a. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng
Phương trình BET.
(2.37)
(2.38) (2.39) Trong đó:
P: là áp suất cân bằng của chất bị hấp phụ. Po: là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ. V: thể tích chất bị hấp phụ tính cho 1 g chất rắn.
Vm: thể tích chất hấp phụ cần thiết tạo ra 1 đơn lớp phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt của 1 g chất rắn.
C = exp(Q-L)/RT.
Q: nhiệt của quá trình hấp phụ lớp chất bị hấp phụ đầu tiên.
L: ẩn nhiệt ngưng tụ của khí, bằng với nhiệt của quá trình hấp phụ ở những lớp tiếp theo.
Áp suất tương đối của khí là P/Po.
Trong nghiên cứu hấp phụ người ta quan tâm đến thể tích V của chất bị hấp phụ ứng với các áp suất cân bằng P của khí ( hơi ) trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ). Ở tại một nhiệt độ xác định mối quan hệ V = f(P) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Phương trình BET áp dụng với hấp phụ vật lý đa lớp, sử dụng để nghiên cứu bề mặt riêng và kích thước mao quản của hệ vật liệu mao quản.
o m m o a P P C V C C V P P V P 1 1 C V C m và C V b m m 1 , 1 b m C và m b Vm 1 , 1
59
Khi 0.05< P/Po < 0.35 thì xảy ra sự hấp phụ đơn lớp, khi áp suất tăng sự hấp phụ không phải là đơn lớp mà là đa lớp phân tử.
Để đánh giá loại mao quản của xúc tác người ta dùng đường hấp phụ đẳng nhiệt chuẩn để đánh giá thông qua các loại đường chuẩn (đồ thị 2.3).
Đồ thị 2.3 Các đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ theo phân loại IUPAC
Trong đó:
Loại I: vật liệu vi mao quản chiếm ưu thế.
Loại II và III: vật liệu mao quản có mao quản lớn.
Loại IV và V: vật liệu mao quản trung bình.
Loại VI: Loại vật liệu mao quản có nhiều mao quản và mao quản bé không đồng đều.
II I
III IV
60
Các loại mao quản: mao quản nhỏ (d < 2 nm), mao quản trung bình ( 2nm < d < 50 nm) và các mao quản lớn ( d > 50 nm).
Như vậy dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt theo phương pháp BET ta có thể xác định tương đối chính xác cấu trúc của loại vật liệu và qua đó có thể đưa ra hướng sử dụng phù hợp cho chúng.
b. Phương pháp hấp phụ và khử hấp phụ vật lý N2 (BET)
Phương pháp đo hấp phụ và nhả hấp phụ N2 dựa trên thuyết hấp phụ đa lớp của Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett và Edward Teller (BET):
Vật liệu được hấp phụ khí N2 tại nhiệt độ 77K. Theo phương trình BET:
Trong đó: Va là số mol khí bị hấp phụ ở áp suất Pa,(mol/g).
C là hằng số BET.
Vm là thể tích cần thiết để hình thành đơn lớp hấp phụ trên bề mặt, mol/g.
P là áp suất khí (mmHg).
P0 là áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ tại nhiệt độ đã cho (mmHg). Có thể xây dựng được đồ thị biểu diễn mối quan hệ P/V.(P0-P) và P/P0 , đó là một đường thẳng trong khoảng P/P0 = 0,05 0,3. Dựa vào hệ số góc và điểm cắt trục tung của đường thẳng biểu thị mối quan hệ giữa P/Va(Pa-P) và P/Po, xác định được Vm và từ đó tính được diện tích bề mặt riêng S (m2/g) theo công thức:
S = Vm. an.Na.10-20 (2.41)
Trong đó: an là tiết diện ngang của phẩn tử Ni, Ǻ. Na là số Avogadro, bằng 6,023.1023 mol-1.
Trên cơ sở xác định lượng N2 mà vật liệu có thể hấp phụ vào cũng như nhả ra khi thay đổi áp suất mà người ta xác định được cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng của vật liệu.
Thực nghiệm: Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp N2 được tiến hành trên thiết bị Micromerictic ASAP 2010 tại PTN Công nghệ Lọc hóa dầu và vật liệu xúc tác hấp phụ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
61