CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.3 Khảo sát bề mặt riêng của than hoạt tính và vật liệu CNFs bằng phương pháp hấp phụ đa phân tử BET
pháp hấp phụ đa phân tử BET
Hấp phụ khí thường được sử dụng để đặc trưng một số tính chất của vật liệu mao quản như: diện tích bề mặt riêng, thể tích mao quản, phân bố kích thước mao quản cũng như tính chất bề mặt. Có rất nhiều phương pháp hấp phụ để đặc trưng cho vật liệu mao quản, nhưng phổ biến hơn cả là dùng đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ Nitơ ở 77K. Lượng khí bị hấp phụ V được biểu diễn dưới dạng thể tích là đại lượng đặc trưng cho số phân tử bị hấp phụ, nó phụ thuộc vào áp suất cân bằng P, nhiệt độ T, bản chất của khí và bản chất của vật liệu rắn. V là một hàm đồng biến với áp suất cân bằng. Khi áp suất tăng đến áp suất bão hòa Po, người ta đo các giá trị thể tích khí hấp phụ ở các áp suất tương đối (P/Po) thì thu được đường "đẳng nhiệt hấp phụ", còn khi đo V với P/Po giảm dần thì nhận được đường "đẳng nhiệt khử hấp phụ".
Trong thực tế, đối với vật liệu mao quản trung bình đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ không trùng nhau, mà thường thấy một vòng khuyết (hiện tượng trễ) đặc trưng cho hiện tượng ngưng tụ mao quản của vật liệu mao quản trung bình. Hình dạng của đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ và vòng trễ thể hiện những đặc điểm về bản chất và hình dáng mao quản. Theo phân loại của IUPAC, có các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ biểu diễn trên hình 2.2.
Hình 2.2: Các đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại của IUPAC
Đường đẳng nhiệt kiểu I trong hình tương ứng với vật liệu vi mao quản hoặc không có mao quản. Kiểu II và kiểu III là của vật liệu mao quản có mao quản lớn (d > 50 nm). Đường đẳng nhiệt kiểu IV và V tương ứng với vật liệu có mao quản trung bình. Kiểu bậc thang VI ít khi gặp. Diện tích bề mặt riêng thường được tính theo phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET). Theo phương pháp này, diện tích bề mặt được tính dựa trên diện tích bề mặt bị chiếm giữ bởi các phân tử khí hấp phụ đơn lớp trên bề mặt vật liệu. Phân bố kích thước mao quản cũng có thể được tính bởi nhiều phương pháp khác nhau, nhưng thông dụng nhất là phương pháp Barret, Joyner và Halenda (BJH).
Áp dụng phương pháp BET để đo bề mặt riêng: nếu Vm là thể tích chất bị hấp phụ tương ứng với một lớp hấp phụ đơn phân tử đặc sít trên bề mặt rắn (cm3/g), thừa nhận tiết diện ngang của một phân tử N2 là σ = 0,162 nm2, ta có biểu thức tính SBET theo m2/g như sau: SBET = 4,35xVm
Như vậy để xác định được SBET cần phải biết được Vm. Đại lượng này thường được tính toán dựa vào phương trình BET ở dạng:
(1.14) Trong đó :
- P/Po là áp suất hơi tương đối của Nitơ - V là thể tích hấp phụ cân bằng tại P/Po
- C là hằng số đặc trưng cho năng lượng hấp phụ của lớp đầu tiên
Hình 2.3: Đồ thị xác định các thông số của phương trình BET
Tiến hành xây dựng đồ thị P/[V(Po-P)] phụ thuộc vào P/Po sẽ nhận được một đoạn thẳng trong khoảng giá trị P/Po từ 0,05-0,3. Khi ấy thông số của phương trình trên được xác định qua các biểu thức:
và
Trên đây là phương pháp đo bề mặt riêng theo phương trình BET, được áp dụng đối với khí Nitơ. Trong thực tế một số trường hợp, nếu cần sự khuếch tán tốt trong các vi mao quản nhỏ, chẳng hạn như Zeolite có mao quản hẹp thì thường phải chọn các phân tử hay nguyên tử bé hơn Nitơ như Argon, Hydro hoặc Heli. Nhưng vì Hydro có thể hấp phụ hóa học, còn Heli thì khó thao tác thực nghiệm nên việc ứng dụng vẫn còn hạn chế.