Than hoạt tính (Activated carbon) là gì? Cấu tạo và ứng dụng

Giới thiệu

Than hoạt tính (Activated carbon) là một dạng của carbon được xử lý để có những lỗ rỗng bé thể tích nhỏ để tăng diện tích bề mặt cho dễ hấp phụ hoặc tăng cường phản ứng hóa học. Do mức độ vi mao quản cao, chỉ một gam than hoạt tính có diện tích bề mặt vượt quá 800 – 1000 m2, được xác định bởi phương pháp hấp phụ khí. Một mức độ hoạt hóa đủ cho ứng dụng có ích có thể đạt được duy nhất từ diện tích bề mặt cao, hơn nữa, sự xử lý hóa học thường làm tăng tính chất hấp phụ. Than hoạt tính thường thu từ than củi và thỉnh thoảng là than sinh học. Những loại thu được từ than đá hay cốc thì được gọi là than đá hoạt tính hoặc cốc hoạt tính. (https://vi.wikipedia.org/).

1. Lịch sử hình thành
- Từ xa xưa, vào thế kỷ thứ 3 con người đã tìm ra và sản xuất than hoạt tính, ứng dụng rộng rãi vào đời sống như:

• Người Trung Hoa dã sản xuất ra mực tàu chất lượng cao. Trong thành phần của mực này có muội than được sản xuất bằng cách đốt cháy dầu mỡ dưới bát sành úp ngược.
• Người Ai Cập sử dụng than gỗ để làm chất hấp thụ chữa bệnh.
• Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than gỗ.

- Qua từng thời kỳ, con người càng ngày càng tiến bộ nhưng Than hoạt tính vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong nghiêm cứu và sinh hoạt của con người:

• Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tính hoại tử (1793).
• Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp thụ trên than gỗ (1773).
• Phôn-tan-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trên thủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất (1777).
• Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy màu nhiều dung dịch (1785).
• Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường (1794).
• Vào năm 1870 than hoạt tính đã có mặt trên thị trường thương mại, với nhu cầu về sử dụng nó có tên gọi chung là “bồ hóng” nguyên liệu đầu để sản xuất là dầu mỡ nhựa tinh chế.
• Năm 1872 với sự ngiên cứu của các tác giả Haworth và Lamb, hai ông đã đưa ra loại than hoạt tính sử dụng nguyên liệu đầu là khí tự nhiên được sản xuất nhiều ở New Cumberlan, West Virginia (Mỹ).
• Năm 1892 ở Mỹ đã sảnm xuất ra loại than hoạt tính gọi là than máng. Do sáng chế của tác giả John MacNatte.
• Năm 1916 Braun và Ulinger đã đưa ra phương pháp nhiệt phân để sản xuất than hoạt tính.Năm 1943 ở bang Texas than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp lò (lò khí, lò lỏng) với tổ chức quy mô công nghiệp lớn hơn hiện đại hơn. Cho đến nay các phương pháp sản xuất trên được áp dụng rộng rãi và sản xuất ra nhiều loại than khác nhau đáp ứng nhu cầu sử dụng cho các ngành phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Than hoạt tính được sản xuất với tổng sản lượng lớn nhất và quy mô công nghiệp lớn nhất ở nước Mỹ. Sau đó than hoạt tính được biết đến đến ở các nước phương tây, châu á và các châu lục khác.

- Ngày nay cuộc sống của chúng ta có rất nhiều sản phẩm ứng dụng than hoạt tính mà trong mỗi gia đình đều có sử dụng. Đó là máy lọc nước, máy hút khói khử mùi bếp, lọc khử mùi máy lạnh, ngay trong một số sản phẩm làm đẹp cũng có than hoạt tính…
2. Cấu tạo than hoạt tính 

-Diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ 500 đến 2500 m2/g (lấy một ví dụ cụ thể để so sánh thì một sân quần vợt có diện tích rộng khoảng chừng 260 m2). Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí. Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh và chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ nối). Than hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất tráng mặt), để lưu giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được các thành phần đặc biệt như kim loại nặng.

-Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), than hoạt tính được tạo từ gỗ, và than đá thường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây, vỏ hạt điều  thì giá thành cao và chất lượng hơn. Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương pháp đốt. Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại, từ tro đốt, cũng rất dễ. Phần lớn than hoạt tính có mặt trong đời sống được làm từ gỗ bằng cách đốt cháy thân cây rồi phun nước lên thân cây đang cháy(loại này còn có tên là than hoa) hoặc nung thân gỗ trong môi trường yếm khí.
3. Các dạng than hoạt tính được ứng dụng trong lọc nước

* Than hoạt tính dạng viên nén: Than hoạt tính dạng nén thành khối thường được sử dụng cho các yêu cầu cụ thể đặc thù, thường được sử dụng trong lĩnh vực xử lý nước, lọc nước. Các lõi CTO ở hệ thống lọc thô trong máy lọc nước gia đình cũng sử dụng dạng than hoạt tính này.

* Than hoạt tính dạng hạt (GAC): Được làm từ các cụm nguyên tử cacbon nhỏ xếp chồng lên nhau và được tạo ra bằng cách đốt nóng nguồn cacbon (than đá,  Than hoạt tính dạng hạt có có kích thước từ 1 - 10mm, chúng có ưu điểm là cứng, bền và không bị rửa trôi như dạng bột. Ở dạng này, chúng được sử dụng trong các hệ thống lọc tổng gia đình hoặc các hệ thống máy lọc công nghiệp. Sau một chu trình sử dụng, các hệ thống lọc có thể sục rửa để tái sử dụng, chính vì vậy sẽ tiết kiệm hơn do không phải thay vật liệu lọc thường xuyên.

Than hoạt tính dạng hạt Trà Bắc

Than hoạt tính dạng hạt Modi - Ấn Độ

4. Thông số của than hoạt tính

• Chỉ số iot: Đây là một chỉ số cơ bản của than hoạt tính đặc trưng cho diện tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than. Chỉ số iot được tính bằng khối lượng iot có thể được hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng của than.(mg/g). Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên sự hấp phụ lớp đơn phân tử iot trên bề mặt của than. Chỉ số iot càng lớn thì mức độ hoạt hóa càng cao. Giá trị của chỉ số iot rơi vào khoảng 500–1200 mg/g. Từ giá trị của chỉ số iot có thể tính ra được diện tích bề mặt riêng của than

• Độ cứng: Là khả năng chống chịu mài mòn của than hoạt tính. Đây là một thông số quan trọng bởi vì trong quá trình sử dụng, than hoạt tính còn phải chịu những tác động vật lý như: bị đặt dưới dòng chảy lỏng hoặc khí, dưới tác động của áp suất, do đó than cần phải đảm bảo được những yếu tố về độ cứng nhằm giữ được nguyên vẹn cấu trúc trong quá trình sử dụng và phục hồi. Độ cứng của than phụ thuộc rất nhiều vào nguyên liệu đầu vào cũng như mức độ quá trình hoạt hóa.

• Phân bố kích thước hạt: Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến khả năng tiếp cận của chất được hấp phụ tới bền mặt của than. Kích thước càng nhỏ thì khả năng tiếp cập càng dễ và quá trình hấp phụ diễn ra càng nhanh. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi hấp phụ trong hệ khí có áp suất thấp. Tính toán kỹ được phân bố kích thước hạt giúp chúng ta có thể chọn lựa được những thông số áp suất tối ưu để giảm thiểu tối đa mức tiêu thụ năng lượng.

5. Tác dụng của than hoạt tính 

- Than hoạt tính là một trong những vật liệu cực kỳ quan trọng trong lọc và xử lý nước dân dụng cũng như công nghiệp. Nó góp phần đảm bảo chất lượng nước sau xử lý tốt hơn, loại bỏ được các thành phần độc hại trong nước bị ô nhiễm, đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng. Một số tác dụng của than hoạt tính khi sử dụng trong hệ thống lọc nước:

• Loại bỏ tạp chất, cặn bẩn có kích thước lớn, tạo độ trong cho nước.
• Hấp thụ các tạp chất, hữu cơ hòa tan, chất độc hại xử lý màu, mùi tanh trong nước.
• Ức chế, loại bỏ và ngăn ngừa một số loại vi khuẩn có khả năng gây hại đến sức khỏe con người.

- Ngoài ra than hoạt tính còn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: Y Tế và chăm sóc sắc đẹp.

•  Lĩnh vực y tế: Do tính hoạt hóa mạnh, than hoạt tính được sử dụng nhiều trong y tế. Khẩu trang y tế sử dụng than hoạt tính có thể sử dụng hiệu quả phòng chống lây lan các bệnh qua đường hô hấp, Than hoạt tính cũng thường được sử dụng trong dân gian để điều trị một số bệnh như ăn uống khó tiêu, đầy hơi, chướng bụng... Tuy được coi là thuốc rẻ tiền nhưng nó lại luôn được xem là thuốc đầu tay trong cấp cứu ngộ độc thực phẩm, đặc biệt trong điều trị và xử lý ngộ độc nấm độc.

• Lĩnh vực chăm sóc sắc đẹp: Làm mặt nạ đắp mặt: Hàng ngày khói bụi, vi khuẩn môi trường sẽ bám và tích tụ dưới da làm bít lỗ chân lông, da không thở được gây mụn, nám, tàn nhang. Lúc đó, than hoạt tính sẽ làm nhiệm vụ lấy hết các chất bẩn ở sâu trong lỗ chân lông của da, làm sạch và thải độc do việc phải đào sâu và lấy đi cặn bẩn tích tụ. Giúp tăng cường cho làn da nhanh chóng phục hồi ẩm mượt và sáng mịn.

• Lĩnh vực nha khoa: Làm trắng răng, Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng hôi miệng và nó khiến bạn mất tự tin khi giao tiếp với người xung quanh.Than hoạt tính giúp bạn trị dứt điểm hôi miệng, đánh bay mọi mảng ố vàng, loại bỏ cao răng, trả lại cho bạn 1 hàm răng trắng sáng, ngăn ngừa chảy máu chân răng, sâu răng, tái tạo lại men răng.