QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ 2_Chuong 6 Hấp phụ (1)

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Q TRÌNH THIẾT BỊ Chương 6: Hấp phụ (Adsorption) CBGD Email : ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang : trangdtq@pvu.edu.vn I Khái niệm Định nghĩa: Hấp phụ trình hút chất lên bề mặt vật liệu nhờ ực bề mặt Chất bị hấp phụ: chất bị hút lên bề mặt phân chia pha (absorbate) Chất hấp phụ: chất bề mặt xảy hấp phụ (absorbent) ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 2 I Khái niệm Định nghĩa: Nguyên nhân hấp phụ: - Do trường lực hút gần sát bề mặt - Hiện tượng bề mặt: phân tử bề mặt chịu lực hút vào pha thể tích - Phân tử bề mặt có NĂNG LƯỢNG DƯ BỀ MẶT ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Định nghĩa: Hấp phụ xảy theo giai đoạn: Khuếch tán từ môi trường lỏng đến bề mặt hạt hấp phụ (phụ thuộc tính chất vật lý thủy động chất lỏng) Khuếch tán theo lỗ xốp đến bề mặt (phụ thuộc cấu trúc hạt) Tương tác hấp phụ (phụ thuộc cấu trúc hạt) VD: Hấp phụ than hoạt tính Di chuyển từ vùng tự đến vùng xung quanh Di chuyển từ vùng xung quanh bề mặt đến chất rắn Khuếch tán vào bên chất rắn ảnh hưởng chênh lệch nồng độ Hấp phụ lỗ xốp ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Rất nhanh Nhanh Chậm Rất nhanh Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Định nghĩa: VD: Hấp phụ than hoạt tính ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Định nghĩa: Phân loại hấp phụ:  Hấp phụ vật lý: lực hút phân tử Van-der waals, tương tác phân tử tương tác tĩnh điện, tác dụng không gian sát bề mặt  Hấp phụ hóa học: liên kết cộng hóa trị chất HP chất bị HP, tạo hớp chất bền bề mặt, khó nhả, phá phân tử thành nguyên tử gốc ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Định nghĩa: ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Định nghĩa: + Môt tượng thường xảy hấp phụ pha khí ngưng tụ chất lỏng mao quản nhỏ, xảy lực mao quản + Sự hấp phụ kèm theo tỏa nhiệt, hấp phụ vật lý nhiệt cỡ nhiệt ngưng tụ, hấp phụ hóa học nhiệt phản ứng  giải nhiệt đóng vai trò quan trọng vận hành hệ thống hấp phụ ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Các chất hấp phụ công nghiệp 2.1 Yêu cầu chất hấp phụ cơng nghiệp: - Có bề mặt riêng lớn (khoảng trăm m2 đến cỡ 2000 m2/g chất) - Có lỗ xốp đủ lớn để phân tử bị hấp phụ đến bề mặt, đủ nhỏ để loại cấu tử không mong muốn - Có thể hồn ngun dễ dàng - Tính trơ hóa học cao - Thời gian làm việc hiệu kéo dài - Đủ bền học để chiu rung động tác động học khác 2.2 Phân loại: (theo kích thước lỗ xốp) - Micropore: từ -10Ao, cực đại 15Ao, không gian phân tử - Medopore: từ 15Ao đến 1000Ao, cực đại 2000Ao - Macropore: kích thước lớn 1000 – 2000Ao Tạo 0,5 – 2m2/g bề mặt Nhưng tốc độ hấp phụ lớn ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học I Khái niệm Các chất hấp phụ công nghiệp 2.3 Một số chất hấp phụ phổ biến:  Than hoạt tính:  Oxide nhơm  Silicagen  Đất sét hoạt tính ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 10 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.2 Thuyết hấp phụ BET (Brunauer, Emmet Teller): - Các phân tử hấp phụ không chuyển động tự bề mặt không tương tác - Các vùng khác số lớp hấp phụ khác tổng bề mặt không đổi điều kiện cân - Các lớp đơn tạo hấp phụ lên bề mặt trống khử lớp kép -Tốc độ hấp phụ tỷ lệ với độ lớn bề mặt trống tần suất va chạm chất bị hấp phụ vào bề mặt  tính theo áp suất riêng phần k.F.P - Tốc độ khử hấp phụ tỷ lệ với phần bề mặt bị hấp phụ, phụ thuộc E lượng hoạt hóa: A.e RT F ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 16 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.2 Thuyết hấp phụ BET (Brunauer, Emmet Teller): • Cân động q trình HP nhả HP • Đối với bề mặt trống, cân