CHƯƠNG II : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.4.6. Nghiên cứu động học hấp phụ
Hấp phụ dạng mẻ được tiến hành trong thí nghiệm nhằm khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ như pH, khối lượng vật liệu, thời gian tiếp xúc và nồng độ ban đầu. Từ đó đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu và xác định tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với asen.
Các đường đẳng nhiệt hấp phụ được xác định để định lượng sự tương tác giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Cân bằng hấp phụ (tỷ lệ giữa lượng hấp phụ với phần còn lại trong dung dịch) được thiết lập khi một chất hấp phụ chứa các tiếp điểm pha với chất hấp phụ trong thời gian đủ và nồng độ hấp phụ của nó trong dung dịch khối nằm trong cân bằng động với nồng độ giao diện. Hai mơ hình phổ biến của đường đẳng nhiệt hấp phụ là mơ hình Langmuir và Freundlich.
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng.
Với một lượng xác định, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích [34].
q = f(T, P hoặc C) Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) T: Nhiệt độ
P: Áp suất
C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l)
Dung lượng hấp phụ cân bằng:
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ [13].
q = C0−Ccb
m .V
Trong đó:
q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l) m: Khối lượng chất bị hấp phụ (g)
Co: Nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l) Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
Hiệu suất hấp phụ:
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu:
H = C0−Ccb
m .100%
Các mơ hình cơ bản của q trình hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt giai đoạn liên tiếp nhau:
- Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khếch tán trong dung dịch.
- Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa hệ mao quản. Đây là giai đoạn khếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trị quyết định [14]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng 2 mơ hình động học là phương trình động học biểu kiến bậc 1 (pseudo-first order) và phương trình động học biểu kiến bậc 2 (pseudo-second order) để đánh giá động học của quá trình hấp phụ asen trong nước.
Phương trình động học biểu kiến bậc 1 dạng tuyến tính được biểu diễn như sau:
ln(qe - qt) = ln(qe) – k1t (1.1) Phương trình động học biểu kiến bậc 2 dạng tuyến tính:
t
qt = k1
2qe2 + qt
e (1.2)
Trong đó, qe: là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g); qt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g); k1 hằng số tốc độ hấp phụ biểu kiến bậc 1 (phút-1); k2: hằng số tốc độ biểu kiến bậc 2 (g/mg.phút).
Tiến hành xây dựng các đương hồi quy tuyến tính các giá trị ln(qe – qt) với t theo phương trình (1.1) đối với mơ hình biểu kiến bậc 1 và các giá trị( qt
đối với mơ hình kiểu bậc 2, và từ đó tính được các hằng số động học k1, k2. Mức độ tuyến tính của các giá trị thực nghiệm được đánh giá bằng hệ số xác định R2.
Động học hấp phụ là một thông số quan trọng trong việc áp dụng các quá trình hấp phụ vào xử lý nước, nó dùng để dự đốn tốc độ tách chất ơ nhiễm ra khỏi dung dịch nước. Tuy nhiên các tham số động học thực rất khó xác định vì q trình hấp phụ rất phức tạp, vì vậy người ta thường áp dụng các phương trình động học hình thức để xác định các hằng số tốc độ biểu kiến [6].
Sử dụng kết quả của thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với As (V) để xây dựng phương trình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 như đã nêu.
Hổi quy tuyến tính các giá trị ln(qe – qt) với t theo phương trình (1.1) đối với mơ hình biểu kiến bậc 1, và các giá trị ( qtt ) với t đối với mơ hình biểu kiến bậc 2 theo phương trình (1.5), từ đó tính được các hằng số động học k1, k2. Mức độ tuyến tính của các giá trị thực nghiệm được đánh giá bằng hệ số xác định R2.