Quá trình hấp phụ pdf

Khái niệm chung 5.1.1 Khái niệm Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chât lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp.. Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp p

Chương 5 Quá trình hấp phụ 5.1 Khái niệm chung

5.1.1 Khái niệm

Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chât lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent), chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbate)

và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi

là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ

Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn

Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt

độ, áp suất )

5.1.2 Hoạt độ hấp thụ.

• Hấp phụ hóa học tiến hành chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn

• Hấp phụ lý học tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng không

5.1.3 Cân bằng hấp thụ.

• Hấp phụ hóa học tiến hành chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn

• Hấp phụ lý học tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng không

5.1.4 Thuyết hấp thụ.

Hấp phụ đẳng nhiệt của langmuir Trong quá trình hấp phụ những phân tử khí bị hấp phụ sẽ ở lại trên bề mặt hạt xúc tác trong một thời gian nhất định để tiếp nhận năng lượng và thực hiện quá trình nhả hấp phụ Quá trình hấp phụ và quá trình nhả hấp phụ xảy ra đồng thời cho đến khi hạt phản ứng đạt được trạng thái cân bằng

Để thiết lập được phương trình động học cho quá trình hấp phụ, Langmuir đã đưa ra một số điều kiện sau(thuyết hấp phụ đẳng nhiệt của langmuir) Tất cả các tâm hoạt hóa đều có tính chất như nhau Số tâm hoạt hóa không thay đổi theo thời gian Mỗi tâm hoạt hóa chỉ có thể hấp phụ một phân tử bị hấp phụ Giữa các phân

tử bị hấp phụ không có tác động qua lại

5.2 Vật liệu hấp phụ :

5.2.1 Than hoạt tính

Than hoạt tính, từ lâu đã được dùng để phòng độc, lọc không khí và lọc nước Mới đây, nhờ nhà khoa học Vũ Văn Bằng (Việt Nam) mà chúng ta được biết thêm một tính năng cực kỳ quan trọng của than hoạt tính,

đó là phòng tránh tác hại của tia đất

Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu

là nguyên tố carbon ở dạng vô định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit (ngoài carbon thì phần còn lại thường

là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát) Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn, 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), do vậy mà nó là một chất lý tưởng dùng để lọc hút nhiều loại hóa chất Bề mặt riêng rất lớn của than hoạt tính

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 thiếu 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 là: nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), giá thành sản xuất rẻ (được tạo từ gỗ thành than hoạt tính và từ nhiều phế chất hữu cơ khác, ví dụ: từ vỏ, xơ dừa), và đồng thời cũng xử lý chất thải rất dễ sau khi đã dùng (bằng cách đốt) Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại, từ tro đốt, cũng rất dễ

Ứng dụng:

Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng và các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn,

Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và chất tải cho các chất xúc tác khác,

Trong kỹ thuật thì làm một thành phần của cái lọc khí (trong đầu lọc thuốc lá, cũng như trong tủ lạnh và máy điều hòa nhiệt độ)

Trong xử lý nước (hoặc lọc nước trong gia đình): để tẩy các chất bẩn vi lượng

Phòng tránh tác hại của tia đất.

Than hoạt tính là: Than xốp chứa 88 - 98% than tuỳ theo điều kiện chế tạo, thu được bằng cách than hoá nguyên liệu hữu cơ (vd than mỏ, gỗ, sọ dừa, xương ) và hoạt hoá sản phẩm nhận được ở khoảng 900oC Hoạt hoá là quá trình cho than phản ứng với hơi nước, khí cacbonic, kẽm clorua, vv Vd do phản ứng C + CO2 = 2CO một phần than bị cháy tạo thành khí CO để lại lỗ hổng làm cho than trở nên xốp (độ xốp khoảng 60 - 70%) và do đó có khả năng hấp phụ tốt Là chất hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực, thường là chất hữu cơ, hấp phụ yếu các chất phân cực như nước, amoniac Được dùng để chế tạo mặt nạ chống hơi độc, thu hồi hơi dung môi hữu cơ, làm sạch dung dịch nước (vd tẩy màu dung dịch đường, dầu, mỡ ) Trong y học, được dùng để làm sạch máu và hút chất độc trong bộ máy tiêu hoá

5.2.2 Silicagel

Silica gel hay gel axit silixic là một chất rất sẵn có

trong tự nhiên, cộng thêm với tính năng ưu việt của nó trong các quá trình hóa học tạo nên cho silica gel một vị thế đáng được trân trọng Silica gel thực chất là điôxit silic, ở dạng hạt cứng và xốp (có vô số khoang rỗng li ti trong hạt) Công thức hóa học đơn giản của nó là SiO2.nH2O (n<2), nó được sản xuất từ natri othosilicat (Na2SiO4) hoặc Silic TetraClorua (SiCl4) Hiện nay silica gel có vai trò rất quan trọng trong công nghệ hóa học từ đơn giản đến phức tạp Silica gel được dùng rất nhiều làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ hóa dầu, lọc nước,

Trong đời sống hàng ngày, người ta thường gặp silica gel trong những gói nhỏ đặt trong lọ thuốc tây, trong gói thực phẩm, trong sản phẩm điện tử Ở đó, silica gel đóng vai trò hút ẩm để giữ các sản phẩm trên không bị hơi ẩm làm hỏng Silica gel hút ẩm nhờ hiện tượng mao dẫn ở hàng triệu khoang rỗng li ti của nó, hơi nước bị hút vào và bám vào chỗ rỗng bên trong các hạt Một lượng silica gel

cỡ một thìa cà phê có diện tích tiếp xúc cỡ một sân bóng đá Silica gel có thể hút một lượng hơi nước bầng 40% trọng lượng của nó và có thể làm độ ẩm tương đối trong hộp kín giảm xuống đến 40%

Để chỉ thị tình trạng ngậm hơi nước của silica gel, người ta cho một ít

chlorua coban vào Khi còn khô nó sẽ có màu hơi phớt xanh, khi bắt đầu ngậm hơi nước, nó chuyển dần sang màu xanh nhạt, rồi màu hồng, cuối cùng là trắng đục

Khi silica gel đã ngậm no nước, ta có thể tái sinh nó bằng cách giữ nó ở nhiệt

độ khoảng 150°C trong khoảng nửa giờ hoặc cho tới khi nào nó trở về màu phớt xanh

Silica gel có hiệu quả hút ẩm và tính kinh tế cao so với các loại hút ẩm khác Nơi sản xuất silica gel nhiều nhất là Thượng Hải, Thanh Đảo của Trung Quốc

5.3 Thiết bị hấp thụ.

5.3.1 Thiết bị hấp phụ gián đoạn

1: Quạt gió2: TB lọc không khí3: Đồng hồ lưu lượng 4: Tháp làm ẩm Kkhí5: TB chứa nguyên liệu6: TB hấp phụ

5.3.2 Thiết bị hấp phụ liên tục

Đây là một công nghệ tương đối mới được sử dụng để làm ngọt LPG nói riêng và làm nọt lỏng nói chung Công nghệ rây phân tử cho hiệu suất làm sạch rất cao tuy nhiên chi phí cho công nghệ này lại tương đối lớn và thường được sử dụng trong các nhà máy có công suất lớn, yêu cầu sản phẩm có độ sạch cao, đa dạng các sản phẩm công nghệ

Nguyên tắc của công nghệ là dùng lớp chất hấp phụ có kích thước mao quản cỡ

phân tử để hấp phụ các tạp chất ra khỏi dòng hydrocacbon Lớp hấp phụ thường được sử dụng là các loại zeolite, oxit nhôm hoạt tính, silicagel,

Dòng nguyên liệu đi vào thiết bị hấp phụ từ trên xuống Đi ra khỏi thiết bị hấp phụ là hydrocacbon đã được làm ngọt được đem sang bể chứa Chất hấp phụ trong tháp hấp phụ 1 sau khi bão hòa các tạp chất sẽ khóa van dòng nguyên liệu vào được chuyển sang tháp hấp phụ thứ 2 Lớp chất hấp phụ bão hòa được tái sinh bằng cách thổi khí có nhiệt độ cao từ 200-310 độC Khí thải được đưa sang lò đốt

để làm nhiên liệu hoặc được tận dụng để sản xuất hơi nước

5.4 ứng dụng