Hiện tượng hấp phụ trên bề mặt chất rắn: Sự tăng nồng độ chất khí (hoặc chất tan) trên bề mặt phân cách giữa các pha (khí-rắn, lỏng-rắn) được gọi là hiện tượng hấp phụ khí. Khi lực tương tác giữa các phân tử là lực Van der Walls thì sự hấp phụ được gọi là hấp phụ vật lý. Trong trường hợp này, năng lượng tương tác Eo giữa các chất rắn (chất hấp phụ) và phân tử bị hấp phụ (chất bị hấp phụ) chỉ cao hơn một ít so với năng lượng hoạt hóa lỏng Eo của chất khí đó. 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, 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 hơi bão hòa của chất khí bị hấp phụ tại một nhiệt độ đã cho thì mối quan hệ giữa V-P được gọi là đẳng nhiệt hấp phụ. Sau khi đã đạt đến áp suất hơi bão hòa Po, người ta đo các giá trị thể tích khí hấp phụ ở các áp suất tương đối (P/Po) giảm dần và nhận được đường “Đẳng nhiệt hấp phụ”. Trong thực tế đối với vật liệu mao quản trung bình đường đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ không trùng nhau, gọi là hiện tượng trễ [73-79]. Phương trình biểu diễn có dạng sau:
Trong đó:
P: Áp suất cân bằng
Po: Áp suất hơi bão hòa của chất hấp phụ ở nhiệt độ thực nghiệm. V: Thể tích của khí hấp phụ ở áp suất P
Vm: Thể tích của lớp hấp phụ đơn phân tử tính cho một gam chất rắn trong điều kiện tiêu chuẩn.
C: Hằng số BET. C = exp[(q-q1)/RT] q: Nhiệt hấp phụ của lớp đầu tiên
q1: Nhiệt hấp phụ của khí hóa lỏng trên tất cả các lớp khác R: Hằng số khí; T: Nhiệt độ Kelvin
33 Xây dựng giản đồ P/V(Po – P) phụ thuộc vào P/P0 sẽ nhận được một đường thẳng trong khoảng 0,05 – 0,3. Độ nghiêng (tgα) và tung độ của đoạn thẳng OA cho phép xác định thể tích của lớp phủ đơn lớp (lớp phân tử) Vm và hằng số C.
Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/V(Po-P) theo P/P0
Diện tích bề mặt riêng SBET (m2g-1) là đặc trưng cho khả năng hấp phụ đơn lớp phân tử, có thể được tính theo phương trình sau:
SBET= (Vm/M).N.Am.10-18 Trong đó:
M: Khối lượng phân tử
Am: Tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề mặt chất hấp phụ. Trong trường hợp hấp phụ N2 ở 77 K, Am=0,162 nm2.
N: Số Avogadro (N – 6,023.1023 phân tử/mol) Khi đó: SBET = 4,35.Vm
Mẫu khảo sát có khối lượng nhất định được đặt trong một cuvet đặc biệt có thể xử lý nhiệt độ trong khoảng từ 150oC đến 300oC, trong điều kiện chân không cao (~10-5 mmHg) kéo dài trong 3h. Sau đó, cuvet được chuyển sang máy đo hấp phụ và giải hấp N2 ở 77K trong khoảng áp suất tương đối P/Po = 0.05-1. Thực nghiệm này được tiến hành trên máy Quantachrome 11.02, thuộc viện Nghiên cứu Năng lượng Sinh học Châu Âu (European Bioenergy Research Institute), Đại học Aston, Birminham, Vương quốc Anh.