Đường cong thoát được xây dựng từ mối quan hệ giữa nồng độ chất bị hấp phụ thoát ra khỏi cột hấp phụ phụ và thời gian.
Tại các thời điểm trước tb, nồng độ chất hấp phụ như VOCs thoát ra sau cột hấp phụ gần như bằng không (Ct=0), cột hấp phụ tồn tại cả ba miền hấp phụ gồm: miền bão hòa, miền hấp phụ cân bằng và miền chưa hấp phụ.
Tạ thời điểm tb, bắt đầu có sự xuất hiện của nồng độ chất bị hấp phụ sau khi qua cột hấp phụ (C≠0), tại thời điểm này thì vùng hấp phụ bão hịa đã tiến gần cuối cột hấp phụ, các phân tử trong pha khí bắt đầu thốt ra khỏi cột hấp phụ.
Khi C = 0,5C0, thì sự hấp phụ đạt đến bán bão hòa và các phân từ bị hấp phụ trên bề mặt rắn nằm cân bằng với phân tử trong pha khí vẫn tiếp tục thốt ra khỏi cột hấp phụ.
Khi C = C0, tức là C/C0 xấp xỉ bằng 1 thì cột hấp phụ đã bão hịa hồn tồn, khi đó đường cong thốt là một đoạn thẳng nằm song song với trục hoành.
1.3. Tổng quan về vật liệu hấp phụ ứng dụng trong xử lý VOCs
Trong những năm gần đây, đã có nhiều các vật liệu hấp phụ được nghiên cứu và ứng dụng, có thể chia chúng làm ba loại, gồm: vật liệu biomas, vật liệu khoáng tự
nhiên và vật liệu tiến tiến. Những vật liệu hấp phụ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều như: cacbon hoạt tính, silica, zeolit, monolit, vật liệu xúc tác quang hóa trên cơ sở TiO2; kim loại hiếm Pt, Pd, Rh mang trên các oxit kim loại, zeolit, monolit; các hệ vật liệu mao quản trung bình trên cơ sở khung Silic và cacbon;… Trong đó, các tài liệu cho thấy rằng các vật liệu hấp phụ VOCs mang tính thương mại chủ yếu gồm than hoạt tính và zeolit [39].
1.3.1. Vật liệu cacbon hoạt tính
Được biết là một vật liệu truyền thống trong nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong xử lý mơi trường nói chung và mơi trường khí nói riêng, việc sử dụng cacbon hoạt tính trong xử lý VOCs trong khơng khí đã có nhiều nhóm tác giả cơng bố [9, 25, 40], các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy, hiệu quả xử lý VOCs trong khơng khí của cacbon hoạt tính khá tốt, với khoảng nồng độ xử lý rộng. Tuy nhiên, quá trình hấp phụ các tác nhân VOCs của cacbon hoạt tính phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì khả năng hấp phụ giảm nhiều và phụ thuộc vào độ phân cực của dung môi (đặc trưng bởi mô men phân cực D)[8, 41]. Thêm vào đó, trong một số trường hợp trong q trình hấp phụ cacbon hoạt tính bị tác động nhiều bởi hơi ẩm [17, 19]
Có nhiều nghiên cứu, lựa chọn vật liệu thay thế cho vật liệu cacbon hoạt tính đang được mở ra và vật liệu zeolit, zeolit compozit thường được ưu tiên lựa chọn. Đây là vật liệu khá bền với nhiệt và có tính kị nước nên ít bị ảnh hưởng bởi hơi ẩm hơn so với cacbon hoạt tính trong q trình hấp phụ.
1.3.2. Vật liệu Zeolit
Vật liệu zeolit có cấu trúc tinh thể, có bộ khung được tạo thành bởi mạng lưới không gian ba chiều của các tứ diện TO4 (Si hoặc Al), là đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolit.
Các đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU, được tạo thành do sự liên kết tứ diện TO4 theo một trật tự xác định và tuân theo quy tắc thực nghiệm Lowenstein. Các đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU có thể là các vịng oxy gồm vòng 4, 6, 8, 10, 12… cạnh hoặc các vòng kép 4x2, 6x2, 8x2,.. tùy theo cách ghép nối các SBU theo kiều này hay kiểu kia mà sẽ tạo ra các loại zeolit khác nhau.
Trong zeolit các sodalit ghép nối với nhau tạo thành một khoang rỗng các cửa sổ to, nhỏ khác nhau, nhờ đó mà Zeolit có cấu trúc “xốp”. Tập hợp khơng gian rỗng tuân theo một quy luật nhất định sẽ cấu tạo cấu trúc kênh của Zeolit. Bản chất của hệ mao quản trong Zeolit dehydrat hố là rất quan trọng, nó xác định tính chất vật lý và hố học của Zeolit. Trong các Zeolit, có 3 loại hệ thống mao quản: hệ thống mao quản 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều. Chính sự hình thành các lỗ xốp và các tâm hấp phụ - xúc tác tạo nên tính chất đặc trưng cho các zeolit là khả năng hấp phụ khí, trao đổi ion và ứng dụng trong xúc tác trong cho một số các phản ứng.
Hiện nay, rất nhiều loại zeolit, zeolit biến tính được ứng dụng trong xử lý VOCs nói chung, cũng như benzen nói riêng trong mơi trường khơng khí như: zeolit Y, MFI, STT, CHA, BEA,…
Zeolit Y với công thức tế bào cơ sở: Na56[(AlO2)56(SiO2)136].260H2O, được tạo thành bởi các sodalit liên kết với nhau qua mặt 6 cạnh. Khi tạo thành tế bào của tinh thể zeolit Y, các đơn vị sodalit liên kết với nhau qua 4 mặt và 6 thành phần, cầu liên kết nối 2 đơn vị sodalit với nhau được gọi là lăng trụ lục giác. Như vậy, trong 8 mặt và 6 thành phần có 4 mặt tham gia liên kết cịn lại 4 mặt và 6 thành phần là những mặt tự do, theo cách đó 8 đơn vị sodalit và 16 lăng trụ lục giác tạo thành 1 hốc lớn đường kính 13A0. Như vậy, trong mỗi tế bào nguyên tố có 8 hốc lớn và 16 lăng trụ lục giác , hốc lớn thông với 4 hốc lớn lân cận qua 4 cửa sổ, 12 thành phần có đường kính từ 8÷9 A0 [29].
Mơ hình vị trí các phân tử benzen được hấp phụ trong đơn vị cấu trúc của zeolit HY được trình bày trên hình 1.11 [22].