Tiềm năng than hoạt tính từ vỏ trấu

Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình, một phần nhỏ ở dạng tinh thể graphit. Ngoài cacbon, trong than hoạt tính còn có tro (xỉ) mà chủ yếu là các oxit kim loại kiềm và silic. 

Đặc tính của vật liệu than hoạt tính

Than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng lớn từ vài trăm đến hàng nghìn mét vuông trên gram, có nghĩa với 1 gram than hoạt tính thì diện tích có khả năng tiếp xúc của nó tương đương với một khoảnh sân vườn nhà đến một sân bóng đá cỡ lớn. Với bề mặt riêng lớn, hoạt tính của loại vật liệu này rất cao. Mặt khác đây là loại vật liệu không độc với con người và môi trường. Thực tế cho thấy, than hoạt tính được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, tuy nhiên tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính là rất lớn.

Ứng dụng của than hoạt tính trong cuộc sống

• Trong y học: than hoạt tính có thể được dùng để cứu chữa những bệnh nhân bị ngộ độc thức ăn. Than hoạt tính chất lượng cao còn có thể được dùng để lọc máu chữa trị đối với những trường hợp bị ngộ độc cấp.
• Trong công nghiệp hóa học: than hoạt tính được dùng làm chất xúc tác hoặc kết hợp với một lượng nhỏ chất xúc tác khác (khoảng vài % khối lượng) tạo ra những vật liệu vừa có khả năng hấp thụ vừa có tính oxy hóa những phân tử hữu cơ đã được hấp thụ trên bề mặt than hoạt tính.
• Trong công nghiệp mỹ phẩm: than hoạt tính được dùng trong việc sản xuất mặt nạ, kem dưỡng trắng da,..
• Trong kỹ thuật: than hoạt tính được dùng để lọc những khí độc hại và được ứng dụng trong việc chế tạo mặt nạ phòng độc, khẩu trang y tế hay đầu lọc thuốc lá,..
• Trong xử lý nước thải: than hoạt tính cũng được dùng phổ biến trong công nghệ xử lý nước như: loại tạp chất, khử trùng, khử độc, khử mùi,..
• Ứng dụng khác: than hoạt tính còn được dùng trong các loại mỹ phẩm, xà phòng đen, …

Nguyên liệu sản xuất than hoạt tính

Than hoạt tính có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: than bùn, than đá, sọ dừa, vỏ lạc, bã mía, than gỗ, than tre, … Tuy nhiên việc sử dụng những nguồn nguyên liệu này lại gặp những vấn đề như:

• Nguồn nguyên liệu hóa thạch như than bùn, than đá không phải là tài nguyên vô tận và sẽ cạn kiệt trong tương lai, bên cạnh đó việc sử dụng những nguyên liệu này sẽ tạo ra sản phẩm than hoạt tính có hàm lượng tro cao hạn chế về khả năng ứng dụng.
• Sản xuất than hoạt tính từ sọ dừa tuy có bề mặt riêng lớn và chất lượng cao nhưng sản lượng gáo dừa hàng năm cũng không thể đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ than hoạt tính ngày càng tăng. Ngoài ra, sọ dừa cũng đang ưu tiên được sử dụng trong ngành sản xuất đồ mỹ nghệ, đem lại lợi nhuận cao hơn.
• Việc sử dụng than củi sẽ kéo theo việc chặt phá rừng làm mất cân bằng hệ sinh thái và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên.

Ngày nay, các nhà khoa học đã tìm nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền hơn với tính năng cao.

