5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Nhìn chung tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ, bản chất và cấu trúc của chất tan, loại và tính chất các chất hấp phụ.
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong quá trình hấp phụ, năng lượng tự do bề mặt hệ giảm, nghĩa là ∆G < 0. Đồng thời độ hỗn độn của hệ giảm (do các tiểu phân của chất bị hấp phụ lên trên bề mặt chất hấp phụ được sắp xếp một cách có trật tự), nghĩa là ∆S < 0. Từ đó suy ra: ∆G = ∆H – T.∆S < 0, do đó ∆H < 0.
Vậy quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt. Điều này phù hợp với thực nghiệm: hấp phụ vật lý hay hấp phụ hóa học đều tỏa nhiệt.
Vì sự hấp phụ tỏa nhiệt nên theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, lượng chất hấp phụ phải giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy vậy, ở vùng nhiệt độ thấp, hấp phụ hóa học thường diễn ra chậm, và khi nhiệt độ tăng thì tốc độ hấp phụ có thể tăng theo.
Tốc độ quá trình hấp phụ của các chất khác nhau trên những chất hấp phụ khác nhau thay đổi trong khoảng khá rộng. Sự hấp phụ khí và hơi có thể xảy ra với tốc độ nhanh có thể đo được.
Thông thường, đối với cùng một vật chất nhưng ở khoảng nhiệt độ khác nhau có thể quan sát được cả hai kiểu hấp phụ: ở những nhiệt độ thấp quan sát thấy sự hấp phụ vật lý, ở nhiệt độ cao quan sát sự hấp phụ hóa học. Cả hai quá trình này thường được gắn với một quá trình trung gian, nét đặc trưng của vùng trung gian là lượng chất bị hấp phụ tăng khi nhiệt độ tăng.
b. Ảnh hưởng của tính tương đồng
Những chất có bản chất giống nhau tương tác mạnh hơn so với tương tác giữa các chất có bản chất khác nhau. Các chất có tính phân cực cao tương tác với nhau tốt hơn so với tương tác giữa các chất phân cực và các chất không phân cực. Các chất cùng không phân cực tương tác mạnh hơn so với các cặp chất khác. Tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có tính cộng hợp, tức là lực tương tác chung bằng tổng các lực thành phần. Hệ hấp phụ ở trong nước bị chi phối bởi tính ưa nước và kị nước, là hệ quả của tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ với nước.
c. Ảnh hưởng của pH
Quá trình hấp phụ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi pH của môi trường. Sự thay đổi pH của môi trường dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ, các nhóm chức bề mặt, thế oxi hóa khử, dạng tồn tại của hợp chất đó (đặc biệt đối với hợp chất có độ phân cực cao, các chất có tính lưỡng tính, chất có tính axit yếu, bazơ yếu).
Đối với chất hấp phụ rắn: hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các nguyên tử trên bề mặt chất rắn với các chất tan, trên cơ sở lực hút tĩnh điện, lực định hướng và lực tán xạ. Trong trường hợp lực tương tác đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hoặc tạo phức trao đổi ion. Lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ càng mạnh thì khả năng hấp phụ càng lớn, khả năng giữ các chất bị hấp phụ trên bề mặt vật rắn càng cao.
d. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn
Diện tích bề mặt chất rắn đóng vai trò quan trọng đối với khả năng hấp phụ của một hệ: diện tích càng lớn, khả năng hấp phụ càng cao. Diện tích bề mặt của một chất rắn được định nghĩa là tổng toàn bộ diện tích của chất rắn đó trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ (m2/g). Đối với các chất rắn có nguồn gốc khác nhau thì diện tích bề mặt đó là khác nhau. Ví dụ: chất rắn
trong môi trường tự nhiên (đất sét,...) có diện tích riêng thay đổi với trạng thái hóa lý của môi trường nước. Chất hấp phụ công nghiệp (chủ yếu là than hoạt tính) có thể có bề mặt riêng rất lớn khoảng 600 - 1200 m2/g, các chất hấp phụ khác như hydroxyt kim loại tạo ra trong quá trình đông tụ - kết bông phát triển thành một diện tích rất lớn mà có sự phụ thuộc chặt chẽ vào độ pH.
* Ảnh hưởng của bản chất của mối liên kết chất bị hấp phụ - chất hấp phụ, nghĩa là từ năng lượng tự do tương tác giữa vị trí hấp phụ và phần phân tử tiếp xúc với bề mặt. Thời gian tiếp xúc giữa chất rắn và chất hòa tan. Khi cân bằng có sự trao đổi động lực giữa các phân tử của pha hấp phụ và các phân tử ở lại trong dung dịch.
Người ta phân biệt hai kiểu hấp phụ: hấp phụ bể và hấp phụ cột.
- Hấp phụ bể là không có sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau. Biện pháp thực hiện là cho chất hấp phụ vào nước và khuấy trộn trong một thời gian đủ để đạt tới trạng thái cân bằng. Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nước ra.
- Hấp phụ cột là sự chuyển động tương đối của phân tử chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ. Biện pháp thực hiện là cho nước lọc qua lớp vật liệu hấp phụ.
CHƯƠNG 2
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU