Nghiên cứu ổn định công nghệ chế tạo và ứng dụng than hoạt tính từ vỏ trấu tại Việt Nam

Than hoạt tính là một loại vật liệu mà 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 xỉ mà chủ yếu là các oxit kim loại kiềm và silic. Than hoạt tính có bề mặt riêng lớn dao động từ vài trăm đến hàng nghìn mét vuông trên gram. Nhờ có hoạt tính cao, an toàn trong sử dụng, kết hợp với cấu trúc lỗ xốp, than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như 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; được dùng làm chất xúc tác hoặc kết hợp với một lượng nhỏ chất xúc tác khác 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; được dùng trong việc sản xuất mặt nạ, kem dưỡng trắng da,.. 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,.. ngoài ra, cũng được dùng phổ biến trong công nghệ xử lý nước như: loại tạp chất, khử trùng, khử độc, khử mùi,.. và dùng trong các loại mỹ phẩm, xà phòng đen.

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. Do vậy tìm được nguồn nguyên liệu thay thế để sản xuất than hoạt tính là một vấn đề cấp thiết hiện nay.

Nhằm nghiên cứu thiết bị và công nghệ than hóa trấu phù hợp với điều kiện Việt Nam: Xây dựng cơ sở khoa học kỹ thuật các quá trình đốt cháy thiếu oxy vỏ trấu để chế tạo than, thiết kế thiết bị và quy trình công nghệ xử lý để đạt năng suất cao, tỷ lệ thu hồi than lớn, dễ tách SiO2 khỏi than trấu, có cấu trúc thuận lợi cho quá trình hoạt tính hoá tiếp theo; Tách SiO2 ra khỏi than; Xây dựng công nghệ xử lý hoạt tính than: Thực nghiệm đánh giá mức độ hoạt tính thông qua bề mặt riêng (BET), tạo độ xốp để nâng cao hoạt tính, xác định công nghệ xử lý để nhận được mức độ hoạt tính khác nhau đáp ứng với mục đích sử dụng sản phẩm than sau này; Nghiên cứu khả năng áp dụng sản phẩm than hoạt tính: Ứng dụng than hoạt tính làm vật liệu lọc trong xử lý nước thải, nước ăn, làm chất hấp phụ trong khử mùi và các chất ô nhiễm... năm 2012, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Nguyễn Văn Tư, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ổn định công nghệ chế tạo và ứng dụng than hoạt tính từ vỏ trấu tại Việt Nam” với các nội dung chính gồm Tách SiO2 ra khỏi than; Xây dựng công nghệ xử lý hoạt tính than; Nghiên cứu khả năng áp dụng sản phẩm than hoạt tính.

Sau một thời gian triển khai nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành nhiệm vụ ký kết bao gồm các nội dung:

1. Về khảo sát sản lượng và đặc tính của trấu từ 3 miền lãnh thổ Việt Nam
Sản lượng thóc gạo, đi kèm với nó là trấu, tập trung chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long, việc thu gom và chế biến trấu thuận lợi hơn các vùng khác trên lãnh thổ Việt Nam; Đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng ven biển miền Trung tuy sản lượng thóc gạo thấp hơn, phân bố chủ yếu theo hộ gia đình nông dân, song việc tận dụng trấu để chế biến thành sản phẩm than sử dụng trong nước là rất cần thiết; Thời điểm khai thác trấu ở đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng ven biển miền Trung chủ yếu vào vụ mùa. Ở đồng bằng sông Cửu Long thóc gạo chủ yếu tập trung vào vụ Đông- Xuân và Hè-Thu;

Hạt trấu có chiều dài trung bình khoảng 8 - 10 mm, “đường kính” hạt căng phồng khoảng 2 - 3 mm và chiều dày vỏ trấu khoảng 0,15 đến 0,2 mm. Khả năng chế tạo than từ trấu, thành phần than thu được từ trấu 3 miền, trình bày trong bảng:

Trấu đồng bằng Bắc Bộ và trấu đồng bằng sông Cửu Long có thành phần, tỷ lệ than thu được và thành phần than trấu tương tự nhau;

2. Nghiên cứu quy trình chế tạo than từ trấu
- Đã xây dựng công nghệ chế tạo than từ trấu, lập bảng số liệu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình than hóa trấu và đến quá trình hoạt hóa than.
- Đã chế tạo thiết bị than hóa trấu có đường kính ngoài 700 mm, cao 4m, năng suất khoảng 2 tấn trấu/ngày thu được trên 500 kg than/ngày;

3. Nghiên cứu quy trình tách SiO2 khỏi than trấu
- Đã nghiên cứu quy trình tách SiO2 bằng phương pháp thủy lực, phương pháp hóa học sử dụng NaOH, KOH. Kết quả tốt nhất với hiệu quả kinh tế cao là tách SiO2 bằng NaOH ở 132^oC, với dung dịch NaOH nồng độ 6M, thời gian 1h. Than nhận được có hàm lượng cacbon đạt trên 90%;

4. Xử lý nâng cao hoạt tính của than trấu
- Đã nghiên cứu phương pháp xử lý nâng cao hoạt tính của than trong môi trường hơi nước, trong CO2 và xử lý bằng muối cacbonat natri và kali; tốt nhất là sử dụng muối cacbonat;
- Xử lý hoạt hóa bằng Na2CO3 tốt nhất ở 850^oC, tỷ lệ Na2CO3/than là 13%, thời gian 1h, bề mặt riêng BET cao nhất đạt được là 890m2/g, hiệu suất thu hồi than đạt khoảng 68%;
- Xử lý hoạt hóa bằng K2CO3 tốt nhất ở 900^oC, tỷ lệ K2CO3/than là 10%, thời gian 2h, bề mặt riêng BET cao nhất đạt được là 1329 m2/g, hiệu suất thu hồi than đạt khoảng 81 %;

5. Nghiên cứu áp dụng sản phẩm than trấu làm chất hấp phụ và lọc nước
- Làm chất hấp phụ khử mùi nên dùng than có BET trong khoảng 500 đến 600 m²/g;
- Lọc nước thải sinh hoạt nên dùng loại than có BET trong khoảng 200 đến 500 m²/g, than phải được nén tối thiểu 15%;
- Lọc nước sinh hoạt nên dùng loại than có BET trong khoảng 500 đến 600 m²/g, than phải được nén tối thiểu 15%;
- Dùng cho điện tử, y tế,.. nên chọn loại than có bề mặt riêng trên 800 m²/g. 
- Đã thiết kế thiết bị đồng bộ xử lý than hóa trấu ngoài 950, trong 920 mm, công suất than 1500 kg than thô/ngày;
- Đã hoàn thành bộ tài liệu thiết kế thiết bị tách SiO₂ tỷ lệ cacbon đạt trên 90%, năng suất 1500 kg than thô/ngày;
- Đã thiết kế thiết bị xử lý hoạt hóa bằng Na₂CO₃ năng suất 0,5T than/ngày, bề mặt riêng BET nằm trong khoảng từ 800 đến 1000 m²/g.
- Đã xây dựng quy trình công nghệ chế tạo than hoạt tính từ trấu đạt BET từ 800 đến 1000m²/g, tỷ lệ cacbon trên 90% và chất bốc 5%, cỡ hạt < 0,1mm;

Có thể thấy, kết quả nghiên cứu của đề tài giúp phát triển khoa học cơ bản và khoa học ứng dụng về chế tạo than hoạt tính trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và các thông tin khoa học kỹ thuật mới. Tạo ra khả năng độc lập xây dựng các công nghệ chế tạo than hoạt tính hiệu quả cao, tự thiết kế dụng cụ công nghệ: hệ thống cấp liệu, lấy sản phẩm…