4. Ý nghĩa
1.3.2. Các đặc tính của chất hấp phụ
* Cấu trúc hóa học:
Chất hấp phụ cũng như các hợp chất khác, nói đến cấu trúc hóa học là nói đến thành phần hóa học của nó. Có nhiều loại chất hấp phụ và tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc khác nhau. Cấu trúc mạng chất rắn có thể là tinh thể ba chiều như zeolit; Cấu trúc lớp như các khoáng sét, graphit; cấu trúc tinh thể của một số kim loại như: nhôm, Sắt, Mangan và cấu trúc vô định hình. Để xác định cấu trúc tinh thể người ta dùng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen.
*Cấu trúc xốp:
Cấu trúc xốp của vật liệu hấp phụ được đặc trưng bởi các yếu tố như: độ xốp hay thể tích rỗng, sự phân bố kích thước mao quản theo độ lớn, diện tích bề mặt, sự phân bố diện tích bề mặt theo độ lớn mao quản [3].
Đối với một vật liệu xốp, thể tích của nó gồm hai phần: phần chất rắn và phần không gian rỗng. Vì vậy ứng với mỗi thể tích có một đại lượng khối lượng riêng. Người ta định nghĩa khối lượng riêng thực ρt là tỷ lệ giữa khối lượng m và thể tích của một phần chất rắn Vr. Khối lượng riêng biểu kiến ρb là tỷ lệ khối lượng m với tổng thể tích vật liệu Vt [1]:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Độ xốp của vật liệu β được định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích phần rỗng trên Vt:
Điểm đẳng điện:
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường. Sự thay đổi pH của môi trường dẫn tới sự thay đổi bản chất của chất hấp phụ về nhóm chức bề mặt, thế oxi hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó, đặc biệt đối với các chất có độ phân cực cao, các chất có tính lưỡng tính, chất có tính axit, bazơ yếu. Đối với một số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại, một số dạng oxi anion (SO42−, PO43−, CrO42− ...), quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép.
Lớp điện kép hình thành từ bề mặt chất rắn với sự giảm dần nồng độ của các ion trái dấu (so với lớp ion quyết định dấu trên bề mặt hạt keo), theo khoảng cách so với bề mặt chất rắn. Do lớp điện kép, bản thân chất hấp phụ trong môi trường nước đã mang điện, điện tích thay đổi dấu khi pH của môi trường thay đổi. Tại điểm pH mà ở đó mật độ điện tích của các ion trái dấu bằng nhau là điểm đẳng điện. Tại giá trị thấp hơn giá trị này, bề mặt tích điện dương và ở giá trị pH cao hơn giá trị này thì bề mặt tích điện âm [4].
*Diện tích bề mặt riêng:
Diện tích bề mặt riêng của một chất rắn được định nghĩa là tổng của toàn bộ diện tích bề mặt của chất rắn đó trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ.
ρb = m Vt (2) ρt = m V r (1) β = Vt - Vr Vt = 1 - (3) Vr Vt = 1 - ρb ρt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Các phương trình dùng để xác định diện tích bề mặt riêng là phương trình Langmuir, phương trình BET (Brunauer-Emmett-Teller).
Phương trình Langmuir có dạng:
(4)
Trong đó: a - dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ ứng với nồng độ C, mg/g. C - nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng, mg/l. K - hằng số hấp phụ Langmuir.
Từ số liệu thực nghiệm C ta vẽ đồ thị trục tung là 1/a, trục hoành là 1/C sẽ nhận được đoạn thẳng, độ nghiêng tgα và điểm cắt trục tung đó của đoạn thẳng cho phép xác định lượng chất hấp phụ đơn lớp am và hằng số Langmuir KL.
Diện tích bề mặt khi đó được tính bằng tích của số phân tử chất bị hấp phụ đơn lớp (am) với tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề mặt chất rắn.
Phương trình đẳng nhiệt BET áp dụng để đo diện tích bề mặt có dạng:
x C a C C a x a x m m . . 1 . 1 ) 1 .( (5) - Trong đó: x = p/ps; C là hằng số
Vẽ đồ thị có trục tung là vế trái và x là trục hoành sẽ nhận được đường thẳng, thường nằm trong khoảng x = 0,05 ÷ 0,35. Độ dốc của đường thẳng này có giá trị (C - 1)/(am.C) và cắt trục tung tại 1/am.C. Từ hai giá trị này sẽ định được dung lượng hấp phụ đơn lớp am, từ đó tính được diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET.
S = NA.am.Am (6) Trong đó: - S là diện tích bề mặt BET.
m m m a 1 C .K a 1 a 1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- NA là số Avogadro
- Am là diện tích chiếm chỗ của một phần tử chất bị hấp phụ (phân tử Nitơ 162 Å2, phân tử kryton là 20,2 Å2
).
Ngoài ra diện tích bề mặt riêng có thể xác định được khi biết thể tích và bán kính mao quản (V, r): Với giả thiết mao quản là hình trụ: S = 2V/r và giả thiết mao quản của quá trình nén thủy ngân theo phương pháp phân tích số: