chương 2 ký thuật bậc cao

Chương Hấp Phụ Trao Đổi Ion (Adsorption and Ion Exchange) TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Hấp phụ (adsorption): trình tích tụ chất mặt ranh cách phân chia hai pha (interface) Nhả hấp (desorption): ngược lại với trình hấp phụ Chất bám vào mặt phân cách rắn/lỏng gọi chất bị hấp phụ (adsorbate) chất rắn gọi chất hấp phụ (adsorbent) Khác biệt hấp phụ hấp thụ (absorption) Hấp phụ: diễn bề mặt pha Hấp thụ : chất di chuyển từ pha vào pha khác Quá trình hấp phụ hấp thụ thường khó phân biệt thực tế Cả hai trình gom thành → hấp thu (sorption), chất bị hấp thu (sorbate), chất hấp thu (sorbent) http://www.erica.nl/Chemviron/adsorptionvsabsorption2.gif http://www.laraadler.com/coaches/wp-content/uploads/2013/04/Untitled-copy-1024x458.png Hấp phụ vật lý: chất bị hấp phụ thông qua tương tác tĩnh điện tương tác vật lý khác (như van deer Waals) → chất bị hấp phụ vật lý (physically adsorbed) Hấp phụ hoá học: chất bị hấp phụ thông qua tương tác hoá học → chất bị hấp phụ hoá học (chemically adsorbed chemisorbed) Các chất bị hấp phụ hoá học bám vào bề mặt chất hấp phụ tương tác tĩnh điện có tính đẩy (ví dụ: chất bị hấp phụ mang điện tích bám vào bề mặt chất hấp phụ mang điện tích dương) Mật độ hấp phụ (adsorption density): lượng chất bị hấp phụ đơn vị lượng chất hấp phụ (q, 𝜞) q: mg mole chất bị hấp phụ gram chất hấp phụ 𝜞 khối lượng (mg µmol) chất bị hấp phụ đơnstrongly vị diện tích bề mặt (m2) chất hấp phụ on the chemical identity of the adsorbate, the primary driving force for the reaction is attributed to specific chemical interactions between the adsorbate and the adsorbent In such cases, the adsorbate is said Diện tích bề mặt riêng (specific surface area, SSS): to be specifically or chemically adsorbed (or chemisorbed) Chemically adsorbing molecules might bind to a surface even under conditions where electrostatic interactions oppose adsorption; that is, they can allow a diện tích bề mặt đơn vịsurface khối lượng chất cationic adsorbate to bindtrên to a positively charged In fact, however, most molecules interactrắn with the surface in various ways that might be considered either physical or chemical, so these distinctions (and the terms) should be used and interpreted cautiously (m2/g)associated The amount of material adsorbed per unit amount of adsorbent is called the adsorption density and is represented in equations as either q or Γ The adsorption density can be quantified as the qi =commonly 𝜞i(SSA) (7.1) adsorbed mass per unit surface area (with units such as mg or µmoles of sorbate per m2 of sorbent) or per unit mass of sorbent (e.g., mg or µmoles sorbate per gram of sorbent) It is common, though far from universal, to represent the adsorption density by Γ in the former case, and by q in the latter, and that convention is adopted here The surface area per unit mass of the solid (meter square per gram) is called the specific surface area (SSA), so: (7-1) In the environmental engineering literature, adsorption densities are most often reported based on the mass of adsorbent (i.e., they are reported as q values) Therefore, throughout the chapter, generic equations that include the adsorption density are presented using q to represent that parameter However, it should be understood that the same equations could be expressed in terms of Γ by applying the relationship shown in Equation 7-1 When adsorption occurs in an aqueous system, the amount of a species that is adsorbed per unit volume of solution is also often of interest This quantity can be expressed as a conventional concentration, for example, as mg of adsorbed i per liter of solution Such terms are generally represented in equations like any other concentration; that is, as ci, and can be computed as the product of the adsorption density and the concentration of adsorbent in the system: Khi trình hấp phụ diễn nước, lượng chất bị hấp phụ đơn vị thể tích dung dịch thông số cần quan tâm (7-2) Several of (mg the preceding definitions illustrated schematically in Figure 7-1.