Công dụng của than hoạt tính

Than hoạt tính là một loại carbon đã qua xử lý để tạo ra các lỗ rỗng nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó giúp hấp phụ và kích thích phản ứng hóa học. Với mức độ vi mao quản cao, chỉ một lượng nhỏ than hoạt tính có thể có diện tích bề mặt vượt quá 800 – 1000 m², được đánh giá bằng phương pháp hấp phụ khí. Sự hoạt hóa thông qua xử lý hóa học cũng giúp cải thiện tính chất hấp phụ. Thường được sản xuất từ than củi và đôi khi từ than sinh học. Các loại than hoạt tính khác thu được từ than đá hay cốc được gọi là than đá hoạt tính hoặc cốc hoạt tính.

Tính chất hóa học của than hoạt tính

Cấu trúc của than hoạt tính

Diện tích bề mặt của than hoạt tính dao động từ 500 đến 2500 m²/g (ví dụ, tương đương với diện tích của một sân quần vợt khoảng 260 m²). Đặc tính này phụ thuộc vào cấu trúc xơ rỗng được hình thành từ nguyên liệu hữu cơ, qua quá trình sấy khô ở nhiệt độ cao dưới điều kiện không khí yếu.

Tính không độc của than hoạt tính, ngay cả khi tiếp xúc với nó, và giá thành thấp so với than hoạt tính sản xuất từ gỗ và than đá. Tuy nhiên, than hoạt tính từ xơ dừa và vỏ trái cây có giá cao và chất lượng tốt hơn. Chất thải từ quá trình sản xuất có thể dễ dàng tiêu hủy bằng phương pháp đốt cháy, và việc thu hồi kim loại nặng từ tro đốt cũng rất thuận tiện.

Các thông số kỹ thuật của than hoạt tính

Kích thước và thể tích lỗ xốp, và diện tích bề mặt riêng

Kích thước của lỗ xốp được đo bằng khoảng cách giữa các rãnh hoặc đường kính của ống xốp. Theo tiêu chuẩn IUPAC, kích thước lỗ xốp được phân loại thành ba loại: micro pore (dưới 2 nm), meso pore (2-50 nm), và macro pore (trên 50 nm).

Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính được đo bằng m²/g và là một chỉ số quan trọng đối với khả năng hấp phụ của than. 95% diện tích bề mặt riêng của than là diện tích của các lỗ xốp micro. Các lỗ xốp meso chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than và không có nhiều ý nghĩa trong hoạt tính của nó do diện tích bề mặt riêng không đáng kể.

Chỉ số iod

Chỉ số iod là một chỉ số cơ bản cho diện tích bề mặt của lỗ xốp và khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Được tính bằng khối lượng iod mà than có thể hấp phụ được trong một đơn vị khối lượng (mg/g). Phương pháp đo dựa trên sự hấp phụ của iod trên bề mặt than. Chỉ số iod càng cao thể hiện mức độ hoạt hóa càng lớn, thường dao động từ 500 đến 1200 mg/g.

Độ cứng

Độ cứng là khả năng chống mài mòn của than hoạt tính, quan trọng trong việc đảm bảo cấu trúc và hiệu suất trong quá trình sử dụng. Được ảnh hưởng bởi nguyên liệu và quá trình hoạt hóa, độ cứng cần phải đủ để đối phó với các tác động vật lý như áp suất và dòng chảy lỏng.

Phân bố kích thước hạt

Kích thước hạt ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của chất hấp phụ tới bề mặt than. Kích thước càng nhỏ, khả năng tiếp cận và quá trình hấp phụ diễn ra càng nhanh, đặc biệt quan trọng trong hệ khí áp suất thấp. Tối ưu hóa phân bố kích thước hạt giúp giảm tiêu thụ năng lượng.

Ứng dụng

Than hoạt tính được sử dụng trong tinh chế khí, thức uống không chứa caffein, tinh chế vàng, chiết kim loại, làm tinh khiết nước, y tế, xử lý chất thải, lọc không khí trong mặt nạ phòng độc và khẩu trang.

Ứng dụng công nghiệp

Một trong những ứng dụng chính trong công nghiệp là xử lý kim loại cuối cùng. Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong tinh chế dung dịch mạ điện. Ví dụ, nó là kỹ thuật chính trong việc loại bỏ các tạp chất hữu cơ từ dung dịch mạ kền sáng. Nhiều chất hữu cơ được thêm vào để cải thiện tính bám dính và tăng tính chất như độ sáng, nhẵn, tính uốn v.v... Sự truyền dòng điện trực tiếp và các phản ứng điện hóa của oxy hóa ở anot và khử ở catot, cùng với phụ gia hữu cơ, tạo ra các sản phẩm phân hủy không mong muốn trong dung dịch. Việc xử lý bằng than hoạt tính loại bỏ các tạp chất này và khôi phục hiệu suất mạ về mức mong muốn.

Ứng dụng y tế

Than hoạt tính được sử dụng để xử lý các chất độc và các trường hợp dùng quá liều qua đường miệng. Viên hoặc nang than hoạt tính được sử dụng như một loại thuốc không kê đơn để điều trị tiêu chảy, khó tiêu và đầy hơi.

Tuy nhiên, than hoạt tính không hiệu quả đối với các trường hợp ngộ độc axit mạnh, kiềm mạnh, cyanide, sắt, lithi, arsen, methanol, ethanol hay ethylene glycol.

Ứng dụng gián tiếp (ví dụ như đưa vào phổi) có thể gây ra hệ hô hấp sặc, đe dọa tính mạng nếu không được xử lý y tế kịp thời.

Ứng dụng phân tích hóa

Than hoạt tính, hỗn hợp 50/50 của diatomit và than hoạt tính được sử dụng như một pha tĩnh trong sắc khí áp suất thấp để hấp phụ carbohydrate từ dung dịch rượu (5-50%) như một pha động trong chuẩn bị và phân tích định lượng.

Ứng dụng môi trường

Hấp phụ carbon có nhiều ứng dụng trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm từ không khí hoặc nước như:

• Làm sạch dầu thải
• Lọc nước ngầm
• Lọc nước uống
• Làm sạch không khí
• Giữ các chất hữu cơ không bay hơi từ sơn, quá trình lọc khô, bay hơi xăng và các quá trình khác.

Trong giai đoạn ban hành Luật Nước uống an toàn năm 1974 tại Mỹ, EPA đã đưa ra một đề xuất yêu cầu các hệ thống xử lý nước uống sử dụng than hoạt tính dạng hạt. Tuy nhiên, do giá thành cao, đề xuất này, được gọi là Luật GAC, đã gặp phải sự phản đối mạnh mẽ từ các nhà cung cấp nước, bao gồm cả các nhà máy nước lớn nhất tại California, dẫn đến việc bãi bỏ luật.

Than hoạt tính cũng được sử dụng để đo nồng độ Radon trong không khí.

• Trong lĩnh vực y tế (Carbo medicinalis – than dược): để khử trùng và loại bỏ độc tố sau khi ngộ độc thực phẩm...
• Trong công nghệ, than hoạt tính là một thành phần quan trọng của hệ thống lọc không khí (trong đầu lọc thuốc lá, miếng hoạt tính trong khẩu trang); tấm lọc mùi trong tủ lạnh và máy điều hòa...
• Trong xử lý nước (hoặc lọc nước gia đình): để loại bỏ các chất bẩn vi lượng, diệt khuẩn và khử mùi... v.v.v.
• Có tác dụng hiệu quả trong việc bảo vệ khỏi tác hại của tia cực tím.