1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ
1.2.3. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ
Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau:
♦ Các chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch.
♦ Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng.
♦ Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ, giai đoạn khuếch tán vào trong mao quản.
♦ Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ.
1.2.3.2. Các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang.
Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ
q = f (T,P hoặc C) (1.1)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P hoặc C (q= f(T), (P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tuỳ thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm. [2], [7], [15]
* Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [3]
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir q = qmax .
f f
b.C 1
b.C
(1.2) Trong đó
q: tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng qmax : tải trọng hấp phụ cực đại
b: hằng số Langmuir (hằng số cân bằng hấp phụ)
Khi b.Cf << 1 thì q = qmax.b.Cf mô tả vùng hấp phụ tuyến tính Khi b.Cf >> 1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ bão hòa
Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách đưa phương trình trên về phương trình đường thẳng
.b q C 1 q .
1 q C
max f
max
f (1.3)
Xây dựng đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc Cf/q vào Cf sẽ xác định được các hằng số trong phương trình: b, qmax và đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng như hình 1.1 và 1.2.
tgα =
qmax
1
ON =
b.qmax
1
* Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich [9]: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich là phương trình thực nghiệm mô tả sự hấp phụ khí hoặc chất tan lên vật hấp phụ rắn trong phạm vi một lớp. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich có dạng:
q = k.Ccb1/n (1.4) Trong đó: q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
k: Hằng số hấp phụ Freundlich
Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l) n: Hằng số, luôn lớn hơn 1
Để xác định các hằng số, đưa phương trình (1.4) về dạng đường thẳng:
lgq = lgk + (1/n)lgCcb (1.5)
Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lgCcb sẽ xác định được các giá trị k, n.
Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này thường không phân hủy bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao. Nếu các chất này bị hấp phụ tốt và khi chi phí riêng lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng
O qmax
Cf
N
α
O Cf
Hình 1.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf
dụng phương pháp này là hợp lí hơn cả. Trong xử lý nước thải công nghiệp, hấp phụ được ứng dụng để khử độc nước thải khỏi thuốc diệt cỏ, phenol, thuốc sát trùng, các hợp chất hữu cơ vòng thơm, chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm, màu hoạt tính. [15]
Các chất hấp phụ thường dùng là Cacbon hoạt tính, Bentonite, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải sản xuất như xỉ, mạt sắt… Trong số này, than hoạt tính là được dùng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng hạt và bột đều được dùng để hấp phụ. Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất màu dễ bị than hấp phụ. Lượng chất này tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có khả năng hấp phụ được 58 - 95% các chất hữu cơ và màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen, sunfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm. Có những ứng dụng dùng than hoạt tính để hấp phụ thủy ngân và những thuốc nhuộm khó phân hủy, nhưng tốn kém và không kinh tế. Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại, người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ.
Phương pháp hấp phụ có tác dụng tốt trong việc xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ, các kim loại nặng và màu. Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất vô cơ và hữu cơ độc hại hiện nay người ta có thể sử dụng than bùn hoặc một số loại thực vật nước như lục bình. [9]
Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, có khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải và có thể thu hồi các chất này. Xử lý nước hấp phụ có thể tái sinh, tức thu hồi và tận dụng chất thải, phân hủy và tiêu hủy chất thải cùng với chất hấp phụ. [9]
1.3. Giới thiệu về bùn đỏ