Carbon hoạt tính là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Carbon hoạt tính

Carbon hoạt tính (activated carbon) là một dạng carbon có cấu trúc đa por phức tạp, được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu chứa cacbon như gỗ, than đá, vỏ dừa hoặc than tre. Sau quá trình xử lý nhiệt và hoạt hóa, vật liệu thu được sở hữu diện tích bề mặt riêng cực lớn, dao động trong khoảng 500–2 000 m²/g, cho phép hấp phụ mạnh mẽ các phân tử khí, hơi và dung dịch hữu cơ.

Phần lớn các hạt carbon hoạt tính có kích thước vi mô (micropore <2 nm), trung mô (mesopore 2–50 nm) và đại mô (macropore >50 nm), tạo thành hệ thống mao mao liên thông. Sự phân bố kích thước lỗ rỗng này quyết định khả năng hấp phụ của carbon đối với các chất có kích thước phân tử khác nhau.

• Diện tích bề mặt riêng (SSA): 500–2 000 m²/g
• Thể tích lỗ rỗng tổng: 0,2–1,2 cm³/g
• Kích thước lỗ rỗng: micropore, mesopore, macropore
• Ứng dụng: xử lý nước, không khí, tinh chế dược phẩm, khử mùi

Cấu trúc và tính chất vật lý–hóa học

Cấu trúc carbon hoạt tính gồm các tấm graphene xếp chồng không đều, tạo ra hàng triệu lỗ nhỏ. Bề mặt carbon thường mang các nhóm chức oxy hóa như hydroxyl, carbonyl, carboxyl và quinon, đóng vai trò quan trọng trong hấp phụ hóa học và tương tác với các hợp chất ion hoặc phân cực.

Về tính chất vật lý, carbon hoạt tính thể hiện độ cứng cao, khối lượng riêng tương đối thấp (0,4–0,6 g/cm³), và khả năng chịu nhiệt tốt (ổn định đến 800–1 000 °C trong điều kiện khí trơ). Vật liệu có độ bền cơ học đủ để ứng dụng trong các bộ lọc áp lực và cột hấp phụ công nghiệp.

Các nhóm chức oxy hóa bề mặt tạo điều kiện cho hấp phụ hóa học (chemisorption) khi tương tác với kim loại nặng hoặc hợp chất hữu cơ phân cực, trong khi hấp phụ vật lý (physisorption) chủ yếu do lực van der Waals tại các lỗ mao mạch.

Nguyên liệu và phương pháp sản xuất

Nguyên liệu để sản xuất carbon hoạt tính bao gồm: gỗ tự nhiên, than đá, than tre, vỏ dừa, vỏ hạt điều. Lựa chọn nguyên liệu phụ thuộc vào độ xốp và hàm lượng cacbon ban đầu, đồng thời ảnh hưởng đến phân bố kích thước lỗ rỗng và độ bền cơ học của sản phẩm cuối.

Hai phương pháp chính để chế tạo carbon hoạt tính là cacbon hóa sơ bộ và hoạt hóa. Cacbon hóa sơ bộ diễn ra ở nhiệt độ 350–600 °C trong điều kiện thiếu oxy, loại bỏ các thành phần dễ bay hơi và tập trung cacbon. Tiếp theo, bước hoạt hóa xác định cấu trúc lỗ rỗng và diện tích bề mặt.

• Cacbon hóa sơ bộ: 350–600 °C, khí trơ (N₂, Ar)
• Hoạt hóa vật lý: 800–1 000 °C, CO₂ hoặc hơi H₂O
• Hoạt hóa hóa học: 400–700 °C, KOH, H₃PO₄ hoặc ZnCl₂

Thông thường, phương pháp hóa học tạo ra SSA và thể tích lỗ rỗng lớn hơn so với phương pháp vật lý, nhưng cần xử lý rửa kỹ các muối vô cơ sau phản ứng. Phương pháp vật lý đơn giản hơn và thân thiện môi trường hơn, không sinh ra nước thải chứa hóa chất.

Quá trình hoạt hóa và điều khiển lỗ rỗng

Trong hoạt hóa vật lý, carbon sau cacbon hóa được nung ở 800–1 000 °C trong dòng khí CO₂ hoặc hơi nước. CO₂/H₂O phản ứng với cacbon, tạo ra CO và H₂, hình thành các lỗ rỗng mới và mở rộng lỗ cũ. Thời gian và nhiệt độ hoạt hóa quyết định phân bố kích thước pore.

Hoạt hóa hóa học thực hiện bằng cách trộn carbon sơ bộ với dung dịch KOH hoặc H₃PO₄, để khô, sau đó nung ở 400–700 °C. KOH phản ứng với cacbon tạo K₂CO₃ và K, ăn mòn bề mặt tạo pore. Sau khi hoạt hóa, sản phẩm được trung hòa và rửa sạch để loại bỏ muối vô cơ.

Kiểm soát tỉ lệ nguyên liệu:chất hoạt hóa, nhiệt độ và thời gian hoạt hóa cho phép điều chỉnh độ phân bố lỗ rỗng theo yêu cầu ứng dụng, từ hấp phụ khí nhỏ phân tử đến loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ kích thước lớn.

Cơ chế hấp phụ

Carbon hoạt tính hấp phụ chủ yếu dựa trên hai cơ chế: hấp phụ vật lý (physisorption) thông qua lực van der Waals và hấp phụ hóa học (chemisorption) qua tương tác hóa học giữa các nhóm chức oxy hóa bề mặt và chất hấp phụ. Việc phân bố pore đa cấp (micropore, mesopore, macropore) tạo điều kiện cho cả hai cơ chế này diễn ra đồng thời, nâng cao hiệu quả loại bỏ các phân tử khí, hơi hoặc dung dịch hữu cơ.

Ở giai đoạn đầu, các phân tử khí hoặc phân tử hữu cơ nhỏ xâm nhập vào micropore (<2 nm), nơi lực van der Waals mạnh nhất. Sau đó, các phân tử có kích thước lớn hơn hoặc các hợp chất phân cực khuếch tán vào mesopore (2–50 nm) và macropore (>50 nm), nơi phân bố tập trung lượng lớn chất cần loại bỏ.

• Micropore: hấp phụ mạnh, thích hợp với phân tử khí nhỏ và VOCs.
• Mesopore: khuếch tán các hợp chất hữu cơ kích thước trung bình.
• Macropore: lưu trữ và dẫn truyền đến các mức pore sâu hơn.

Mô hình Langmuir cho hấp phụ đơn lớp được áp dụng phổ biến để mô tả quá trình hấp phụ trên bề mặt carbon hoạt tính:

$q_e = \frac{q_{\max} \, b \, C_e}{1 + b \, C_e}$

Trong đó, \(q_e\) là lượng chất hấp phụ tại cân bằng (mg/g), \(q_{\max}\) là khả năng hấp phụ tối đa, \(b\) là hằng số Langmuir phản ánh ái lực hấp phụ, và \(C_e\) là nồng độ chất trong pha dung dịch tại cân bằng (mg/L).

Kỹ thuật phân tích và đặc tính hóa

Đặc tính vật liệu carbon hoạt tính được xác định bằng một loạt kỹ thuật phân tích bề mặt và kết cấu porosity. Phổ hấp phụ–tán xạ N₂ (BET) cung cấp diện tích bề mặt riêng (SSA) và thể tích pore tổng; phương pháp BJH và t-plot phân tích phân bố pore theo kích thước.

Phân tích nhóm chức bề mặt thực hiện qua phổ hồng ngoại (FTIR) xác định các liên kết –OH, –COOH, C=O và VOX (quinon), trong khi phương pháp Boehm titration định lượng nhóm chức cơ bản và axit. Các kỹ thuật bổ sung như X-ray diffraction (XRD) và Raman spectroscopy giúp xác định cấu trúc graphitic và mức độ tinh khiết cacbon.

Kết hợp nhiều kỹ thuật giúp xây dựng đầy đủ hồ sơ vật liệu, từ khả năng hấp phụ đến tính tương tác hóa học, tạo cơ sở cho tối ưu hóa điều kiện sản xuất và ứng dụng carbon hoạt tính trong xử lý môi trường.

