CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.2. Tổng quan về phương pháp hấp phụ
1.2.3. Động học hấp phụ
Một q trình hấp phụ có thể thực hiện theo hai dạng kỹ thuật: gián đoạn hoặc liên tục [7, 8].
Kỹ thuật gián đoạn còn gọi là phương pháp hấp phụ tĩnh. Kỹ thuật liên tục hay còn gọi là kỹ thuật dòng với phương thức thực hiện là nguyên liệu được liên tục đưa vào cột hấp phụ và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Một thiết bị chứa chất bị hấp phụ gọi là cột hấp phụ. Một dịng chất (lỏng, khí) chứa chất bị hấp phụ được đưa liên tục vào cột. Chất bị hấp phụ được giữ lại trong cột và chỉ xuất hiện ở phía đầu ra khỏi cột khi chất hấp phụ đã bão hòa dung lượng.
Quá trình hấp phụ động trên cột được mơ tả như hình 1.3.
Hình 1.3. Mơ hình cột hấp phụ đơn giản
Cho một dịng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ. Sau một thời gian thì cột hấp phụ chia làm 3 vùng:
Vùng hấp phụ bão hòa Vùng chuyển khối
Đầu ra Lối vào
Vùng 1 : Đầu vào vùng xử lý: chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cân bằng. Nồng độ chất hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào
Vùng 2 : vùng chuyển khối: Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi tù giá trị nồng độ ban đầu tới không.
Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra nồng độ chất bị hấp phụ bằng 0.
Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch chuyển theo chiều dài của cột hấp phụ. Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng chuyển khối chạm tới đáy cột. Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ để nồng độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép. Tiếp theo cột hấp phụ được thải bỏ hoặc giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ
Chiều dài vùng chuyển khối là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu sự hấp phụ động trên cột. Khi tỷ lệ giữa chiều dài cột hấp phụ với chiều dài vùng chuyển khối giảm đi thì việc sử dụng cột cho một chu trình cũng giảm, lúc đó lượng chất hấp phụ cần thiết tăng lên. Vùng chuyển khối đặc biệt dài hơn trong trường hợp hấp phụ chất lỏng so với trường hợp hấp phụ chất khí vì độ nhớt của chất lỏng cao hơn. Độ nhớt làm chậm quá trình chuyển khối trên bề mặt chất rắn cũng như sự khuếch tán bên trong hạt chất rắn[26]. Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối và phương pháp hạn chế chúng được trình bày ở bảng 1.4.
Bảng 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối và phương pháp hạn chế
Yếu tố ảnh hưởng Phương pháp hạn chế Tốc độ khuếch tán hạn
chế bên trong phần từ hấp phụ
Giảm khuếch tán bên trong hạt bằng cách giảm kích cỡ hạt
Sử dụng vật liệu có mạng lưới lỗ xốp lớn để dễ khuếch tán.
Sự giới hạn về diện tích bề mặt của chất hấp phụ
Giảm kích cỡ hạt để tăng them diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích chất hấp phụ sử dụng các hạt có diện tích bề mặt lớn trên một đơn vị thể tích
Tốc độ dịng phân bố khơng đều khi chạy qua cột
Giảm thiễu các lỗ trống, đây là nguyên nhân chính gây nên dịng khơng đều khi chảy qua cột
Điều kiển dòng cố định ở lối vào và ra cột.
Nếu theo dõi sự biến đổi của nồng độ chất hấp phụ theo thời gian, tức là theo dõi dải nồng độ theo thời gian sẽ nhận được đường cong thốt (hình 1.4)
Hình 1.4. Đường cong thốt của cột hấp phụ
Dung lượng hấp phụ cực đại được tính theo công thức(1.12), [25]
Qe = ∑ (Ci − Ck) ∗ (𝑇𝑘 − 𝑇(𝑘 − 1)) ∗ 𝑄
𝑚∗1000 𝑛
𝑘=0
Qe: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) Q: tốc độ dòng (ml/min)
m: Khối lượng chất hấp phụ (g) C_i: Nồng độ asen ban đầu Ck: Nồng độ asen đầu ra T: Thời gian (min)
Mục tiêu thực tiễn của nghiên cứu động lực hấp phụ là xác định (thiết kế) được thời gian hoạt động của một cột hấp phụ từ các số liệu thực nghiệm, đánh giá sự hao hụt dung lượng hấp phụ khi sử dụng phương pháp dòng chảy. Hấp phụ động là quá trình được ứng dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu về hấp phụ, tuy nhiên do sự phức tạp của hệ thống cột hấp phụ và sự thiếu hụt của lý thuyết chất rắn nên các mơ hình tốn học mơ tả chúng khó khăn và phức tạp hơn so với hấp phụ tĩnh.