CÁC PHƯƠNG PHÁP đặc TRƯNG vật LIỆU MAO QUẢN

1 UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN HỌ VÀ TÊN TÊN TIỂU LUẬN Chun ngành: Hố lí thuyết Hố lí Mã số: 8440119 TIỂU LUẬN MÔN HỌC HỌC PHẦN: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU MAO QUẢN Mã số Học phần: HLVL508 Mã nhóm thi: 144 Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG XUÂN DỰ Tp HỒ CHÍ MINH 10/2021 MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Mở đầu 1 Tổng quan lí thuyết 1.1 Lịch sử phương pháp BET 1.2 Cơ sở phương pháp BET 1.3 Kĩ thuật phân tích 1.4 Ứng dụng phương pháp BET … Áp dụng 10 Kết luận 11 Tài liệu tham khảo 12 MỞ ĐẦU (Nêu tầm quan trọng vấn đề, lĩnh vực áp dụng ) Cơ sở lí thuyết (Nêu vấn đề liên quan đến nội dung tiểu luận) 1.1 Lịch sử phương pháp BET Lý thuyết BET phát triển Stephen Brunauer (Hình 2.3.1), Paul Emmett (Hình 2.3.2) Edward Teller (Hình 2.3.3) vào năm 1938 Chữ ba nhà khoa học đặt tên cho lý thuyết Lý thuyết BET phần mở rộng lý thuyết Langmuir, phát triển Irving Langmuir (Hình 2.3.4) vào năm 1916 Nhà hóa học người Hungary Stephen Brunauer (1903-1986) Kỹ sư hóa học người Mỹ Paul H Emmett (1900 - 1985) Edward Teller (1908 – 2003) Nhà hóa học vật lý học người Mỹ Irving Langmuir (1881 - 1957) Lý thuyết Langmuir liên quan đến hấp phụ đơn lớp phân tử khí (Hình 2.3.5), gọi chất hấp phụ, bề mặt rắn với áp suất khí mơi trường bề mặt rắn nhiệt độ cố định , θ phân số che phủ bề mặt, P áp suất khí α số Lý thuyết Langmuir dựa giả định sau: Tất vị trí bề mặt có lượng hấp phụ cho chất hấp phụ, thường khí argon, krypton khí nitơ Vị trí bề mặt định nghĩa khu vực mẫu nơi phân tử hấp phụ lên Sự hấp phụ dung môi vị trí xảy độc lập với hấp phụ vị trí lân cận Hoạt tính chất hấp phụ tỷ lệ thuận với nồng độ Hấp phụ tạo thành đơn lớp Mỗi tâm hoạt động chiếm hạt Lý thuyết Langmuir có vài sai sót giải lý thuyết BET Lý thuyết BET mở rộng lý thuyết Langmuir sang hấp phụ đa lớp (Hình 2.3.1) với ba giả định bổ sung: Các phân tử khí hấp thụ vật lý chất rắn lớp vô hạn Các lớp hấp phụ khác khơng tương tác Lý thuyết áp dụng cho lớp 1.2 Cơ sở phương pháp BET Hấp phụ định nghĩa bám dính nguyên tử phân tử khí lên bề mặt Cần lưu ý hấp phụ không bị nhầm lẫn với hấp thụ, chất lỏng thấm vào chất lỏng chất rắn Lượng khí hấp phụ phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc mà phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất khí cường độ tương tác khí chất rắn Trong phân tích diện tích bề mặt BET, nitơ thường sử dụng có độ tinh khiết cao tương tác mạnh với hầu hết chất rắn Do tương tác pha khí rắn thường yếu, bề mặt làm mát cách sử dụng chất lỏng N2 để thu lượng hấp phụ phát Lượng khí nitơ biết sau giải phóng bước vào tế bào mẫu Áp suất tương đối nhỏ áp suất khí đạt cách tạo điều kiện chân không phần Sau áp suất bão hịa, khơng xảy hấp phụ áp suất tăng thêm Đầu dị áp suất xác xác cao theo dõi thay đổi áp suất trình hấp phụ Sau lớp hấp phụ hình thành, mẫu loại bỏ khỏi khí nitơ làm nóng để làm cho nitơ bị hấp phụ giải phóng khỏi vật liệu định lượng Dữ liệu thu thập hiển thị dạng đường đẳng nhiệt BET, biểu đồ lượng khí hấp phụ dạng hàm áp suất tương đối - Các tác giả Brunauer - Emmett - Teller đường nhiệt động học đưa phương trình hấp phụ đẳng nhiệt dựa quan điểm sau : + Hấp phụ vật lý tạo thành nhiều lớp phân tử chồng lên Lớp chất bị hấp phụ hình thành kết tương tác lực Van der Waals chất hấp phụ chất bị hấp