Ứng dụng chính

Carbon hoạt tính được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước cấp và nước thải công nghiệp để loại bỏ thuốc trừ sâu, dược phẩm, hợp chất hữu cơ khó phân hủy và kim loại nặng. Trong hệ thống lọc nước sinh hoạt, các lõi lọc than hoạt tính giúp khử mùi clo, phenol và các tạp chất gây mùi vị khó chịu.

Trong ngành xử lý không khí, carbon hoạt tính hấp phụ VOCs (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi), SO₂, NOx và mùi công nghiệp. Các bộ lọc khí tại nhà máy chế biến thực phẩm, dược phẩm và phòng thí nghiệm thường sử dụng than hoạt tính dạng hạt hoặc dạng nén để xử lý khí độc và mùi.

• Xử lý nước: khử màu, khử mùi, loại bỏ hợp chất hữu cơ, kim loại nặng.
• Xử lý không khí: lọc VOCs, khí độc SO₂, NOx, loại mùi công nghiệp.
• Công nghiệp thực phẩm – dược: tinh chế đường, khử tạp chất, hấp phụ độc tố.

Carbon hoạt tính cũng được áp dụng trong y học – dược phẩm dùng làm chất hấp phụ trong thanh lọc huyết tương (hemoperfusion) để loại bỏ độc tố, chuyển hóa thuốc quá liều, hỗ trợ điều trị ngộ độc cấp tính.

Tái sinh và xử lý sau sử dụng

Carbon hoạt tính đã hấp phụ có thể tái sinh để phục hồi khả năng hấp phụ và kéo dài tuổi thọ vật liệu. Phương pháp chính là tái sinh nhiệt trong lò quay hoặc lò ống, nung ở 600–900 °C trong điều kiện khí trơ hoặc hơi nước để loại bỏ chất hấp phụ bám trên bề mặt.

Phương pháp hóa học sử dụng dung môi hữu cơ (methanol, acetone) hoặc dung dịch acid/base để rửa và tái tạo nhóm chức bề mặt. Carbon sau xử lý phải được rửa sạch đến pH trung tính và sấy khô trước khi đưa vào tái sử dụng.

• Tái sinh nhiệt: 600–900 °C, khí trơ/H₂O.
• Tái sinh hóa học: rửa methanol, NaOH, HCl.
• Kiểm tra hiệu suất: SSA giảm <10% so với ban đầu.

Xử lý sau sử dụng không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm lượng chất thải carbon chứa các hợp chất độc hại, ngăn ngừa ô nhiễm thứ cấp.

An toàn và môi trường

Bụi carbon hoạt tính có kích thước hạt rất nhỏ, khi hít vào có thể gây kích ứng đường hô hấp, dị ứng da và mắt. Trong quá trình sản xuất và tái sinh, cần mang khẩu trang lọc hạt P3, găng tay nitrile và làm việc trong tủ hút hoặc phòng có hệ thống hút bụi.

Chất thải carbon hoạt tính sau sử dụng có thể chứa hợp chất hấp phụ độc hại như kim loại nặng, VOCs hay dioxin, cần phân loại và xử lý theo quy định chất thải nguy hại. Các phương pháp xử lý gồm đốt trong lò cao nhiệt độ cao hoặc chôn lấp có kiểm soát tại bãi rác an toàn.

• Biện pháp cá nhân: khẩu trang P3, kính bảo hộ, găng tay.
• Xử lý chất thải: đốt nhiệt độ cao hoặc chôn lấp an toàn.
• Giám sát môi trường: đo bụi không khí, nồng độ VOCs quanh khu vực.

Tài liệu tham khảo

1. EPA, “Activated Carbon Treatment,” epa.gov.
2. IUPAC, “Activated Carbon Definitions,” Pure Appl. Chem., vol. 66, no. 8, pp. 1739–1758, 1994.
3. Marsh H. & Rodríguez-Reinoso F., “Activated Carbon,” Elsevier, 2006.
4. Lee S.-Y. et al., “Preparation and Characterization of Activated Carbon from Agricultural Waste,” J. Hazard. Mater., vol. 154, pp. 1021–1029, 2008.
5. Rouquerol J. et al., “Adsorption by Powders and Porous Solids,” Academic Press, 2013.