Diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước mao quản của chất mang và xúc tác được xác định bằng phương pháp hấp phụ vật lý N2. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: Tính diện tích bề mặt riêng của vật liệu rắn S (m2/g) theo dung tích hấp phụ đơn lớp của chất rắn.
Dung tích hấp phụ đơn lớp được định nghĩa là lượng chất bị hấp phụ cĩ thể chứa được chỉ trong một lớp điền đầy phân tử trên bề mặt của một gam chất rắn. Quan hệ giữa dung tích hấp phụ đơn lớp và diện tích bề mặt riêng S được biểu diễn theo cơng thức 2.2 [15, 101]:
S = nm.am.N (2.2)
Trong đĩ:
nm (mol/g): Lượng chất bị hấp phụ đơn lớp trên bề mặt một gam chất hấp phụ. am: Diện tích trung bình chiếm bởi một phân tử chất bị hấp phụ trong một lớp (diện tích cắt ngang trung bình của phân tử bị hấp phụ).
N: Số Avogadro; N = 6,023.1023 (phân tử/mol).
Mơ hình hấp phụ sử dụng cho quá trình hấp phụ đa lớp được Brunauer, Emmett và Teller đề xuất dưới dạng phương trình BET và được thiết lập dựa trên các giả thiết sau:
- Nhiệt hấp phụ λ là q (kcal/mol) khơng đổi trong suốt quá trình hấp phụ.
- Các phân tử bị hấp phụ lên trên bề mặt xúc tác khơng cạnh tranh lẫn nhau và độc lập với nhau.
- Số trung tâm hấp phụ của chất hấp phụ khơng đổi.
- Nhiệt hấp phụ ở lớp đầu tiên rất lớn so với những lớp tiếp theo. Nhiệt hấp phụ từ lớp thứ hai trở lên đến lớp ngưng tụ là bằng nhau và bằng nhiệt ngưng tụ:
(2.3) Phương trình BET: (2.4) Trong đĩ:
V: Thể tích khí (ở điều kiện tiêu chuẩn) được hấp phụ.
Vm: Thể tích khí (ở điều kiện tiêu chuẩn) được hấp phụ trong một lớp. (2.5)
Q: Nhiệt của quá trình hấp phụ lớp chất bị hấp phụ đầu tiên.
L : Ẩn nhiệt ngưng tụ của khí, cĩ giá trị bằng nhiệt của qúa trình hấp phụ ở những lớp tiếp theo.
: Áp suất tương đối của khí.
Khi áp dụng thực tế, thể tích của khí được hấp phụ được đo ở nhiệt độ khơng đổi và là hàm của áp suất. Đồ thị biểu diễn đường đẳng nhiệt hấp phụ được xây dựng ở dạng theo
Phần đoạn thẳng bị cắt và gĩc cho phép tính Vm và C, nm tính từ Vm, số mol chất bị hấp phụ trong một lớp trên một gam chất hấp phụ.
Như vậy, bằng phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ vật lý N2 cĩ thể xác định được diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản trong vật liệu xúc tác và chất mang.
Trong nghiên cứu này, chất mang và xúc tác được xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản bằng phương pháp hấp phụ vật lý N2 ở 77K, thực hiện trên thiết bị ASAP 2010 của hãng Micromeritics (Mỹ) tại PTN CN Lọc hĩa dầu và Vật liệu xúc tác Hấp phụ, Viện kỹ thuật Hĩa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Lượng mẫu khoảng từ 0,2 ÷ 0,5g được làm sạch bề mặt ở nhiệt độ 300°C trong mơi trường chân khơng với áp suất 10-3
trên bề mặt. Tiếp theo mẫu được hút chân khơng sâu tới áp suất 10-9 Torr và để ổn định áp suất trong vịng 60÷90 phút để đuổi hết các tạp chất và các khí chiếm chỗ trong mao quản của mẫu phân tích. Sau đĩ, mẫu được cho hấp phụ theo từng lượng nhỏ N2 ở 77K tại các bước áp suất khác nhau với áp suất tương đối P/P0 từ 0,01÷1. Sự thay đổi tín hiệu đo sẽ được detector của thiết bị phân tích ghi lại thơng qua đường tín hiệu và thời gian đo [101].