Để ứng dụng có hiệu quả và đánh giá khả năng làm việc của các chất hấp phụ (các bon hoạt tính) cần thiết phải có sự hiểu biết về cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ. Mục này trình bày tóm tắt một số nét cơ bản của quá trình hấp phụ vật lý của chất khí trên bề mặt vật rắn.
Lý thuyết BET đƣợc xem nhƣ là công cụ tốt nhất đƣợc sử dụng rộng rãi để lý giải quá trình hấp phụ vật lý của phân tử khí trên bề mặt vật rắn. Chúng là cơ sở cho một phƣơng pháp phân tích quan trọng để đo bề mặt riêng của một vật liệu. Vào năm 1938, Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett, và Edward Teller đã xuất bản một bài báo về lý thuyết BET trong tạp chí lần đầu tiên. BET là chữ viết tắt gồm các chữ đầu của họ gia đình ba nhà khoa học.
Quan niệm của lý thuyết BET là một sự mở rộng của lý thuyết Langmuir (áp dụng cho hấp phụ các phân tử đơn lớp) với các giả thiết cơ bản sau: Hấp phụ vật lý phân tử khí trên một vật rắn trong các lớp là vô hạn; không có tƣơng tác giữa mỗi lớp hấp phụ; lý thuyết Langmuir có thể đƣợc áp dụng cho mỗi lớp. Phƣơng trình BET cuối cùng có dạng sau:
*( ) + ( ) , (2.17)
trong đó P và Po là áp suất cân bằng và bão hòa tƣơng ứng của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ hấp phụ, v là lƣợng khí bị hấp phụ và vm là lƣợng khí bị hấp phụ đơn lớp. C là hằng số BET đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình sau:
(
) , (2.18)
trong đó, E1 là nhiệt hấp phụ đối với lớp thứ nhất, EL là nhiệt hấp phụ đối với lớp thứ hai và các lớp cao hơn và bằng nhiệt hóa lỏng.
45
Phƣơng trình (1) là đẳng nhiệt hấp phụ, nếu biểu diễn bằng đồ thị với *(
) +
trên trục y ( ) trên trục x theo các dữ liệu thực nghiệm ta đƣợc một đƣờng thẳng (hình 2.10). Quan hệ tuyến tính của phƣơng trình này chỉ đƣợc duy trì trong khoảng . Giá trị độ dốc A và đoạn giao điểm của đƣờng thẳng với trục y, I đƣợc sử dụng để tính lƣợng khí bị hấp phụ đơn lớp vm và hằng số BET, C. Có thể đƣợc sử dụng các phƣơng trình dƣới đây:
(2.19)
(2.20)
Lý thuyết BET đƣợc sử dụng rộng rãi trong khoa học bề mặt để tính diện tích bề mặt của các chất rắn bằng hấp phụ vật lý các phân tử khí. Tổng diện tích bề mặt St và diện tích bề mặt riêng S đƣợc đánh giá bằng các phƣơng trình dƣới đây.
( )
, (2.21)
trong đó, vm tính theo đơn vị thể tích và cũng là đơn vị thể tích mol của khí hấp phụ:
, (2.22)
trong hai phƣơng trình trên, các ký hiệu: N - là số Avogadro,
S - tiết diện ngang của mẫu hấp phụ, V - Thể tích mol của khí hấp phụ a - Khối lƣợng chất hấp phụ (g).
2.6. Kết luận
Nghiên cứu cơ sở khoa học của các quá trình công nghệ chế tạo sợi các bon hoạt tính từ sợi cellulose có thể thẩy rằng, để chuyển hóa sợi có nguồn gốc từ cellulose thành sợi các bon hoạt tính cần trải qua các giai đoạn cơ bản sau: xử lý nhiệt ban đầu hay còn gọi là ổn định hóa, các bon hóa và hoạt hóa.
Các tính chất nhiệt của nguyên liệu ban đầu rất quan trọng trong quá trình sản xuất sợi các bon. Trong quá trình phân hủy nhiệt cellulose trong môi trƣờng ôxy hóa ở nhiệt độ thấp (ổn định hóa) sự khử nƣớc kèm theo các phản ứng khép mạch, đồng thời có sự xắp xếp lại cấu trúc của cellulose. Có hai quá trình cạnh tranh nhau xảy ra trong giai đoạn ổn định hóa.
Sự thay đổi màu sắc và kết quả thử đốt cho phép xác định tính phù hợp của sợi sau ổn định hóa để đƣa vào các bon hóa. Thử đốt có thể xem là tiêu chuẩn để chỉ
46
ra rằng sợi đã đƣợc ổn định hóa và có thể chịu đƣợc nhiệt độ cao trong quá trình các bon hóa.
Có một số hợp chất có thể hỗ trợ cho quá trình phân hủy nhiệt cellulose ở nhiệt độ thấp. Hợp chất có chứa phốt pho thấm trong sợi có thể giúp cho việc tăng tốc độ của các phản ứng ổn định hóa trong sợi và các phản ứng này xảy ra ở nhiệt đội thấp hơn.
Thực hiện các phản ứng ở nhiệt độ thấp có thể giúp cho việc duy trì cấu trúc mạch vòng trong sợi làm cho khối lƣợng sợi hao hụt ít hơn trong khi chuyển hóa do phá vỡ cấu trúc sợi tạo chất bốc hơi cuốn theo các bon.
Tốc độ tăng nhiệt rất quan trong giai đoạn ổn định hóa. Tốc độ tăng nhiệt nhanh trong quá trình ổn định hóa không có lợi cho việc tạo thành sợi các bon từ sợi viscose.
Tóm lại, công nghệ chế tạo sợi các bon hoạt tính từ nguyên liệu ban đầu là sợi cellulose có thể đƣợc trình bày dƣới dạng sơ đồ (Hình 2.10) dƣới đây.
Hình 2.10. Sơ đồ công nghệ chế tạo sợi các bon hoạt tính
Sợi cellulose Chất xúc tác Thấm Sấy khô Ổn định hóa Các bon hóa Hoạt hóa
47
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỢI CÁC BON HOẠT TÍNH TỪ SỢI HYDRADCELLULOSE