a. Nguyên tắc
2.2.3. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp N
a. Nguyên tắc
Phương pháp được dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của một chất rắn là do sự hấp phụ của N2 hoặc một số khí khác có khả năng thâm nhập
vào tất cả các mao quản và tính tốn diện tích bề mặt riêng dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ trên bề mặt chất rắn: là sự tăng nồng độ chất khí (hoặc chất tan) trên bề mặt phân cách giữa các pha (khí – rắn, lỏng – rắn) được coi là hiên tượng hấp phụ khí.
Khi lực tương tác giữa các phần tử khí – rắn là lực Van Der Waals thì sự hấp phụ gọi là sự hấp phụ vật lí có năng lượng liên kết < 50 KJ. mol-1.
Hình 2.4. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp theo phân loại IUPAC [38]
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 hịa 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/P0) giảm dần và nhận được đường‘‘Đẳng nhiệt hấp phụ’’. Trong thực tế đó với vật liệu MQTB hấp không trùng nhau,được gọi là hiện tượng trễ.
Đường đẳng nhiệt kiểu I tương ứng với vật liệu vi mao quản hoặc khơng có mao quản. Kiểu II và III là vật liệu mao quản có mao quản lớn d > 50 nm. Các vật liệu mao quản có kích thước MQTB có đường dẳng nhiệt kiểu IV và V.
Áp dụng phương trình BET để đo bề mặt riêng
Trong đó :
P : áp suất cân bằng.
P0 : áp suất hơi bão hòa của chất hấp phụ ở nhiệt độ thực nghiệm. V : thể tích của chất 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.
Xây dựng giản đồ mà P/V (P0 – P) phụ thuộc vào P/ P0 sẽ nhận được một đoạn 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 đơn phân tử) Vm và hằng số C.
Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/ V (P0 – P) theo P/ P0
Diện tích bề mặt riêng SBET ( m2.g-1) 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 770K, Am = 0,162 nm2.
N : số Avoogadro ( N = 6,023.10 23 phân tử/ mol) Khi đó SBET = 4,35.Vm
b. Thực nghiệm
Diện tích bề mặt riêng BET của mẫu nghiên cứu được tiến hành trên máy Chem BET - 3000 (Quantachrome, Mỹ), tại Bộ môn Cơng nghệ Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.