đó phơi khô tự nhiên, sấy ở 120oC trong 3 giờ (sấy đến khối lượng không đổi). - Đưa vải đã tẩm phụ gia vào lò quay, than hóa ở nhiệt độ 230oC trong 4 giờ môi trường không khí, tốc độ lò quay 10 vòng/phút. - Hoạt hóa: + Môi trường hoạt hóa là khí trơ. + Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phụ gia tẩm axít H3PO4 đến quá trình hoạt hóa vải than hoạt tính với điều kiện hoạt hóa được chọn là: Nhiệt độ hoạt hóa 700oC; thời gian hoạt hóa là 60 phút; nồng độ phụ gia tẩm axít H3PO4 là 5%; 7%; 9%; 11%; 13%, 15%. + Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hoạt hóa vải than hoạt tính với điều kiện hoạt hóa được chọn là: nhiệt độ hoạt hóa 700oC; nồng độ phụ gia tẩm H3PO4 11%; thời gian hoạt hóa là 20, 40, 60, 80 phút . Xử lý nguyên liệu Sấy khô KCS và bao gói Tẩm hóa chất Than hóa Hoạt hóa Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 133 + Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hoạt hóa vải than hoạt tính với điều kiện hoạt hóa được chọn là: Nồng độ phụ gia tẩm H3PO4 11%; thời gian hoạt hóa là 80 phút; nhiệt độ hoạt hóa 600, 650, 700, 750, 800oC. 3. KếT QUả Và THảO LUậN 3.1. ảnh hưởng của các yếu tố tới chất lượng vải than hoạt tính 3.1.1. Nồng độ hóa chất tẩm H3PO4 tới chất lượng vải than hoạt tính Kết quả thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hóa chất tẩm H3PO4 tới chất lượng vải than hoạt tính được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1 ảnh hưởng của nồng độ phụ gia tẩm đến chất lượng vải than hoạt tính (nhiệt độ hoạt hóa 700oC; thời gian hoạt hóa 60 phút). TT Nồng độ phụ gia % Dung lượng hấp phụ hơi benzen, P/Po=0,99; mM/g Độ bền, N dọc- ngang 1 5 2,86 92 - 65 2 7 3,38 89 - 61 3 9 3,91 85 - 58 4 11 4,35 81 - 54 5 13 4,94 52 - 31 6 15 4,98 30 - 19 Số liệu bảng 1 được thể hiện ở đồ thị hình 1. Hình 1. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ hơi benzen và độ bền của sợi vải than hoạt tính vào nồng độ phụ gia tẩm. Trên hình 1 thấy rằng, nồng độ dung dịch phụ gia tẩm có ảnh hưởng tới dung lượng hấp phụ hơi benzen và độ bền của vải than hoạt tính. Khi nồng độ dung Nồng độ phụ gia, % a (mM/g) Độ bền, N 4 6 8 10 12 14 16 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 20 40 60 80 100 120 (a) (b) Hóa học & Kỹ thuật môi trường B.V.Tài, N.H.Phong, T.V. Chung, “ Nghiờn cứu điều chế vải than phụ gia axit H3PO4” 134 dịch tẩm phụ gia tăng thì dung lượng hấp phụ hơi benzen tăng, do hàm lượng chất tẩm axit H3PO4 trên bề mặt vải sợi visco tăng lên, hiệu suất phản ứng giữa chất tẩm axit H3PO4 và các nguyên tử cacbon trên bề mặt tăng tạo ra nhiều lỗ xốp. Dung lượng hấp phụ hơi benzen tăng thì độ bền kéo đứt của vải giảm do sợi vải than hoạt tính có nhiều lỗ xốp. Trong ứng dụng thực tế của vải than hoạt tính, dung lượng hấp phụ càng cao thì khả năng sử dụng của vải than hoạt tính càng tốt. Tuy nhiên, việc ứng dụng vải than hoạt tính để may khẩu trang, quần áo hấp phụ lọc các chất hữu cơ có liên quan tới độ bền, độ bền càng cao càng tốt. Do vậy, để chọn điều kiện chế tạo mẫu vải than hoạt tính có dung lượng hấp phụ hơi benzen cao tương đương với mẫu của Nga và độ bền kéo đứt không quá thấp thì chọn nồng độ dung dịch phụ gia tẩm tối ưu cho các khảo sát tiếp theo là 10%. 3.1.2. Thời gian hoạt hóa tới chất lượng vải than hoạt tính Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến dung lượng hấp phụ hơi benzen và độ bền được thể hiện trong bảng 2. Bảng 2 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến chất lượng vải than hoạt tính (nhiệt độ hoạt hóa 700oC; nồng độ chất tẩm H3PO4 10%). TT Thời gian, phút Dung lượng hấp phụ hơi benzen, P/Po=0,99; mM/g Độ bền, N dọc - ngang 1 20 2,59 95-67 2 40 3,36 87-62 3 60 4,25 80-53 4 80 4,67 79-51 Số liệu bảng 2 được thể hiện ở đồ thị hình 2. Hình 2. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ hơi benzen và độ bền của sợi vải than hoạt tính vào thời gian hoạt hóa. a (mM/g) Độ bền, N Thời gian, phỳt 2 0 30 40 50 6 0 70 80 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 (b ) (a ) 76 80 84 88 92 96 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 135 Kết quả trên hình 2 cho thấy, thời gian hoạt hóa có ảnh hưởng đến chất lượng vải than hoạt tính. Thời gian hoạt hóa tăng thì dung lượng hấp phụ tăng và độ bền cơ lý giảm, thời gian hoạt hóa kéo dài 80 phút thì dung lượng hấp phụ cao nhất. Dung lượng hấp phụ hơi benzen tỷ lệ nghịch với độ bền của sợi vải than hoạt tính. Dung lượng hấp phụ hơi benzen tăng do hiệu suất hoạt hóa tăng. Các kết quả thí nghiệm thấy rằng thời gian hoạt hóa 50 phút dung lượng hấp phụ hơi benzen cao và độ bền của vải than hoạt tính không quá thấp. Do vậy, chọn thời gian hoạt hóa 50 phút cho các khảo sát tiếp theo. 3.1.3. Nhiệt độ đến chất lượng vải than hoạt tính Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa đến dung lượng hấp phụ hơi benzen và độ bền của vải than hoạt tính, kết quả được thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa đến chất lượng vải than hoạt tính (nồng độ chất tẩm H3PO4 10%; thời gian hoạt hóa 50 phút). TT Nhiệt độ, oC Dung lượng hấp phụ hơi benzen, P/Po=0,99; mM/g Độ bền, N dọc - ngang 1 600 3,24 96-71 2 650 4,56 92-65 3 700 4,67 79-51 4 750 5,18 50-37 5 800 5,37 39-25 Số liệu bảng 3 được thể hiện ở đồ thị hình 3. Hình 3. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ hơi benzen và độ bền của sợi vải than hoạt tính vào nhiệt độ hoạt hóa Nhiệt độ hoạt hóa có ảnh hưởng đến chất lượng vải than hoạt tính. Nhiệt độ hoạt hóa tăng, dung lượng hấp phụ hơi benzen tăng do tốc độ phản ứng hoạt hóa giữa H3PO4 và các nguyên tử cacbon tăng tạo ra nhiều lỗ xốp trong vải than hoạt tính. Nhiệt độ hoạt hóa a (mM/g) Độ bền, N Nhiệt độ, oC 600 650 700 750 800 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 D u ng lu on g h a p p hu h oi B en ze n ( m M /g ) N hiet do hoa t hoa 40 60 80 100 120 (b) (a) D o b e n Hóa học & Kỹ thuật môi trường B.V.Tài, N.H.Phong, T.V. Chung, “ Nghiờn cứu điều chế vải than phụ gia axit H3PO4” 136 tăng dung lượng hấp phụ tăng, độ bền cơ lý giảm. Do vậy, để chọn mẫu có dung lượng hấp phụ và độ bền cơ lý không quá thấp thì nhiệt độ hoạt hóa tối ưu được chọn là 670oC. Nhận xét chung: Từ các kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng vải than hoạt tính trong mục 3.1. Chọn được điều kiện tối ưu để chế tạo vải than hoạt tính có chất lượng tốt, có thể ứng dụng trong thực tế: - Nồng độ phụ gia tẩm H3PO4 là: 10%. - Thời gian hoạt hóa là: 50 phút. - Nhiệt độ hoạt hóa 670oC. 3.2. Điều chế và đánh giá chất lượng vải than hoạt tính Vải than hoạt tính được điều chế theo quy trình đã được xác lập ở mục 3.1 với điều kiện là: - Nồng độ phụ gia tẩm H3PO4 là: 10%. - Than hóa ở nhiệt độ 230oC trong 4 giờ môi trường không khí, tốc độ lò quay 10 vòng/phút. - Hoạt hóa: thời gian 50 phỳt, nhiệt độ 670oC, trong môi trường khí trơ. Đánh giá các chỉ tiêu tính chất của vải than hoạt tính chế tạo. Kết quả đo đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ hơi benzen với mẫu vải than hoạt tính trên cân McBell trên hình 4. 0 1 2 3 4 5 6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P/P0 a ( m m lo /g ) Hấp phụ giảI hấp phụ Mẫu vải cacbon hoạt tớnh y = 0.2865x + 0.0002 R2 = 0.9988 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 P/Po (P /P o )/ { a (1 -P /P o )} Hình 4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ với hơi benzen trên vải than hoạt tính ở tO= 25OC (a) và đồ thị đường BET (b). Kết quả trên hình 4, cho thấy: - Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ hơi C6H6 tăng nhanh đến mức gần như dựng đứng ở vùng áp suất từ 0  0,175, tăng chậm ở vùng áp suất từ 0,175  0,99 điều đó chứng tỏ mẫu vải than hoạt tính có hệ lỗ nhỏ phát triển nhiều hơn lỗ trung. a b Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 137 - Dung lượng hấp phụ hơi benzen cực đại tại P/Ps=0,99 là as= 4,66 mmol/g. - Dung lượng hấp phụ hơi benzen tại điểm xảy ra ngưng tụ mao quản là a0 = 3,74 mmol/g. + Thể tích lỗ nhỏ là: vn = 0,3327 cm 3/gam. + Thể tích lỗ trung là: vtr = 0,084 cm 3/gam. + Diện tích bề mặt theo BET là: S = 840,3 m2/g. Kết quả đo các thông số kỹ thuật của vải than hoạt tính chế tạo được theo quy trình đã xác lập và mẫu vải than hoạt tính của Nga thể hiện trong bảng 4. Bảng 4. Một số thông số kỹ thuật của vải than hoạt tính. TT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị đo Mẫu chế tạo Mẫu của Nga 1 Khối lượng riêng thực g/cm3 2,101 - 2 Khối lượng riêng biểu kiến g/cm3 0,745 - 3 Tổng thể tích lỗ cm3/g 0,866 - 4 Thể tích lỗ bé cm3/g 0,3327 0,28 5 Thể tích lỗ trung cm3/g 0,0840 0,11 6 Thể tích lỗ lớn cm3/g 0,4493 - 7 Dung lượng hấp phụ cực đại với hơi benzen mM/g 4,66 4,38 8 Bề mặt riêng BET m2/g 840,3 761 9 Độ bền kộo đứt, (dọc - ngang) N 77 - 54 - Kết quả trên bảng 4 thấy rằng: Mẫu vải than hoạt tính được chế tạo từ vải sợi visco Việt Nam được tẩm axit H3PO4 có diện tích bề mặt, thể tích lỗ nhỏ, thể tích lỗ trung tương đương với mẫu vải than hoạt tính của Nga. Mẫu vải than hoạt tính chế tạo hoàn toàn có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ và vật liệu mang tẩm phụ gia xúc tác sử dụng trong thực tế. 4. kết luận 1. Đã nghiên cứu xác lập quy trình chế tạo vải than hoạt tính từ sợi visco Việt Nam được tẩm phụ gia axit H3PO4. 2. Đã xác lập điều kiện để chế tạo mẫu vải than hoạt tính có chất lượng tốt là: - Nồng độ phụ gia H3PO4 là: 10%. - Thời gian hoạt hóa là: 50 phút. - Nhiệt độ hoạt hóa là: 670oC. 3. Vải than hoạt tính được chế tạo từ vải sợi visco Việt Nam tẩm axit H3PO4 có diện tích bề mặt và độ bền cao; hoàn toàn có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ và vật liệu mang tẩm phụ gia xúc tác sử dụng trong thực tế. Hóa học & Kỹ thuật môi trường B.V.Tài, N.H.Phong, T.V. Chung, “ Nghiờn cứu điều chế vải than phụ gia axit H3PO4” 138 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hùng Phong, Lê Xuân Tuấn, Bùi Văn Tài, “Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cacbon”, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Hóa học toàn quốc lần IV (2003) tr. 81-87. [2] Fukuda et al (1976), “Process for the preparation of carbon fibers”; Patent US 3969268, p1-12 . [3]. Surendra Bhati et al, “Study on effect of chemical impregnation on the surface and porous characteristics of activated carbon fabric prepared from viscose rayon”, Carbon Letters Vol. 15, No. 1, (2014), p.45-49. [4]. Mekala Bikshapathi, “Preparation of Activated Carbon Fibers from Cost Effective Commercial Textile Grade Acrylic Fibers” Carbon Letters Vol. 12, No.1 March 2011 pp.44-47. abstract Study on the activated carbon fibers is made by Viet Nam viscose fibers impregnated H3PO4 acid This paper describes research results prepared activated carbon cloth from Viet Nam viscose cloth was impregnated by acid H3PO4. The research methods used: measurement of the benzene vapor adsorption capacity, the strength measurement. The results show that the tensile strength of activated carbon cloth depends on the wetting agent concentration, activation time and activation temperature. When activated at a temperature of 670°C, time 50 minutes, H3PO4 acid concentrations from 10% reaches the surface area of 840 m2/g, benzene vapor adsorption capacity reached 4.66 milimol/g, strength 77-54 N vertical-horizontal. Keywords: Activated carbon, Activated carbon fabric, Activated carbon fiber. Nhận bài ngày 27 tháng 08 năm 2014 Hoàn thiện ngày 15 tháng 09 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 02 tháng 10 năm 2014 Địa chỉ: Viện Hóa học - Vật liệu, 17 Hoàng Sâm - Nghĩa Đô - Cầu Giấy – Hà nội.