CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Quá trình hấp phụ
2.1.1. Giới thiệu chung về chất hấp phụ
Chất hấp phụ là những chất có bề mặt tiếp xúc lớn, có khả năng hút các chất khí hay chất tan trong pha lỏng lên bề mặt. Khả năng hấp phụ của mỗi chất tuỳ thuộc vào bản chất, điện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, nhiệt đợ, pH và bản chất của chất tan. Q trình tích lũy vật chất lên bề mặt chất hấp phụ gọi là sự hấp phụ. Chất được tích lũy lên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp. Đó là q trình giải phóng chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ.
Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong các mao quản. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà gây nên hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học.
+ Hấp phụ vật lý được gây ra bởi lực hút phân tử Vanderwaal giữa các phân tử chất hấp phụ và các phân tử chất bị hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (khơng hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ ngưng tụ trên bề mặt. Liên kết trong hấp phụ vật lý thường rất yếu và dễ bị phá vỡ.
+ Hấp phụ hố học: có những lực hóa trị mạnh (do các liên kết bền của liên kết ion, liên kết cợng hóa trị, liên kết phối trí,…) liên kết hố học giữa chất hấp phụ với chất bị hấp phụ tạo ra các hợp chất khá bền trên bề mặt. Liên kết trong hấp phụ hố học bền, khó bị phá vỡ hơn hấp phụ vật lý.
Hấp phụ hoá học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hoá học. Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hố học, người ta đưa ra mợt số tiêu chuẩn sau:
+ Nhiệt hấp phụ: Mỗi phân tử đã bị hấp phụ đều giảm độ tự do cho nên hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt. Đối với hấp phụ vật lý, lượng nhiệt toả ra là 2-6 kcal/mol cịn đối với hấp phụ hố học, lượng nhiệt thường lớn hơn 22 kcal/mol nên hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt đợ thấp cịn hấp phụ hố học có thể xảy ra ở nhiệt đợ cao hơn.
+ Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý khơng địi hỏi sự hoạt hố phân tử do đó xảy ra nhanh, ngược lại hấp phụ hố học xảy ra chậm hơn.
+ Tính đặc thù: Hấp phụ vật lý ít phụ tḥc vào bản chất hố học cịn hấp phụ hố học địi hỏi phải có ái lực hố học, do đó hấp phụ hố học mang tính đặc thù rõ rệt.
+ Năng lượng hoạt hóa hấp phụ: Hấp phụ hóa học tiến hành chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ tḥc bởi khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn. Hấp phụ vật lý tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng khơng.
38 Ngồi ra người ta phân biệt hai kiều hấp phụ:
- Hấp phụ trong điều kiện tĩnh là khơng có sự dịch chuyển tương đối của phân tử
chất lỏng (nước) so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau. Cách thực hiện là cho chất hấp phụ vào nước và khuấy trộn trong một thời gian đủ để đạt được trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng). Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để giữ chất hấp phụ lại và tách nước ra.
Với những điều kiện như nhau, tốc độ của các quá trình thuận nghịch tương ứng với tỷ lệ với nồng độ chất ô nhiễm trong dung dịch và trên bề mặt chất hấp phụ. Khi nồng độ chất bẩn trong dung dịch ở giá trị cao nhất thì tốc độ hấp phụ cũng lớn nhất. Khi nồng độ chất bẩn trên bề mặt chất hấp phụ tăng thì số phân tử (đã bị hấp phụ) sẽ di chuyển trở lại dung dịch cũng nhiều hơn.
- Hấp phụ trong điều kiện động là sự chuyển động tương đối của phân tử nước so
với phân tử chất hấp phụ. Hấp phụ trong điều kiện đợng là mợt q trình diễn ra khi cho nước thải lọc qua lớp vật liệu lọc hấp phụ.
Trong công nghệ xử lý nước và nước thải, một trong những kỹ thuật hay sử dụng là dạng cợt hay cịn gọi là hấp phụ đợng. Cách thực hiện là cho nước lọc qua lớp vật liệu hấp phụ được sắp xếp cố định vào một cột theo chiều từ trên xuống hoặc từ dưới lên.