đạt khi:  E1  E1 k RT k F P  A e F  F  e RT F1.P   F1 2 - Đối với lớp 1: 1 A1  E2  E2 k - Đối với lớp 2: k F P  A e RT F  F  e RT F P   F 2 3 2 A2 ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 17 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.2 Thuyết hấp phụ BET (Brunauer, Emmet Teller): - Mở rộng cho n lớp, BET xây dựng phương trình tính thể tích chất bị hấp phụ tương ứng đơn vị khối lượng chất hấp phụ: n 1  P  P 1  (n  1)  n    P0   P0   V2 P  B n 1 V1 P0   P  P P 1   1  ( B  1)  B    P0  P0    P0   Vi – thể tích chất bị hấp phụ lớp P, P0 – áp suất riêng phần áp suất bão hòa B =α/β n – số lớp k: số vận tốc hấp phụ F: bề mặt lớp hấp phụ - Phù hợp với đường đẳng nhiệt HP - Khi n = HP lớp  đường I - Khi , tùy quan hệ P, Po, B  đường II, III, … ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 18 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.3 Thuyết hấp phụ Freundrich (thích hợp cho chất lỏng): - Khả hấp phụ nhiệt độ thích hợp phù hợp với cơng thức: n a  K C C: nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch trạng thái cân a: hoạt độ (g/gvl) K, n: số cho trường hợp -Với chất khí, a  K p n p – áp suất riêng phần khí bị hấp phụ ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 19 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.4 Thuyết hấp phụ Polanvi: - Lực hấp phụ có tác dụng vùng không gian gần bề mặt hấp phụ hấp phụ - Hấp phụ khí lý tưởng nhiệt độ T nhỏ nhiệt độ tới hạn, tính: với: po áp suất bão hịa chất bị hấp phụ p áp suất riêng phần khí bị hấp phụ ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 20 II Cân hấp phụ Ảnh hưởng nhiệt độ - Biểu thức Dubinin  ảnh hưởng nhiệt độ lên cân hấp phụ (chất HP chứa chủ yếu mao quản nhỏ) ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 21 II Cân hấp phụ Ảnh hưởng nhiệt độ - Nhiệt độ tăng  giảm nhiều hoạt độ hấp thụ khí hơi, thay đổi dạng đường cân ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 22 II Cân hấp phụ Hấp phụ nhiều cấu tử - Hấp phụ đồng thời nhiều cấu tử - Hoạt độ hấp thụ chất phụ thuộc vào tính chất nồng độ chất khác có hỗn hợp Đối với hấp thụ chất hữu dung dịch nước, cân hấp phụ - ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 23 II Cân hấp phụ Ảnh hưởng cấu trúc mao quản, tính chất bề mặt chất hấp phụ độ pH Các chất hấp phụ giàu mao quản nhỏ  hấp phụ nhiều chất khí - Các chất hấp phụ giàu mao quản nhỏ  hấp phụ thấp chất hữu lỏng - Tính chất bề mặt: có cực khơng cực + Chất hấp phụ có cực (silicagen): hoạt độ lớn hấp phụ chất có cực (H20) + Chất hấp phụ khơng cực (than hoạt tính): hấp thụ tốt chất hữu - Độ pH ảnh hưởng tính chất bề mặt chấp hấp phụ chất bị hấp phụ dung dịch vd: chất kỵ nước hấp phụ tốt pH tương ứng điểm đẳng nhiệt - ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 24 III Động học trình hấp phụ Chuyển chất pha liên tục (lỏng khí) - Chất bị hấp phụ chuyển dần đến gần bề mặt hạt chất hấp phụ nhờ đối lưu Ở gần bề mặt hạt ln có lớp màng giới hạn làm cho truyền chất nhiệt chậm lại - Lượng chất bị hấp phụ theo phương trình truyền chất: ThS Đỗ Thị Quỳnh Trang Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 25 ... Q trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 12 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.1 Thuyết hấp phụ Langmuir: - Trên bề mặt chất hấp phụ chứa trung tâm hấp phụ Lực hấp phụ. .. hóa học 19 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.4 Thuyết hấp phụ Polanvi: - Lực hấp phụ có tác dụng vùng khơng gian gần bề mặt hấp phụ? ?? hấp phụ - Hấp phụ khí lý tưởng...  C k' Quá trình – Thiết bị cơng nghệ hóa học 14 II Cân hấp phụ Cân hấp phụ chế hấp phụ 1.2 Các chế hấp phụ: 1.2.1 Thuyết hấp phụ Langmuir: Nếu gọi am – mức độ hấp phụ bề mặt hoạt động bị phủ