CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.4. Tổng quan phương pháp hấp phụ
1.4.1. Khái niệm về phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là q trình tích lũy vật chất lên bề mặt phân cách giữa 2 pha (rắn- khí,
rắn- lỏng). Trong một số trường hợp chất bị hấp phụ có thể đi xuyên qua lớp bề mặt và
đi vào bên trong khối vật chất của chất hấp phụ, hiện tượng này gọi là sự hấp thụ. Chất hấp phụ là các vật liệu có bề mặt xốp, trên đó xảy ra sự hấp phụ.
Chất bị hấp phụ là các chất bị lưu giữ, được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ. Quá trình giải hấp là quá trình đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất hấp phụ.
Khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ quá trình hấp phụ bằng tốc độ quá trình giải hấp.
Dung lượng hấp phụ cân bằng biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn
vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng, dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt độ cho trước [21]:
=( ). (1.21)
Trong đó: V : Thể tích dung dịch m : Khối lượng chất hấp phụ Ci : Nồng độ dung dịch đầu
1.4.2. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Xây dựng các đường hấp phụ đẳng nhiệt là phương pháp được sử dụng rộng rãi để xác định các trạng thái cân bằng của một hệ hấp phụ. Các đường đẳng nhiệt có thể cho biết các thơng tin liên quan tới chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và các quá trình hấp phụ. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt có thể xác định được diện tích bề mặt của các vật liệu hấp phụ, sự phân bố kích thước các hạt vật liệu, nhiệt hấp phụ, khả năng hấp phụ tương đối của một chất lỏng và một chất khí lên một vật liệu hấp phụ nhất định. Có rất nhiều phương trình hấp phụ được áp dụng như: Langmuir, Freundlich, Temkin hay Brunauer- Emmet- Teller (BET)... Tuy nhiên, 2 phương trình được ứng dụng rộng rãi nhất là phương trình Langmuir và phương trình Freundlich [21].
Phương trình Freaudlich là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan trên bề mặt chất hấp phụ rắn
= (1.22)
Lấy logarit 2 về của phương trình trên được phương trình bậc nhất y = ax + b:
= + (1.23)
Trong đó: Q: Dung lượng hấp phụ riêng, số g chất hấp phụ trên 1 g chất hấp phụ Ce: Nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ
Kf, n: Hệ số thực nghiệm với n > 1
Phương trình hấp phụ Langmuir có dạng:
=
. + (1.24)
Trong đó: qe : Dung lượng hấp phụ riêng, là số mg chất bị hấp phụ trên 1 gam chất hấp phụ ở thời điểm cân bằng
qmax : Dung lượng hấp phụ cực đại
K : Hằng số Langmuir
Nếu đặt = và b =
. thì phương trình trên có dạng: y = ax + b
Từ thực nghiệm có thể tính được hằng số K và dung lượng hấp phụ cực đại qmax
1.4.3. Lý thuyết mơ hình hai bước hấp phụ
Các đường hấp phụ đẳng nhiệt thường được xây dựng trên các phương trình hấp phụ thơng thường như Langmuir hay Freundlich. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ sử dụng một mơ hình mới đó là mơ hình 2 bước hấp phụ để mơ tả đặc tính hấp phụ của ion amoni trên vật liệu Al2O3 biến tính bằng chất hoạt động bề mặt mang điện âm SDS và polyme mang điện âm PSS [22].
Mơ hình 2 bước hấp phụ được bắt nguồn khi giả thuyết quá trình hấp phụ xảy ra theo 2 bước rõ rệt. Sự hấp phụ có thể xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ rắn và chất bị hấp phụ dạng lỏng. Ban đầu, mơ hình được dùng để mơ tả sự hấp phụ bề mặt của các chất hoạt động bề mặt mang điện tích với sự hình thành các mixen đơn lớp gọi là các hemi- mixen [40,64,62,63]. Mơ hình này đã được ứng dụng thành cơng để mơ tả đặc tính hấp phụ SDS và PSS trên Al2O3. Vì vậy, việc áp dụng mơ hình để nghiên cứu q trình hấp phụ ion NH4+ trên SMA và PMA có triển vọng thành cơng.
Phương trình hấp phụ cơ bản có dạng [24]:
= ( )
( ) (1.25)
Trong đó: Г là dung lượng hấp phụ.
Г∞ là dung lượng hấp phụ cực đại
K1 và K2 là hằng số cân bằng của bước hấp phụ đơn lớp đầu tiên và hấp phụ của n phân tử chất bị hấp phụ hoặc hấp phụ đa lớp.
1.4.4. Một số vật liệu hấp phụ phổ biến
Các vật liệu hấp phụ được sử dụng thường có dạng kích thước nhỏ, bề mặt xốp, diện tích bề mặt riêng lớn để tăng được dung lượng hấp phụ. Chúng phải có độ bền cao, ổn định với nhiệt và cũng như phải có tính kinh tế [50]. Các chất hấp phụ thương mại thường phân chia ra làm 3 nhóm chính:
- Hợp chất chứa oxi điển hình ưa nước và phân cực, bao gồm các vật liệu như oxit kim loại, silica gel, zeolit.
- Hợp chất có ngồn gốc cacbon- điển hình khơng ưa nước và kém phân cực, bao gồm các vật liệu như cacbon hoạt tính, graphit.
- Hợp chất có nguồn gốc polyme- phân cực hoặc không phân cực phụ thuộc vào nhóm chức trong cấu trúc polyme.
1.4.5. Một số cơng trình xử lý amoni bằng vật liệu hấp phụ
Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ NH4+ lên bề mặt các loại vật liệu hấp phụ khác nhau.
Hitoshi Kanazawa và Tetsuo Onami đã nghiên cứu và so sánh sự hấp phụ amoni lên trên bề mặt sợi cotton được gắn thêm một monome methacrylic axit (MA) và vật liệu tơ nhân tạo có gắn thêm axít acrylic (AA) [44]. Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ của NH4+ trên vật liệu tơ nhân tạo có gắn AA (55 mmol/g) lớn hơn rất nhiều so với cotton được gắn thêm MA (0,75 mmol/g).
Trong một nghiên cứu khác, G. A. Blomfield và cộng sự của mình đã tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ của NH4+ lên bề mặt silica và boric oxit [35]. Các kết quả hấp phụ được chụp phổ hồng ngoại cho thấy sự có mặt của các nhóm chức (BOH- NH3, SiOH-NH3, B- NH3...). Điều đó chứng tỏ rằng, ion NH4+ đã được hấp phụ lên bề mặt silica và boric oxit thông qua các liên kết hoá học.
Hầu hết, các vật liệu được sử dụng trong các nghiên cứu trên là các vật liệu có diện tích bề mặt lớn và kích thước rất nhỏ. Bản thân chất hấp phụ đã có khả năng hấp phụ cao, khi biến tính chúng bằng các hợp chất khác chỉ nhằm mục đích làm tăng khả năng cũng như dung lượng hấp phụ.
Tuy nhiên, nghiên cứu này đã sử dụng vật liệu hấp phụ là gamma nhơm oxit có kích thước lớn, đây là một oxit kim loại có độ bền hóa học, bền vật lý cao, có kích thước gần với các vật liệu cát tự nhiên (cát silic). Tuy nhiên các hạt gamma nhơm oxit thường có bề mặt mang điện dương nên khả năng hấp phụ trực tiếp ion amoni khơng cao. Vì vậy, bề mặt các hạt nhơm oxit cần được biến tính bằng các chất mang điện âm để nâng cao khả năng hấp phụ [61-63].