5. Phương pháp nghiên cứu
1.2.1. Khái niệm hấp phụ và phân loại quá trình hấp phụ
Hấp phụ là sự tăng nồng độ của khí (hoặc lỏng) trên bề mặt phân chia pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Nguyên nhân là trong lòng của chất rắn hoặc lỏng, tương tác giữa các tiểu phân là cân bằng. Trong khi đó, tương tác giữa các tiểu phân ở trên bề mặt của chúng không cân bằng. Để cân bằng tương tác này, các tiểu phân trên bề mặt có xu hướng hút các tiểu phân từ pha khí hay lỏng. Kết quả là nồng độ của khí (hoặc lỏng) trên bề mặt lớn hơn trong pha thể tích [31].
Chất hấp phụ là những chất có bề mặt thực hiện sự hấp phụ. Chất bị hấp phụ là chất bị thu hút lên bề mặt chất hấp phụ. Trong một số trường hợp, chất bị hấp phụ
18
có thể xuyên qua lớp bề mặt và đi vào pha thể tích của chất hấp phụ, giống như sự hòa tan, hiện tượng đó là sự hấp thụ. Ngược với quá trình hấp phụ là sự khử hấp phụ. Đó là quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng, tốc độ hấp phụ bằng với tốc độ khử hấp phụ. Ta nói, sự hấp phụ có tính thuận nghịch.
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước.
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH. Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý gây ra bởi những lực vật lí (lực tương tác phân tử như lực Van Der Walls ...), không có sự trao đổi điện tử trong quá trình hấp phụ. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Do lực hấp phụ yếu, nên hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch. Khi nhiệt độ tăng lực tương tác phân tử giảm nên độ hấp phụ giảm. Vì vậy hấp phụ vật lý thường tiến hành ở nhiệt độ thấp (thấp hơn nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ).
19
Hấp phụ vật lý có thể là hấp phụ đơn lớp hoặc đơn phân tử, cũng có thể là đa lớp hoặc đa phân tử. Sự hấp phụ vật lý thường phát nhiệt và nhiệt hấp phụ rất nhỏ. Trong quá trình hấp phụ lượng nhiệt tỏa ra tương đương với hiệu ứng nhiệt trong quá trình ngưng tụ. Năng lượng hoạt hóa đối với quá trình hấp phụ vật lý thường không lớn hơn 1 kcal/mol do các lực liên quan đến quá trình hấp phụ là yếu. Hấp phụ vật lý có độ chọn lọc không cao do không có sự trao đổi điện tử.
Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực mang bản chất hóa học (lực của liên kết hóa học) và liên kết được hình thành giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ (liên kết có thể liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…). Vì hấp phụ hóa học có bản chất của một phản ứng hóa học, nên hấp phụ hóa học có tính bất thuận nghịch (khó thực hiện sự khử hấp phụ). Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng hóa học tăng nên độ hấp phụ hay dung lượng hấp phụ tăng. Do đó hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao, nhiệt hấp phụ lớn, tương đương hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học.
Hấp phụ hóa học xảy ra tương đối chậm vì có năng lượng hoạt hóa lớn, gần bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học và phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử, phân tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn. Hấp phụ hóa học có tính chọn lọc cao do hình thành liên kết hóa học [31].
Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học.