Hấp phụ là quá trình thu hút các phân tử khí, hơi, hoặc các phân tử, ion của chất tan trên bề mặt pha ngưng tụ làm cho năng lượng bề mặt pha ngưng tụ giảm xuống.
Quá trình hấp phụ có thể xảy ra giữa các pha: Khí- rắn, lỏng- rắn, khí -lỏng, lỏng- lỏng. Chất hấp phụ thường được dùng là chất rắn xốp, có bề mặt riêng lớn.
Quá trình hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa bề mặt chất hấp phụ với các phân tử chất tan gọi là lực hấp phụ. Nếu lực hấp phụ giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực Vandervan thì đó là hấp phụ vật lý. Nếu lực hấp phụ là lực liên kết hóa học thì gọi là hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý ít có tính chọn lọc và là hấp phụ thuận nghịch, nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình này nhỏ và khi nhiệt độ tăng sự hấp phụ giảm.
Hấp phụ hóa học có tính chọn lọc và không thuận nghịch. Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ lớn hơn nhiều so với hấp phụ vật lý mà khi nhiệt độ tăng sự hấp phụ tăng.
Chất hấp phụ là chất có bề mặt thực hiện hấp phụ. Chất hấp phụ thường ở dạng rắn. Chất bị hấp phụ là chất bị hút, dính lên bề mặt của chất hấp phụ. Các chất hấp phụ được dùng nhiều trong thực tế là than hoạt tính, GO, silicagen, nhôm oxit... Đây là những chất có bề mặt riêng khá lớn. Các chất bị hấp phụ thường là hơi nước, các chất khí như O2, N2, CO2, ... hoặc các chất hoà tan trong dung dịch [1].
Lực liên kết trong quá trình hấp phụ có thể là lực hút tĩnh điện, lực định hướng, lực tán xạ, trong trường hợp lực đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hay tạo phức, trao đổi ion. Theo thuyết Langmuir nguyên nhân của sự hấp phụ là:
Sự có mặt những phần tử hóa trị không bão hòa trên bề mặt chất hấp phụ. Khi hấp phụ do tác dụng lực hóa trị mà sinh ra liên kết hóa học.
Khoảng cách tác dụng của lực hóa trị rất ngắn không quá đường kính phân tử do đó chỉ hấp phụ một lớp.
32
Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ chứ không xảy ra trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Hoạt tính chất hấp phụ phụ thuộc vào số lượng tâm hấp phụ.
Các chất hấp phụ được dùng nhiều trong thực tế là than hoạt tính, silicagen, nhôm oxit... Đây là những chất có bề mặt riêng khá lớn.
Các chất bị hấp phụ thường là hơi nước, các chất khí như O2, N2, CO2, ... hoặc các chất hoà tan trong dung dịch.
Mọi vật có năng lượng tự do bề mặt lớn đều không bền vững và có xu hướng xảy ra quá trình làm giảm năng lượng. Quá trình hấp phụ làm cho sức căng bề mặt của chất hấp phụ giảm xuống, vì thế hấp phụ là quá trình tự xảy ra.
Lực hấp phụ được đánh giá dựa vào biến thiên năng lượng tự do (G). Những chất có năng lượng tự do cao có khả năng hấp phụ tốt. Tốc độ hấp phụ phụ thuộc vào bản chất và diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, nhiệt độ, pH và bản chất của chất tan... Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ, chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất hấp phụ.
Ở trạng thái cân bằng, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp phụ, nghĩa là trong một đơn vị thời gian số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ bằng số phân tử di chuyển ngược từ bề mặt chất hấp phụ vào trong lòng dung dịch và nồng độ chất tan trong dung dịch là không đổi gọi là nồng độ cân bằng. Khi đó dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ được xác định.
Dựa vào lý thuyết và thực nghiệm, các nhà khoa học đã mô tả quá trình hấp phụ qua các phương trình toán học.