CHƯƠNG II: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI NẶNG
2.2 Lý thuyết về hấp phụ .1 Hiện tượng hấp phụ
Các quá trình dị thể như sự hòa tan, sự chuyển pha, sự tạo thành và phân hủy chất rắn, quá trình xúc tác dị thể, quá trình điện hóa... đều xảy ra trên bề mặt phân chia pha. Trạng thái của chất ở trên bề mặt phân chia pha hoàn toàn khác trạng thái của nó khi ở trong lòng các pha do sự khác nhau của các trường phân tử. Sự khác nhau này gây ra những hiện tượng bề mặt trên ranh giới phân chia pha Error: Reference source not found. Nếu thành phần của các cấu tử trên bề mặt phân chia pha khác với thành phần trong từng pha thì đã tạo nên cơ sở cho quá trình phân riêng.
Hấp phụ là hiện tượng một chất nào đó (dưới dạng phân tử, nguyên tử hay ion) có khuynh hướng tập chung trên bề mặt phân chia pha nào đó. Trong sự hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ rắn, nguyên nhân chủ yếu của sự hấp phụ là do năng lượng dư trên ranh giới bề mặt phân chia pha rắn – khí hay rắn – lỏng. Các lực tương tác trong hấp phụ này có thể là các lực Van der waals. Chất hấp phụ là chất mà phân tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó Error: Reference source not found.
Trong quá trình hấp phụ thì chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt Error: Reference source not found.
2.2.2 Phân loại các quá trình hấp phụ
Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý hay hấp phụ “ van der waals” xảy ra do tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ không lớn, các phần tử chủ yếu liên kết với nhau bởi những lực vật lý như lực tĩnh điện, lực tán xạ, cảm ứng và lực dịnh hướng,…không có sự trao đổi electron giữa các phân tử. Cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đổi, nhiệt hấp phụ tỏa ra nhỏ Error: Reference source not found
Hấp phụ vật lí là quá trình hai chiều thuận nghịch và ít có tính chọn lọc, chiều ngược của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ. Các chất đã bị hấp phụ dễ bị khử hấp phụ.
Nó hoàn toàn tuân theo nguyên lí về chuyển dịch cân bằng của Le Châtelier Error:
Reference source not found.
Hấp phụ hóa học
Trong hấp phụ hóa học, các phân tử của chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ bởi các lực hóa học bền vững tạo thành những hợp chất hóa học bề mặt mới. Sự hấp phụ ôxi trên bề mặt kim loại là một ví dụ về hấp phụ hóa học. Hấp phụ hóa học có hiệu ứng nhiệt lớn Error: Reference source not found.
2.2.3 Cân bằng hấp phụ
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 tinh thể Error: Reference source not found.
q = f(T,P hoặc C) Trong đó:
q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) T – nhiệt độ
P – áp suất
C – nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha tinh thể (mg/L) 2.2.4 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 Error: Reference source not found.
Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
V – thể tích dung lượng chất bị hấp phụ (L) m – khối lượng chất hấp phụ (g)
Error: Reference source not found – nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/L)
2.2.5 Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung
dịch ban đầu Error: Reference source not found.
2.2.6 Mô hình động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn kế tiếp nhau Error: Reference source not found:
Chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch.
Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch 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 trò quyết định.
2.2.7 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình như: phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,....Error: Reference source not found
2.2.7.1 Phương trình Freundlich
Trên một khoảng có nồng độ nhỏ và đặc biệt với dung dịch loãng đường đẳng nhiệt cho quá trình hấp phụ có thể được mô tả theo biểu thức thực nghiệm Freundich Error: Reference source not found.
Trong đó: k, n – các hằng số.
1
kCcb
q= n−
Ccb – nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L) q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) Phương trình trên được tuyến tính như sau:
log q = log k + n–1log Ccb
Các hằng số k, n xác định được bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa log q và log Ccb.
2.2.7.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry là phương trình đơn giản mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng Error: Reference source not found.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry có dạng:
a = K.P hay q = K.Ccb
Trong đó: a – lượng chất bị hấp phụ (mol/g) K – hằng số hấp phụ Henry P – áp suất (mmHg)
q – dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
Ccb .nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L) 2.2.7.3 Phương trình Langmuir
Phương trình Langmuir cổ điển là phương trình phổ biến nhất và đơn giản nhất mô tả mối quan hệ giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ sinh học Error: Reference source not found.
Trong đó: q – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g)
qmax – dung lượng hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/g) Ccb – nồng độ chất bị hấp phụ lúc đạt trạng thái cân bằng (mg/L) b – hằng số cân bằng hấp phụ
Phương trình trên được tuyến tính như sau:
cb cb max
bC 1
bC q q
= +
Các hằng số qmax và b được xác định bằng cách vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 1/q và 1/Ccb.
Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt
Languir
Hình 2-2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb
Từ mối quan hệ giữa Ccb/q và Ccb dễ dàng tính được qmax và hằng số b.
+
=
cb max
max C
1 b q
1 q
1 q 1
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM