1.5.1.1. Khái niệm về sự hấp phụ
Đa số các chất rắn có cấu tạo xốp đều có khả năng thu hút các phân tử khí và hơi, các chất tan trong dung dịch lên bề mặt của mình. Các quá trình đó được gọi là quá trình hấp phụ. Vậy hấp phụ là sự chất chứa chất khí hay chất tan trên bề mặt phân cách pha, trên bề mặt vật rắn hay lỏng.
Có 2 loại hấp phụ là: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Trong hấp phụ vật lý, lực Vandevan và quá trình hấp phụ là thuận nghịch. Trong hấp phụ hoá học, lực hấp phụ có bản chất hoá học và quá trình hấp phụ là bất thuận nghịch. Các chất hấp phụ được dùng nhiều trong thực tế là những chất có bề mặt riêng khá lớn như than hoạt tính, silicagen, nhôm oxit.... 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
36
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 diễn biến.
1.5.1.2. Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt
Các số liệu thực nghiệm thu được khi nghiên cứu quá trình hấp phụ thường được mô tả bằng các phương trình đẳng nhiệt Langmuir. Lí thuyết này được xây dựng dựa trên các luận điểm:
- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng.
- Trên bề mặt vật rắn chia thành từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi vùng chỉ tiếp nhận một phân tử chất hấp phụ. Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt rắn không tương tác với nhau.
- Quá trình hấp phụ là động, tức quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc độ bằng nhau khi trạng thái cân bằng đạt được. Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ giải hấp phụ tỉ lệ với các tâm bị chất hấp phụ chiếm chỗ.
Phương trình đẳng nhiệt cho bởi :
Trong đó: Ce - nồng độ cân bằng của ion kim loại trong dung dịch (mg/l); q - lượng ion kim loại đã bị hấp phụ (mg/g);
qm - hằng số biểu thị dung lượng hấp phụ, còn được gọi là độ phủ đơn lớp bề mặt (mg/g);
KL - hằng số đặc trưng cho nhiệt hấp phụ (l/mg); Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
Khi nồng độ dung dịch rất nhỏ, tức KLCe << 1, ta có: q = qmKLCe Như vậy lượng ion kim loại bị hấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ dung dịch cân
bằng
Khi nồng độ dung dịch đủ lớn, KLCe >> 1, ta có: q→qm Như vậy theo mô hình hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thì lượng cấu tử bị
37
giảm dần và đến một nồng độ đủ lớn thì lượng cấu tử bị hấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi nếu tiếp tục tăng nồng độ, chứng tỏ bề mặt chất hấp phụ đã được làm bão hoà bởi một đơn lớp các phân tử bị hấp phụ.
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có thể chuyển về dạng tuyến tính:
Vậy, nếu phương trình đẳng nhiệt Langmuir mô tả đúng các kết quả thực nghiệm thì đồ thị biểu diễn mối quan hệ 1/q theo 1/Ce phải là đường thẳng có hệ số góc là 1/(KLqm). Từ đó có thể dễ dàng xác định được hằng số Langmuir KL và qm.
1.5.1.3. Lý thuyết động học hấp phụ
Quá trình hấp phụ của chất hấp phụ lên bề mặt xốp gồm 3 giai đoạn:
- Chuyển từ lòng pha lỏng (khí) đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ
- Khuyếch tán vào các mao quản khí.
- Hấp phụ: quá trình này làm bão hoà dần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên kèm theo toả nhiệt.
Một đặc trưng quan trọng của quá trình hấp phụ là tốc độ hấp phụ. Tốc độ hấp phụ có thể được xác định qua các phương trình:
a) Phương trình bậc nhất biểu kiến của Lagergren dạng tổng quát
Trong đó: qe,qt - dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t ; k - hằng số tốc độ hấp phụ của quá trình hấp phụ bậc nhất;
Dạng tích phân của phương trình với điều kiện biên t = 0 → t và qt = 0 → qt
Biểu diễn ln(qe – qt) phụ thuộc t ta có đồ thị mô tả động học hấp phụ bậc nhất biểu kiến.
b) Phương trình bậc hai biểu kiến:
Nếu tốc độ hấp phụ tuân theo quy luật động học bậc hai, phương trình động học hấp phụ bậc hai biểu kiến được mô tả:
38
Với k2 là hằng số tốc độ hấp phụ của quá trình hấp phụ bậc hai biểu kiến Dạng tuyến tính của phương trình với điều kiện biên t = 0→t và qt = 0→qt
39