(g solid/L) (7.2) ci,adsorbed i/L) = qare i/g solid)c i(mg solid Figure 7-1 Schematic showing various components and descriptive terms for an adsorptive system Figure 7.1 - Bejamin and Lawler Textbook 430 Sự phân bố chất bị hấp phụ pha lỏng (dạng hoà tan) pha rắn (dạng bám dính bề mặt chất hấp phụ) tương tự cân hoá học equilibrium) For a (chemical given system composition, only one distribution of adsorbate between the dissolved and the adsorbed states is consistent with chemical equilibrium In the absence of other forces, the system would Mối quan hệ mật độ hấp phụ q nồng độ chất ultimately reach this condition Relationships expressing the equilibrium adsorption density as a function of The bị adsorbate hấp phụ trạng thái cân isotherms gọi hấp the the dissolved concentration are called adsorption termđường “isotherm” emphasizes fact that the relationship (like all equilibrium constants) is sensitive to temperature; adsorption reactions are đẳng nhiệt (adsorption phụ thuộc invariablyphụ exothermic, so the tendency to adsorb declinesisotherm) with increasing temperature Unfortunately, the term is used in two slightly different ways in the literature: in some usages, it represents vào nhiệt độ (quá trình toả nhiệt, hấp phụ giảm khithe general relationship between adsorption density and dissolved concentration that is associated with a certain conceptualnhiệt model độ of adsorption, tăng) and in others, it represents the specific mathematical relationships applicable to particular adsorbate–adsorbent pairs Ba đường đẳng phổfrequently biến tođể mô tảadsorption in The isotherms (in the latter sense ofnhiệt the term)sử that dụng are used most characterize environmental systems knowntrong as the linear, and Freundlich The mathematical trình hấparephụ môiLangmuir, trường tuyếnisotherms tính (linear), forms of these isotherms are shown in the following equations, and the isotherms are presented graphically in Figure 7-2 Langmuir, Freudlich (7-3) (7-4) (7-5) where klin, KLang, qmax, kf, and n are all empirical constants.3 Figure 7-2 Generic adsorption isotherms The mathematical basis for each isotherm shown is developed later in the chapter Figure 7.2 - Bejamin and Lawler Textbook The linear isotherm (Equation 7-3) describes systems in which the equilibrium adsorption density is proportional to the dissolved adsorbate concentration Such an isotherm is often reported to characterize the sorption of trace compounds such as pesticides in systems, where the solids are abundant (e.g., in soils) The equation defining this isotherm is exactly analogous to Henry's law in systems, where gas/liquid equilibrium is being characterized Under conditions where KLangc 1, the Langmuir isotherm (Equation 7-4) also describes a linear Tuyến tính: q = klinc Hấp phụ chất ô nhiễm có nồng độ thấp (dạng vết, trace compounds) hệ thống có lượng chất rắn lớn (ví dụ: thuốc trừ sâu đất) Langmuir: q = (qmaxKLangc)/(1 + KLangc) Thường dùng để mô tả hệ thống có điểm hấp phụ (adsorptive sites) gần đồng (ví dụ: nhựa trao đổi ion) Freudlich: q = kfcn Hấp phụ chất vào than hoạt tính, oxit kim loại klin, KLang, qmax, kf số thực nghiệm Đường đẳng nhiệt xác định từ thí nghiệm mẻ khuấy trộn hoàn toàn Trong thí nghiệm này, nồng độ chất hấp phụ chất bị hấp phụ thay đổi để có cặp giá trị q c Hỗn hợp chất bị hấp phụ chất hấp phụ khuấy trộn với thời gian đủ dài để hệ thống đạt cân Sau đó, số liệu thí nghiệm cho khớp với phương trình đường đẳng nhiệt Khi có đường đẳng nhiệt cặp chất hấp phụ/chất bị hấp phụ, đường sử dụng để dự đoán phân bố chất bị hấp phụ bề mặt phân cách pha lỏng/rắn chất lỏng điều kiện khác 10 Trong hệ thống mẻ, lượng chất hấp phụ cần sử dụng tính từ bảo toàn vật chất với giả định sau: Trạng thái cân Chất bị hấp phụ không tạo bị phá huỷ, chuyển từ dung dịch sang chất hấp phụ (KL chất bị hấp phụ ban đầu hệ thống) = (KL chất bị hấp phụ dung dịch cân bằng) cinitVL + qinitcsolidVL = cfinVL + qfincsolidVL (7.6) csolid = KL chất rắn đơn vị thể tích dung dịch cinit – cfin = (qfin – qfin)csolid (7.7) csolid = (cinit – cfin)/(qfin- qinit) (7.8) Khi chất hấp phụ sử dụng, qinit = 0, csolid = (cinit – cfin)/qfin 11 Ví dụ Một nghiên cứu hấp phụ CrO42- hai chất hấp phụ khác (A B) cho hai đường đẳng