Than hoạt tính chế tạo từ vỏ trấu

Với sản lượng lúa gạo thế giới đang có xu hướng tăng trong thời gian gần đây kéo theo đó là một lượng lớn vỏ trấu đang được tạo ra. Đây được xem là một nguồn nguyên liệu dồi dào không bao giờ cạn kiệt. Kết quả phân tích thành phần vỏ trấu cho thấy rằng: vỏ trấu chứa từ 13-15% SiO₂ và 18-20% C cố định còn lại là thành phần ẩm và các chất hữu cơ khác. Điều đó có nghĩa từ vỏ trấu chúng ta hoàn toàn có thể sản xuất được thạn hoạt tính. Vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra công nghệ sản xuất đem lại hiệu quả cao nhất với chi phí thấp nhất.

Quy trình chế tạo

Về cở bản công nghệ sản xuất than hoạt tính đều đi theo một cơ chế chung đó là: nguyên liệu đầu vào sẽ được xử lý nhiệt nhằm loại bỏ hết nước và những chất hữu cơ dễ bay hơi. Ở giai đoạn này, than đã có độ hoạt tính nhất định do nước và các chất hữu cơ dễ hóa hơi thoát ra để lại những khoảng trống trong cấu trúc của than. Ở giai đoạn tiếp theo, than được xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao hơn trong môi trường hơi nước, CO₂ (hoạt hóa vật lý) hoặc sử dụng các muối kim loại khác nhau như K₂CO₃, Na₂CO₃, H₃PO₄, .. (hoạt hóa hóa học) nhằm nâng cao hoạt tính cho than. Ở giai đoạn này những tác nhân hoạt hóa sẽ phản ứng với nguyên tử carbon theo những phản ứng như sau:

• C+CO₂ → 2CO
• M₂CO₃ → M₂O + CO₂ ( M là kim loại Na hoặc K,..)

Mỗi một nguyên tử C mất đi để lại một lỗ trống trong cấu trúc của than và  góp phần nâng cao hoạt tính của than. Ngoài ra, hoạt tính của than cũng phụ thuộc vào lượng tạp chất, cấu trúc của nguyên liệu đầu vào, …

Việc sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu gặp phải một vấn đề đó là trong vỏ trấu chứa một lượng lớn Silic đioxit (SiO₂) từ 12÷25% tùy thuộc vào trấu của từng vùng.  Silic đioxit là một tạp chất cần loại bỏ trong việc sản xuất than hoạt tính có độ sạch cao. Vì vậy cần phải tách được lượng  Silic đioxit này ra khỏi than trước khi thực hiện quá trình hoạt hóa.

Do Silic đioxit nằm phân tán ở các ụ trên bề mặt vỏ trấu cũng như nằm xen kẽ bên trong mạng lưới liên kết giữa cellulose, hemicellulose, và lignin. Để tách được SiO₂ với hiệu quả cao thì vỏ trấu cần phải được than hóa để phá vỡ những liên kết này cũng như loại bỏ hết các chất hữu cơ dễ phân hủy.

Than sau khi đã được xử lý nhiệt được đem đi tách Silic đioxit bằng phương pháp vật lý hoặc phương pháp hóa học. Thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp hóa học đem lại hiệu quả cao hơn phương pháp vật lý. Than sau khi tách SiO₂ có bề mặt riêng dao động khoảng 500m²/g hàm lượng C ≥ 80%.

Than đã tách SiO₂ được đem đi hoạt hóa bằng các phương pháp khác nhau. Phương pháp hoạt hóa bằng hơi nước cho phép tạo ra được than hoạt tính có bề mặt riêng trên 1000 m²/g và dễ thực hiện, song hiệu suất thu hồi than nhỏ (dưới 60%), không kinh tế. Trong khi đó, xử lý than bằng các muối carbonat kali hoặc natri cho phép thu được than hoạt tính có bề mặt riêng trên 800 m²/g.

Hiện nay nhóm đề tài do PGS. TS. Nguyễn Văn Tư chủ nhiệm đã chế tạo thành công than hoạt tính từ vỏ trấu. Than hoạt tính được cung cấp dưới 3 dạng: dạng hạt nguyên khai, dạng bột, dạng bột có cấu trúc xốp nano (NAC)