5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.3. Sự hấp phụ trên ranh giới rắ n lỏng
Sự hấp phụ từ dung dịch trên bề mặt chất rắn khác với sự hấp phụ các chất riêng biệt ở chỗ trong dung dịch cĩ dung mơi và chất tan. Các phân tử dung mơi cũng cĩ thể tham gia vào sự hấp phụ, chúng cạnh tranh hoặc tương tác với chất tan do đĩ sự hấp phụ trở nên phức tạp hơn. Chất bị hấp phụ trong dung dịch cĩ thể là phân tử hoặc ion.
Sự hấp phụ phân tử: Dung lượng hấp phụ qe (mg/g) các phân tử chất tan của chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng được tính theo phương trình dưới đây [13, 27, 45]: ( ). e o e C C V q m (1.1)
Trong đĩ: Co và Ce lần lượt là nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất tan (mg/L hoặc mmol/L); V là thể tích dung dịch (L - lít); m là khối lượng của chất hấp phụ sử dụng (gam).
Khi quá trình hấp phụ chưa đạt tới cân bằng, nồng độ chất bị hấp phụ và dung lượng hấp phụ tại thời điểm t khác nhau được gọi là Ct và qt. Cách tính các đại lượng này giống như trong phương trình (1.1) nhưng thay Ce và qe bằng
Ct và qt.
Nếu gọi x (mmol) là lượng chất bị hấp phụ, m (gam) là khối lượng chất hấp phụ, a là độ hấp phụ thì: qe = a = x/m [27].
Hiệu suất hấp phụ chất tan H (%) của chất hấp phụ được tính theo phương trình như sau: ( o e).100 o C C H C (1.2)
Quy luật của sự hấp phụ phân tử trong dung dịch lỏng bằng vật liệu rắn thường được mơ tả bằng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir hoặc phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich. Tùy theo từng điều kiện mà phương trình Langmuir hay Freundlich sẽ mơ tả quy luật tốt hơn. Thơng thường, dựa vào hệ số tương quan R2 để xác định quy luật đẳng nhiệt hấp phụ, phương trình nào cho giá trị R2 lớn hơn, quy luật đẳng nhiệt hấp phụ sẽ tuân theo phương trình đĩ [27].
Với phương trình Langmuir dạng tuyến tính, thay vì sử dụng áp suất P và thể tích V, người ta thường sử dụng nồng độ Ce, dung lượng hấp phụ cân bằng qe
(mg/g) hay độ hấp phụ a (mmol/g hoặc mg/g) như trong phương trình 1.3:
1 . e e e m L m C C q q K q (1.3)
Trong đĩ: qm là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); KL là hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) đặc trưng cho ái lực của tâm hấp phụ.
Khi áp dụng phương trình Freundlich cho sự hấp phụ trong dung dịch, người ta sử dụng phương trình dưới đây:
Trong đĩ: KF và 1/n là các hằng số kinh nghiệm Freundlich.
Sự hấp phụ phân tử chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tính chất của dung mơi, bản chất của chất hấp phụ, chất bị hấp phụ, nhiệt độ tiến hành sự hấp phụ, tốc độ khuấy trộn, pH của dung dịch...
Ảnh hưởng của dung mơi:
Hấp phụ trong dung dịch là quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất tan và dung mơi. Chất tan bị hấp phụ càng mạnh thì dung mơi hấp phụ càng yếu. Vì chất hoạt động bề mặt là chất cĩ sức căng bề mặt nhỏ, cho nên nếu dung mơi cĩ sức căng bề mặt càng lớn (càng khĩ hấp phụ) thì chất tan càng dễ bị hấp phụ. Vì vậy, đối với quá trình hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung mơi nước (cĩ sức căng bề mặt lớn) sẽ dễ thực hiện hơn so với dung mơi là chất hữu cơ (cĩ sức căng bề mặt bé).
Một tiêu chuẩn khác để chọn dung mơi thích hợp cho sự hấp phụ từ dung dịch là nhiệt thấm ướt. Dung mơi cĩ nhiệt thấm ướt đối với một bề mặt cho sẵn càng cao (tương tác giữa dung mơi và bề mặt càng mạnh) thì chất tan càng khĩ bị hấp phụ lên bề mặt chất rắn đĩ và ngược lại [27].
Sự hấp phụ các chất điện ly:
Trong khuơn khổ của nghiên cứu này chỉ xét quá trình hấp phụ chất điện ly từ dung dịch nước. Các ion của chất điện ly bị hấp phụ trên những bề mặt cấu tạo từ những phân tử phân cực hoặc từ những ion.
Những phần bề mặt với diện tích nhất định chỉ hấp phụ từ dung dịch những ion cĩ điện tích trái dấu với nĩ. Lúc đĩ, những ion trái dấu với ion đã bị hấp phụ dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện tạo ra một lớp điện tích kép.
Đối với các ion cĩ cùng điện tích dương hoặc âm, khả năng bị hấp phụ tăng theo bán kính ion. Điều này được giải thích bởi sự tăng độ phân cực của ion và bởi sự giảm hydrat hĩa (lớp vỏ hydrat hĩa càng mỏng thì tương tác tĩnh điện càng tăng).
Khả năng hấp phụ các ion cĩ cùng điện tích được xếp theo các dãy sau: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+; Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+.Điện tích ion càng lớn thì tương tác tĩnh điện càng mạnh và khả năng bị hấp phụ cũng càng lớn [26].
Bản chất bề mặt của chất hấp phụ cĩ ảnh hưởng đặc biệt tới sự hấp phụ chọn lọc từ dung dịch. Bề mặt rắn thường hấp phụ chọn lọc từ dung dịch những ion cĩ trong thành phần của nĩ hoặc những ion cĩ khả năng tạo thành với nĩ những hợp chất ít tan. Chẳng hạn, than hoạt tính hấp phụ tốt các gốc hydrocarbon của chất hữu cơ, oxide và hydroxide của nhơm và sắt cĩ khả năng liên kết chặt với những nhĩm cĩ chứa oxy.
Sự hấp phụ trao đổi:
Trong hấp phụ trao đổi, chất hấp phụ đã hấp phụ một lượng ion xác định nào đĩ từ trong dung dịch đồng thời đẩy một lượng tương đương các ion khác cùng dấu điện tích của bản thân nĩ vào dung dịch. Quá trình này được gọi là hấp phụ trao đổi.
Chất hấp phụ cĩ thể cĩ bản chất acid hoặc base. Chất hấp phụ acid cĩ khả năng hấp phụ trao đổi các cation gọi là cationit. Chất hấp phụ base cĩ khả năng hấp phụ anion gọi là anionit. Ngồi ra cịn cĩ chất hấp phụ tùy thuộc vào điều kiện cụ thể mà nĩ cĩ khả năng trao đổi cả cation lẫn anion [26, 27].
Đặc điểm của hấp phụ trao đổi là độ chọn lọc cao, sự trao đổi chỉ xảy ra với những loại ion xác định tùy thuộc vào bản chất, kích thước mao quản của chất hấp phụ và bản chất của chất bị hấp phụ.