phụ, lớp hình thành ngưng tụ khí + Nhiệt hấp phụ lớp thứ hai lớp nhiệt hố lỏng khí, nhiệt hấp phụ lớp thứ khác, nhiệt tạo phức đơn, lớn nhiệt lượng lớp sau + Các phân tử chất bị hấp phụ tương tác với phan tử lớp trước va lớp sau mà không tương tác với phân tử bên cạnh Vào năm 1985, đường đẳng nhiệt hấp phụ / giải hấp phụ chất rắn phân loại theo hình dạng chúng thành sáu loại đề xuất IUPAC Dạng đường đẳng nhiệt thể mối quan hệ chặt chẽ với cấu trúc hình dạng mao quản, chia thành sáu loại hình 1.1 Hình 1.1 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ theo phân loại IUPAC Loại I (a): vật liệu vi mao quản có kích thước mao quản nhỏ (< nm); Loại I (b): vật liệu có phân bố kích thước mao quản vi rộng (1 nm < kích thước mao quản < nm) Loại II: vật liệu khơng có mao quản mao quản lớn Loại III: không phổ biến, tương tác chất bị hấp phụ - chất bị hấp phụ yếu Loại IV (a): Vật liệu mao quản trung bình với kích thước > nm Loại IV (b): Vật liệu mao quản trung bình với kích thước < nm Loại V không phổ biến, vật liệu mao quản trung bình tương tác chất hấp phụ - chất bị hấp phụ yếu Loại VI: hấp phụ đa lớp theo bước bề mặt không mao quản Trong thực tế, vật liệu mao quản trung bình đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ không trùng nhau, mà thường thấy vịng trễ Hình dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ vòng trễ phản ánh đặc điểm hình dáng mao quản Hiện tượng trễ xuất hấp phụ đa lớp kết hợp với ngưng tụ mao quản mao quản trung bình Hình dạng vịng trễ có khác phụ thuộc vào hình dạng độ đồng mao quản (Hình 1.2) Hình 1.2 Các loại vịng trễ 1.3 Kĩ thuật phân tích Chuẩn bị mẫu thiết lập thí nghiệm Trước thực phép đo nào, mẫu phải khử khí để loại bỏ nước chất gây nhiễm khác trước đo xác diện tích bề mặt Các mẫu khử khí chân khơng nhiệt độ cao Nhiệt độ cao khơng làm hỏng cấu trúc mẫu thường chọn để rút ngắn thời gian khử khí IUPAC khuyến nghị mẫu khử khí 16 để đảm bảo khí khơng mong muốn loại bỏ khỏi bề mặt mẫu Nói chung, mẫu chịu nhiệt độ cao mà không thay đổi cấu trúc có thời gian khử khí nhỏ Cần tối thiểu 0,5 g mẫu cho BET để xác định thành cơng diện tích bề mặt Các mẫu đặt thủy tinh khử khí phân tích máy BET Thanh thủy tinh đặt tế bào để giảm thiểu không gian chết tế bào Các mẫu thường có kích thước 6, 12 mm có hình dạng khác Các ô mm thường sử dụng cho loại bột mịn, ô mm cho hạt lớn viên nhỏ 12 mm sử dụng cho mảnh lớn giảm thêm Các ô đặt vào lớp phủ sưởi kết nối với cổng outgas máy Sau mẫu khử khí, chuyển đến cổng phân tích (Hình 2.3.11) Các giọt nitơ lỏng sử dụng để làm mát mẫu trì nhiệt độ khơng đổi Nhiệt độ thấp phải trì để tương tác phân tử khí bề mặt mẫu đủ mạnh để xảy lượng hấp phụ đo Chất hấp phụ, khí nitơ trường hợp này, bơm vào mẫu pít-tơng hiệu chuẩn Thể tích chết mẫu phải hiệu chuẩn trước sau phép đo Để làm điều đó, khí helium sử dụng cho lần chạy trống, helium khơng hấp thụ vào mẫu Phương trình BET Phương trình BET, 2.3.2, sử dụng kết từ đường đẳng nhiệt để xác định diện tích bề mặt mẫu, X trọng lượng nitơ hấp phụ áp suất tương đối định (P / Po), Xm công suất đơn lớp, thể tích khí hấp phụ nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn (STP) C không đổi Nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn 273 K atm P C 1 P   ( P0  P ) V C Vm C Vm P0 (2.2.3) Trong : V ( cm3/g) thể tích khí bị hấp phụ cân áp suất tương đối P/P0 Vm ( cm3/g) thể tích khí hấp phụ cực