7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
2.3.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ nitơ
- Nguyên tắc
Các vật liệu mao quản có cấu trúc rắn xốp, có khả năng kéo về mình một lượng khí, hơi, lỏng trên bề mặt vật rắn. Quá trình này được gọi là quá trình hấp phụ. Nhiệt toả ra trong quá trình được gọi là nhiệt hấp phụ. Bề mặt vật liệu mao quản không đồng nhất, khi hấp phụ sự toả nhiệt không phải là một hằng số mà thay đổi theo thời gian hấp phụ. Các tâm hấp phụ mạnh sẽ hấp phụ trước, toả ra một lượng nhiệt lớn; tiếp đó đến các tâm hấp phụ vừa và yếu. Bề mặt riêng của chất rắn càng lớn, sự hấp phụ càng tăng và nhiệt toả ra càng nhiều. Để xác định các tính chất của vật liệu mao quản, công việc đầu tiên là phải xây dựng được đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ là phương trình mô tả mối quan hệ giữa lượng chất bị hấp phụ và áp suất cân bằng của pha bị hấp phụ. Có nhiều phương trình khác nhau, bao gồm: phương trình Henry, phương trình Langmuir, phương trình logarit Temkin, phương trình Dubinhin -
Radushkevich và phương trình hấp phụ đa lớp BET. Phương pháp hấp phụ ứng dụng trong nghiên cứu này được xây dựng trên cơ sở phương trình BET.
Phương trình BET (Brunauer, Emnet và Teller) là một thành công lớp áp dụng cho quá trình hấp phụ đa lớp. Phương trình được xây dựng dựa trên các giả thuyết sau:
- Các phân tử bị hấp phụ ở lớp đầu tiên tạo ra lực, lực này tạo điều kiện cho lớp hấp phụ thứ 2, 3, ..., n.
- Tốc độ hấp phụ (ra) trên lớp thứ i bằng tốc độ nhả hấp phụ (r’a) trên lớp i+1.
- Nhiệt hấp phụ ở lớp đầu tiên là rất lớn so với nhiệt hấp phụ của những lớp tiếp theo. Nhiệt hấp phụ từ lớp thứ 2 trở lên, đến lớp ngưng tụ là bằng nhau. Trong phương pháp BET áp dụng cho thực tế, thể tích của khí được hấp phụ được đo ở nhiệt độ không đổi, khi đó nó là hàm của áp suất và đồ thị được xây dựng là theo P/Ps. Phương trình cơ bản như sau:
s s s m m P P C P P P CP V V x x / 1 1 / 1 /
Trong đó: P là áp suất cân bằng, Ps là áp suất bão hoà, V và x là thể tích và lượng chất bị hấp phụ tại thời điểm xét, Vm và xm là thể tích và lượng chất bị hấp phụ đơn lớp.
Phương pháp BET cho đến nay là phương pháp thực nghiệm hiệu dụng nhất để xác định diện tích bề mặt riêng. Diện tích bề mặt riêng Sr (m2/g) được xác định thông qua công thức sau:
20 10 . . m m r N A M x S [m2 /g]
Trong đó: xm là lượng chất hấp phụ đơn lớp trên bề mặt 1 gam xúc tác (g/g). Am là diện tích cắt ngang trung bình của phân tử bị hấp phụ (Å2) N là số Avogadro, N = 6,02 x 1023 (phân tử/mol)
M là khối lượng mol của chất bị hấp phụ.
m
r x
S 4,35. [m2 /g]
Hình 2.11. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ
Để đánh giá loại mao quản của xúc tác người ta dựa trên hình dáng của đường đẳng nhiệt hấp phụ như hình 2.11. Loại I là vật liệu vi mao quản. Loại II và III là vật liệu mao quản lớn có đường kính trung bình d > 500Å. Loại IV và V là vật liệu mao quản trung bình với vòng trễ đặc trưng. Loại VI là loại vật liệu có mao quản không đồng đều. Riêng đối vật liệu mao quản trung bình, hình dáng mao quản có thể đánh giá sơ bộ thông qua hình dáng của vòng trễ trên đường đẳng nhiệt hấp phụ.
- Thực nghiệm
Diện tích bề mặt riêng của các mẫu vật liệu được đo trên thiết bị TriStar 3000 V6.07 A tại PTN Hóa, trường Đại học Sư phạm Hà Nội.