nhiệt hình Nếu muốn giảm nồng độ CrO42- nước thải từ 0.2 đến 0.02 mmol/L (khoảng từ 10 đến mg Cr/L) hấp phụ thiết bị xử lý mẻ với lượng chất hấp phụ (g/L) nhỏ a) Nên sử dụng chất hấp phụ nào? Tại sao? b) Tính lượng chất hấp phụ cần sử dụng 12 Example 7-1 A study of adsorption of CrO42− onto two different adsorbents (A and B) yields the isotherms shown in Figure 7-3 You wish to reduce the concentration of CrO42− in a wastewater from 0.2 to 0.02 mmol/L (roughly 10 to mg Cr/L) by sorption in a batch treatment process, using the minimum dose (g/L) of solid (a) Which adsorbent would you use, and why? (b) What adsorbent dose is required? Figure 7-3 Hypothetical isotherms for adsorption of CrO42− onto two adsorbents Figure 7.3 - Bejamin and Lawler Textbook Solution (a) The initial CrO42− concentration is 0.20 mmol/L, so it is necessary to remove 0.18 mmol/L CrO42− 13 from solution Also, once the solution and solid have equilibrated, will be 0.02 mmol/L For a given concentration of contaminant removed from solution, the larger the adsorption density, the less solid is required Therefore, adsorbent B, which has the larger adsorption density in equilibrium with the final, dissolved CrO42− concentration will be the preferred one Note that adsorbent A has a higher adsorption density in equilibrium with the concentration in the raw water, but this fact is irrelevant for answering the question, since the ultimate adsorption density is in equilibrium with the treated water, not the initial solution (b) The adsorption density on adsorbent B when it is in equilibrium with a dissolved concentration of 0.02 mmol/L is ~0.65 mmol CrO42−/g solid The required dose of the adsorbent can therefore be computed from Equations 7-7 to 7-9 as: 2- Bài giải: a) Nồng độ ban đầu CrO4 0.2 mmol/L, cần phải loại bỏ 0.18 mmol/L CrO42- từ dung dịch Khi dung dịch chất rắn đạt trạng thái cân bằng, cCrO42- 0.02 mmol/L Khi cần loại bỏ chất ô nhiễm khỏi dung dịch, chất hấp phụ có mật độ hấp phụ q cao lượng chất hấp phụ cần sử dụng thấp → cân nồng độ CrO42- hoà tan 433 0.02 mmol/L, chất hấp phụ B có mật độ hấp phụ cao A → chất B lựa chọn 14 Bài giải: b) Mật độ hấp phụ q chất B cân với 0.02 mmol/L CrO42- khoảng (0.65 mmol CrO42-/g solid) → lượng chất hấp phụ B cần dùng csolid = (cinit – cfin)/qfin = (0.20 – 0.02)(mmol CrO42-/L)/(0.65 mmol CrO42-/g solid) = 0.277 g solid/L 15 VÍ DỤ VỀ HẤP PHỤ TRONG TỰ NHIÊN VÀ TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Sử dụng than hoạt tính (activated carbon) cho xử lý nước cấp nước thải Hấp thu NOM trình keo tụ dùng để xử lý nước cấp Hấp thu ion kim loại mang điện tích dương vào oxit sắt nhôm 16 Sử dụng than hoạt tính (activated carbon) cho xử lý nước cấp nước thải Là chất hấp phụ sử dụng phổ biến xử lý nước nước thải Được dùng dạng hạt (granular – GAC) dạng bột 7.2 Examples of Adsorption (powder – PAC)in Natural and Engineered Aquatic Systems Có thể xử lý chất hữu tự nhiên (các chất humic, In this section, a brief description is provided of some of the most important applications of adsorption in environmental systems chất gây vị mùi nước) hữu nhân (dung môi,and thuốc trừ sâu) cách kinh tế Use of Activatedtạo Carbon for Water Wastewater Treatment Activated carbon is the most widely used adsorbent in water and wastewater treatment systems and, as noted hiệu → form nồng độ sau xử Contaminants lý previously, is used in both granular and powdered (GAC and PAC, respectively) that thấp µg/L can be removed from water by adsorption onto activated carbon include both naturally occurring and synthetic organic compounds (e.g., humic substances, compounds that impart tastes and odors to drinking water, and solvents and pesticides) Many of these contaminants are so strongly attracted to the activated carbon surface that their dissolved concentrations can be reduced to submicrogram per liter levels using dosages of carbon that are economically reasonable As an example, Figure 7-4 shows the results of a study in which 20 mg/L PAC was able to remove 85–95% of the algal-generated, odor-producing compound 17to sorb volatile organic geosmin from solutions initially containing