Bài giảng rây phân tử và vật liệu hấp phụ PGS TS Tạ Ngọc Đôn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PGS.TS TẠ NGỌC ĐÔN Bài giảng RÂY PHÂN TỬ VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ Chuyên đề Dùng cho học viên cao học nghiên cứu sinh ngành Hóa học Công nghệ hóa học Hà Nội, 12/2009 Chuyên đề: Rây phân tử Vật liệu hấp phụ MỞ ĐẦU Chương Những vấn đề chung phương pháp hấp phụ I HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ I.1 Hiện tượng hấp phụ  Hấp phụ: Là tượng tăng nồng độ chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ Chất bị hấp phụ tồn bề mặt chất rắn (chất hấp phụ), không phân bố khắp toàn thể tích chất hấp phụ nên gọi trình phân bố chiều Điều khác với trình hấp thụ: chất bị hấp thụ sau làm giàu phân bố khắp thể tích chất hấp thụ  Khi bị hấp phụ lên bề mặt chất rắn, chất bị hấp phụ chiếm chỗ cấu tử đẩy khỏi vị trí mà gắn tượng gọi trao đổi ion Chuyên đề: Rây phân tử Vật liệu hấp phụ  Hiện tượng hấp phụ xảy lực tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ, đó: - Lực tương tác ph.tử gây hấp phụ vật lý, trao đổi ion; - Lực nội phân tử gây hấp phụ hóa học I.2 Hấp phụ môi trường nước  Trong nước, tương tác chất hấp phụ bị hấp phụ phức tạp hệ có thành phần gây tương tác là: nước – chất hấp phụ - chất bị hấp phụ  Do có mặt dung môi nên hệ xảy trình hấp phụ cạnh tranh chất bị hấp phụ dung môi bề mặt chất hấp phụ Cặp có tương tác mạnh xảy hấp phụ cho cặp Tính chọn lọc cặp tương tác phụ thuộc vào: - Độ tan chất bị hấp phụ nước; - Tính ưa kỵ nước chất hấp phụ; - Mức độ kỵ nước chất bị hấp phụ nước Chuyên đề: Rây phân tử Vật liệu hấp phụ Trong nước, bề mặt chất rắn có độ phân cực cao (VD: silicagel chứa nhiều nhóm OH) tương tác tốt với nước có góc thấm ướt < 90o Khi ấy, không tạo thành giọt bề mặt chất rắn Các chất rắn có độ phân cực thấp (VD: than muội) có tính thấm ướt kém, góc thấm ướt > 90o Khi ấy, coi kỵ nước   Khả hấp phụ chất tan (chất bị hấp phụ) lên chất hấp phụ phụ thuộc vào tính tương đồng chất bị hấp phụ chất hấp phụ độ phân cực: - Chất không phân cực (chất hữu cơ) hấp phụ tốt chất hấp phụ không phân cực (than hoạt tính) ngược lại - Một chất tan có độ phân cực cao nước hấp phụ tốt chất hấp phụ phân cực Chuyên đề: Rây phân tử Vật liệu hấp phụ - Cùng chất hóa học mà có PTL khác cấu tử có PTL lớn hấp phụ tốt không bị ràng buộc hiệu ứng “rây phân tử” - Với số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao (VD; Các ion kim loại, số dạng phức oxi anion SO42-, PO43-, CrO42-, ) trình hấp phụ xảy tương tác tĩnh điện Với ion hóa trị loại có kích thước lớn hấp phụ tốt có độ phân cực cao lớp vỏ hydrat nhỏ Lớp vỏ hydrat yếu tố cản trở tương tác tĩnh điện Theo do, xếp thứ tự khả hấp phụ sau:  Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+; Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+; Cl- < Br- < NO3- < I- < NCSKhả hấp phụ ion có hóa trị cao tốt nhiều so với ion có hóa trị thấp: K+ [...]... khí) hay H2O và CO (hiếu khí) Vì vậy, vi sinh vật cũng có khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ trên chất hấp phụ, tức là tái sinh chất hấp phụ 11 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤT HẤP PHỤ II.1 Giới thiệu  Một hệ hấp phụ có dung lượng cao hay thấp trước hết phụ thuộc vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ  Nói chung, chất hấp phụ có diện tích... dịch vô định hình, SP rắn tạo ra có độ xốp và diện tích khác nhau phụ thuộc cấu trúc mỗi loại zeolit)  Ngoài 4 phương pháp trên, một số chất hấp phụ polyme, chất hấp phụ khoáng tự nhiên và chất hấp phụ có nguồn gốc sinh học được chế tạo theo các nguyên lý riêng 15 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.3 Cấu trúc xốp của chất hấp phụ * Độ xốp của chất hấp phụ: Trong vật liệu xốp, thể tích của... thuộc bản chất vật liệu polyme mà mề mặt SP có độ phân cực rất khác nhau Tùy thuộc điều kiện tổng hợp có thể điều khiển được độ xốp, S và sự phân bố độ lớn mao quản  Khi chọn chất hấp phụ polyme để loại bỏ các tạp chất hữu cơ cần chú ý đến độ lớn mao quản, vì khả năng hấp phụ sẽ tỷ lệ với diện tích bề mặt 26 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ Bảng 3 Một số chất hấp phụ polyme và các đặc trưng... riêng càng lớn, phân tán càng mạnh) 12 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.2 Các phương pháp chế tạo chất hấp phụ  Nguyên tắc chế tạo chất hấp phụ xốp chủ yếu dựa trên 4 phương pháp: - Phương pháp kết tụ; - Phương pháp ăn mòn; - Phương pháp phân hủy nhiệt; - Phương pháp kết tinh thủy nhiệt * Phương pháp kết tụ: Tạo ra cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thước nhỏ hơn, khác với tạo viên bằng phương... vị cấu trúc tứ diện (a) và mạng lưới cấu trúc tứ diện (b) 31 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ : Hydroxyl : Me = Al, Fe, Mg, a) b) Hình 2 Đơn vị cấu trúc bát diện (a) và mạng lưới cấu trúc bát diện (b) 32 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ Mạng lưới bát diện và mạng lưới tứ diện lại liên kết với nhau qua oxy đỉnh chung theo những quy luật trật tự nhất định, tạo ra những khoáng sét... 800 10 Tách phân tử hữu cơ lớn như loại protein 5 XAD-7 Acrylic ester 55 1,05 450 9 Màu nhuộm, loại bỏ chất hữu cơ, thu hồi kháng sinh 6 XAD-8 Acrylic ester 52 1,09 160 23 Xử lý nước thải bột giấy 27 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.5.5 Các chất hấp phụ khác Ngoài các chất hấp phụ trên, còn có nhiều chất hấp phụ khác như: - Sắt oxit - Chất hấp phụ vô cơ tự nhiên (khoáng sét và zeolit tự... lỏng lúc áp suất thấp hơn áp suất bão hòa do các phân tử bị hạn chế chuyển động trong vùng mao quản này - Mao quản lớn: Đường kính ≥ 500Å (50nm), cơ chế hấp phụ có thể xảy ra theo kiểu đơn lớp, đa lớp, nhưng khong có hiện tượng ngưng tụ mao quản  17 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.5 chế tạo một số chất hấp phụ II.5.1 Chế tạo than hoạt tính Ng .liệu có thể có nguồn gốc rất khác nhau, thường...Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ c- Phương pháp vi sinh  Tái sinh chất hấp phụ bằng phương pháp vi sinh là tái tạo khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ nhờ vi sinh vật  Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa một số hợp chất, đặc biệt là chất hữu cơ có chứa carbon, nitơ, photpho  Trong quá trình... 1,5-2,6% - Trong phòng thí nghiệm, chế tạo Al2O3 thường thủy phân muối nhôm (sunfat, clorua, acetat), phèn với amoniac, xút, sô đa, để thu nhôm hydroxit, sau đó nung được Al2O3 Để thu được γ-Al2O3 nhiệt độ nung thường từ 300-600oC, S = 30-300m2/g 25 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.5.4 Chất hấp phụ polyme  Chất hấp phụ polyme có cấu trúc và cách chế tạo tương tự như các loại nhựa trao đổi... loại: Mao quản lớn và mao quản nhỏ: - Loại mao quản nhỏ có dung lượng hấp phụ cao hơn, sử dụng nhiều làm chất hút ẩm, mặt nạ phòng độc, tinh chế dầu mỏ - Loại mao quản lớn dùng cho các ứng dụng đặc thù (VD: Làm chất hấp phụ hoặc chất mang trong phân tích sắc ký) thường được biến tính bề mặt trước khi sử dụng  23 Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.5.3 Nhôm oxit  Là vật liệu màu trắng nhà,