đại đơn lớp P áp suất khí, P0 áp suất cân chất lỏng C số tỉ lệ với exp( ∆HA - ∆HL)/RT, ∆HA enthanpi trình hấp phụ lớp ∆HL nhiệt hố Bằng thực nghiệm đo thể tích chất bị hấp phụ V ứng với áp suất cân tương đối P/P Dựng đồ thị P/V( P0- P) Độ dốc đường tuyến tính có giá trị (C-1)/(C.V m) Đoạn cắt trục tung có giá trị 1/ CVm Từ hai kết tính C Vm Ngồi ra, biết Vm ta tính bề mặt vật hấp phụ SBET theo biểu thức: Vm N S 10 18 22410 A N  4,35 Vm SBET  SBET Trong 10 SBET có thứ nguyên m2/g Vm có thứ nguyên cm3/g Tiết diện ngang phân tử nitrogen SN = 0,162 nm2 1.4 Ứng dụng phương pháp BET Phương trình BET ứng dụng phổ biến để xác định bề mặt riêng chất hấp phụ chất rắn, phân bố lổ xốp, dạng mao quản Áp dụng (Trình bày tập từ nguồn tài liệu tiếng Anh / Liên hệ nội dung tiểu luận với báo tiếng Anh) (Sách BÀI TẬP HÓA LÝ CƠ SỞ - Lâm Ngọc Thiềm Bài 15.3, 15.5, 15.11/293) Bài 1: Khi nghiên cứu hấp phụ N2 TiO2 75K, người ta thu kết sau P ( torr) 1,2 14,0 45,8 87,5 127,7 164,4 204,7 V (cm ) 601 720 822 935 1046 1146 1254 75K , áp suất bão hòa N2 570 torr, thể tích N2 điều chỉnh điều kiện tiêu chuẩn; mẫu TiO2 dùng nghiên cứu gam Hãy chứng tỏ số liệu phù hợp với phương trình đẳng nhiệt hấp phụ BET khoảng áp suất nghiên cứu Tìm thể tích N2 có hấp phụ hồn tồn bề mặt TiO2 tính số C phương trình ĐS: Vm = 810cm3 ; C = 363 Từ phương trình BET dạng P ( torr) P C 1 P   ( P0  P ) V C Vm C Vm P0 1,2 14,0 45,8 87,5 127,7 164,4 204, P 103 Ps 2,11 24,6 80,4 154 224 288 359 P / Ps 10 V (1  P / Ps ) 0,035 0,35 1,06 1,95 2,76 3,53 4,47 10 11 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 f(x) = 0.01 x + 0.04 R² = Linear () 50 100 150 200 250 300 350 400 Đường thẳng thu cắt trục tung giá trị 0,034, ta có  0, 034.10 4  3, 4.10 6 (1) C Vm Độ dốc đường biểu diễn 1,23.10-2, C 1  1,23.10 2.103.10 4  1,23.10 3 C Vm (2) (1) (2)  Vm = 810cm3 ; C = 363 C 1  0.0992.103.10 4  9,92.10 3 C Vm (2) (1) (2)  Vm = 75,49cm3 ; C = 3,978 (Trên gợi ý trình bày, học viên trình bày theo cấu trúc khác) 11 12 Yêu cầu hình thức - Đặt tên file yêu cầu: mahocphan_manhomthi_mshv_hotenhocvien - Tiểu luận trình bày khổ giấy A4 (210 x 297 mm), kiểu trang đứng (portrait) - Định dạng lề: bottom, top: 2,0 cm, right: 2.0 cm, left: 3.0 cm - Font chữ: Times new Roman - Bảng mã: Unicode - Cỡ chữ (phần nội dung): 12 - Cách dòng: 1.2-1.3 lines - Dùng chức equation Word để viết phương trình toán, biểu thức - Độ dài tiểu luận tối thiểu trang, tối đa 20 trang - Trang bìa ghi rõ họ tên, mã số sinh viên, mơn thi, nhóm thi đề bài/câu hỏi tiểu luận - Đánh số trang - Tài liệu tham khảo, trình bày theo IEEE (Hv nộp tiểu luận dạng file pdf) 12 13 KẾT LUẬN (Nêu ý nghĩa tiểu luận thân tiếp cận với vấn đề có liên quan) 13 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO (Trình bày theo IEEE) 14 ... thước mao quản nhỏ (< nm); Loại I (b): vật liệu có phân bố kích thước mao quản vi rộng (1 nm < kích thước mao quản < nm) Loại II: vật liệu khơng có mao quản mao quản lớn Loại III: không phổ biến,... hấp phụ yếu Loại IV (a): Vật liệu mao quản trung bình với kích thước > nm Loại IV (b): Vật liệu mao quản trung bình với kích thước < nm Loại V không phổ biến, vật liệu mao quản trung bình tương... trúc hình dạng mao quản, chia thành sáu loại hình 1.1 Hình 1.1 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ theo phân loại IUPAC Loại I (a): vật liệu vi mao quản có kích thước mao quản nhỏ (