CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION

QT & TB TRUYỀN KHỐI MMH: 607050 BỘ MƠN: QT & TB CNHH KHOA: KỸ THUẬT HỐ HỌC TRƯỜNG: ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM NGƯỜI SOẠN: PGS.TS Trịnh Văn Dũng 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.1 Một số khái niệm 8.2 Chất hấp phụ công nghiệp 8.3 Cân pha hấp phụ 8.4 Các phương pháp hấp phụ 8.5 Thiết bò hấp phụ 8.6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8.7 Trao đổi ion 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.1 Một số khái niệm • • • • Hấp phụ gì? Hấp phụ trình tách hay vài cấu tử từ hỗn hợp khí, hay lỏng chất rắn xốp Chất rắn xốp gọi chất hấp phụ Chất thu hồi (tách)ï gọi chất bò hấp phụ 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.1 Một số khái niệm •Hấp phụ chia thành: hấp phụ vật lý • hấp phụ hóa học •Hấp phụ vật lý: xảy lực “Van Der Vaals” • bò tính đối xứng ng phần tử bề mặt • hấp phụ có vài lớp đơn (sau đa) phân tử •Hấp phụ hóa học: phản ứng ng chất hấp phụ chất bò HP • tạo hợp chất bề mặt chất hấp phụ 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.1 Một số khái niệm Hấp phụ trình thuận nghòch: - Thuận: tách chất từ hỗn hợp khí, hơi, lỏng (hấp phụ); - Ngược: tách cấu tử bò hấp phụ (nhả hấp phụ); xảy với hấp phụ vật lý Hấp phụ trình chọn lọc: tương đối; tuyệt đối; 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.1 Một số khái niệm Lựa chọn chất hấp phụ: Độ chọn lọc cao; Dễ tái sinh; Ít độc hại; Rẻ, dễ kiếm, ổn đònh; Ứng ng dụng hấp phụ nhả hấp phụ 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.2 Chất hấp phụ công nghiệp Các vật liệu xốp có chứa: bọt xốp; mao quản lớn, nhỏ; Tính chất phụ thuộc: vào chất vật liệu; cấu trúc bên lỗ xốp; 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.2 Chất hấp phụ công nghiệp Chất hấp phụ đặc trưng bằng: bề mặt riêng m2/m3; độ xốp, m3/m3, %; kích thước hình học, m; khối lượng riêng, kg/m3; độ hấp phụ, g/g; độ bền học; Độ hấp phụ (hoạt độ) tónh: lượng chất thu hồi/1 đơn vò (tt, kl) đạt cân khí lỏng đứng yên 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.2 Chất hấp phụ công nghiệp Khả hấp phụ: nồng độ cực đại đạt đơn vò (khối lượng hay thể tích) Nó phụ thuộc vào: dạng chất hấp phụ cấu trúc xốp chất chất bò hấp phụ nhiệt độ, nồng độ (áp suất) 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.2 Chất hấp phụ công nghiệp Trong CN sử dụng loại chất hấp phu nào? Chất hấp phụ chất rắn xốp có bề mặt riêng lớn Theo thành phần hóa học chia thành: -Chất hấp phụ cacbon: than hoạt tính; vật liệu hydrocacbon dạng sợi; vài loại nhiên liệu rắn , - Chất phi cacbon: silicagen ôxít nhôm hoạt tính zeolit alumogel sét tự nhiên 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 10 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.4 Các phương pháp hấp phụ yC xR Cân vật chất Xét trình ngược chiều, với giả thiết: G = const; L = const Cân vi phân cho cấu tử bò hấp phụ: x V2 y V1 V1 1dy  V2  dx Tích phân cho toàn thiết bò: V1 1  y R  yV   V2   xV  xR  yV xV 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 15 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.4 Các phương pháp hấp phụ yC xR Cân vật chất Xét trình ngược chiều, với giả thiết: G = const; L = const Cho: L, xv, độ thu hồi e (xr) Tính: G, yR Thời gian hấp phụ x V2 y V1 yV xV 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 16 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.4 Các phương pháp hấp phụ yC xR Cân vật chất Có hai hàm X  x,  C2(x,) nên cần thêm phương trình động học: y V1  X  k C  C  X  f  Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt:   X f C  Giải hệ phương trình: C = f1(, x, y, z) X = f2(, x, y, z) 18.11.2012 Truyền khói A x V2 MSMH: 607050  yV xV 17 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.4 Các phương pháp hấp phụ yC xR Động học hấp phu:ï 5.1 Hấp phụ cân x V2 5.2 Hấp phụ không cân Để tính toán động học hấp phụ dùng: - Hệ số truyền khối; - Số đơn vò truyền khối; - Số bậc thay đổi nồng độ; - Hiệu suất; y V1 yV xV 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 18 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.4 Các phương pháp hấp phụ yC xR Động học hấp phu:ï 5.1 Hấp phụ cân x V2 5.2 Hấp phụ không cân Sử dụng động học để tính: - Thời gian lớp đạt cân bằng; - Tốc độ di chuyển lớp cần đến cuối; - Chiều cao lớp chất hấp phụ để đạt nồng độ; độ thu hồi y V1 yV xV 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 19 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.5 Thiết bò hấp phụ 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 20 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8.6.1 Đường kính: G , 785 W   w0  18.11.2012 0,016 r  d td g Truyền khói A 2 MSMH: 607050 21 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8.6.2 Chiều cao: GC1 dH u  d k S 01 X Từ đó: - Tính thời gian biết H; - Tính chiều cao; Chiều cao lớp hấp phụ tính theo: -Phương trình truyền khối; -Số đơn vò truyền khối; -Số đóa lý thuyết; 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 22 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8.6.2 Chiều cao: *  w  C 20  C  X   ln H   *  C  C X   K VC      k H  H  18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 23 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8.6.2 Chiều cao:     k H  H   01 X2 dX 0  *  Ka C1  C1 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 24 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.7 Trao đổi ion Trao đổi ion: hấp phụ hóa học chất hấp phụ rắn (ionit) dung dòch điện ly (nước) Động học trình gần giống trình hấp phụ Trong công nghiệp dùng chất hấp phụ trao đổi ion: -Tự nhiên: zeolit, sét tự nhiên nhân tạo … -Tổng hợp: polyme có khả trao đổi ion Các polyme có cấu trúc: mạng không gian ba chiều nút ô mạng: phân tử hay nhóm ion ion trái dấu di động: Na+, H+, NH4+, CH, Cl 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 25 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.7 Trao đổi ion Thường tiến hành trao đổi theo thứ tự: -Trao đổi cation hay anion 2; -Rửa (tái sinh) nhựa: axít, kiềm hay muối có ion trao đổi; Điều gây: -Tiêu tốn tác nhân; - Ô nhiễm nguồn nước; Trao đổi ion dùng sản xuất: -Các chất vô cơ; hữu cơ; -Thuốc kháng sinh; -Làm nước; -Chất xúc tác mang xúc tác; 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 26 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.7 Trao đổi ion Cân trao đổi ion Trao đổi ion xem phản ứng ng dò thể, mà phương trình phản ứng ng có dạng: ••- Trao đổi cation: RH + Na+ ⇌ H+ + RNa; Trao đổi anion: 2RCl + SO24 ⇌ R2SO4 + Cl 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 27 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.7 Trao đổi ion Theo đònh luật tác dụng khối lượng: z2 Rz1 Me  z1Me ⇌ z1 Rz Me  z Me z1 z2 z2 Phương trình đường đẳng nhiệt: z1 X 11 / Z 1/ Z 1/ Z  K i C1 C 1/ Z X2 1 2 Trong đó: K – số cân bằng; z1, z2 – hệ số tỉ lệ; x1, x2 – nồng độ cationít Me1 Me2 [kg/kg]; C1, C2 – nồng độ cation Me1 Me2 dung dòch, kg/m3 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 28 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8.7 Trao đổi ion Thứ tự ưu tiên trao đổi: Đối với nhựa Cationit acid mạnh: Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > H+ > Li+ Đối với nhựa Cationit acid yếu: H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+ 18.11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 29 [...]... lớp chất hấp phụ để đạt nồng độ; độ thu hồi y V1 yV xV 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 19 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 5 Thiết bò hấp phụ 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 20 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8. 6.1 Đường kính: G 0 , 785 W 0   w0  18. 11.2012 0,016 r  1 d td g Truyền khói A 2 MSMH: 607050 21 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 6 Tính... 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 23 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8. 6.2 Chiều cao:    0  k H  H 0   01 X2 dX 0  *  Ka 0 C1  C1 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 24 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 7 Trao đổi ion Trao đổi ion: hấp phụ hóa học giữa chất hấp phụ rắn (ionit) dung dòch điện ly (nước) Động học quá trình này gần giống quá trình hấp phụ. ..CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 3 Cân bằng pha trong hấp phụ Nồng độâ: X, X* [kg/kg] trong pha rắn; p, p* [atm] trong pha khí; C, C* [kg/m3] trong pha lỏng; Đường hấp phụ đẳng nhiệt: X    ( p ) X   C  * Phụ thuộc vào: bản chất của chất bò hấp phụ chất hấp phụ cấu trúc xốp của nó … 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 11 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 3 Cân bằng pha trong hấp phụ. .. đònh bằng TN 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 13 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 4 Các phương pháp hấp phụ 4.1 Lớp hấp phụ đứng ng yên: 4.2 Lớp hấp phụ di động: 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 14 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 4 Các phương pháp hấp phụ yC xR 4 Cân bằng vật chất Xét quá trình ngược chiều, với giả thiết: G = const; L = const Cân bằng vi phân cho cấu tử bò hấp phụ: x V2... chất hấp phụ trao đổi ion: -Tự nhiên: zeolit, sét tự nhiên và nhân tạo … -Tổng hợp: các polyme có khả năng trao đổi ion Các polyme có cấu trúc: mạng không gian ba chiều ở mỗi nút ô mạng: phân tử hay nhóm ion ion trái dấu di động: Na+, H+, NH4+, CH, Cl 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 25 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 7 Trao đổi ion Thường tiến hành trao đổi theo thứ tự: -Trao đổi cation hay... hay anion hoặc cả 2; -Rửa (tái sinh) nhựa: axít, kiềm hay muối có các ion đã trao đổi; Điều đó gây: -Tiêu tốn tác nhân; - Ô nhiễm nguồn nước; Trao đổi ion được dùng trong sản xuất: -Các chất vô cơ; hữu cơ; -Thuốc kháng sinh; -Làm sạch nước; -Chất xúc tác và mang xúc tác; 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 26 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 7 Trao đổi ion Cân bằng khi trao đổi ion Trao đổi ion được...  xV  xR  yV xV 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 15 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 4 Các phương pháp hấp phụ yC xR 4 Cân bằng vật chất Xét quá trình ngược chiều, với giả thiết: G = const; L = const Cho: L, xv, độ thu hồi e (xr) Tính: G, yR Thời gian hấp phụ x V2 y V1 yV xV 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 16 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 4 Các phương pháp hấp phụ yC xR 4 Cân bằng... lệ; x1, x2 – nồng độ cationít Me1 và Me2 [kg/kg]; C1, C2 – nồng độ cation Me1 Me2 trong dung dòch, kg/m3 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 28 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 7 Trao đổi ion Thứ tự ưu tiên khi trao đổi: Đối với nhựa Cationit acid mạnh: Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > H+ > Li+ Đối với nhựa Cationit acid yếu: H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+ 18. 11.2012 Truyền khói... cân bằng x V2 5.2 Hấp phụ không cân bằng Để tính toán động học hấp phụ có thể dùng: - Hệ số truyền khối; - Số đơn vò truyền khối; - Số bậc thay đổi nồng độ; - Hiệu suất; y V1 yV xV 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 18 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 4 Các phương pháp hấp phụ yC xR 5 Động học hấp phu:ï 5.1 Hấp phụ cân bằng x V2 5.2 Hấp phụ không cân bằng Sử dụng động học để tính: - Thời gian lớp... A MSMH: 607050 11 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 3 Cân bằng pha trong hấp phụ Thuyết hấp phụ Lang Muyr: kp X  X0 1  kp  Với: X0 – giá trò hấp phụ tới hạn; k – hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ; 18. 11.2012 Truyền khói A MSMH: 607050 12 CHƯƠNG 8 HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 3 Cân bằng pha trong hấp phụ Khi hấp phụ khí (hơi) theo Freundlich: Freundlich lg X  lg k  n lg p   C  k  V C 0  C  ...CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 1 Một số khái niệm 8. 2 Chất hấp phụ công nghiệp 8. 3 Cân pha hấp phụ 8. 4 Các phương pháp hấp phụ 8. 5 Thiết bò hấp phụ 8. 6 Tính toán thiết bò hấp phụ 8. 7 Trao đổi. .. 26 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 7 Trao đổi ion Cân trao đổi ion Trao đổi ion xem phản ứng ng dò thể, mà phương trình phản ứng ng có dạng: ••- Trao đổi cation: RH + Na+ ⇌ H+ + RNa; Trao đổi. .. MSMH: 607050 24 CHƯƠNG HẤP PHỤ VÀ TRAO ĐỔI ION 8. 7 Trao đổi ion Trao đổi ion: hấp phụ hóa học chất hấp phụ rắn (ionit) dung dòch điện ly (nước) Động học trình gần giống trình hấp phụ Trong công