Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách giữa các pha (lỏng - rắn, khí - rắn, khí - lỏng). Chất mà trên bề mặt của nó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt đó gọi là chất bị hấp phụ. Sự hấp phụ phụ thuộc vào bản chất chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, vào nhiệt độ, vào nồng độ dung dịch (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha lỏng) hoặc áp suất (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha khí). 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:
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử bị hấp phụ liên kết với các tiểu phân (nguyên tử, ion, phân tử) ở bề mặt chất hấp phụ bởi lực liên kết Van der Waals yếu. Lực đó bao gồm các lực hút như lực tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và định hướng. Sự hấp phụ vật lý luôn là một quá trình thuận nghịch, nhiệt hấp phụ nhỏ, vào khoảng vài chục kJ/mol.
Hấp phụ hóa học:
Trong hấp phụ hóa học, lực tương tác giữa các tiểu phân là lực liên kết hóa học (liên kết ion, cộng hóa trị, phối trí). Hấp phụ hóa học là quá trình bất thuận nghịch.
Nhiệt hấp phụ của quá trình lớn, khoảng vài trăm kJ/mol.
Trong thực tế, sự hấp phụ vật lý và hóa học chỉ mang tính chất tương đối, vì ranh giới giữa chỳng khụng thật rừ ràng. Trong một số trường hợp xảy ra đồng thời cả hai quỏ
11
Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh
trình hấp phụ, các chất bị hấp phụ trên bề mặt do các lực vật lý và sau đó liên kết với chất hấp phụ bởi các lực hóa học [8,12].
1.7.2. Nhiệt động học của quá trình hấp phụ
Hấp phụ là một quá trình tự diễn biến, vì vậy quá trình hấp phụ luôn kèm theo sự giảm năng lượng tự do của hệ (∆G). Do kết quả của sự định cư trên bề mặt của các phân tử chất bị hấp phụ nên số bậc tự do của chúng giảm và do đó entropi của hệ giảm (hệ chuyển từ vô trật tự sang có trật tự).
Theo nhiệt động học thì:
- Nếu quá trình đẳng tích: ∆F = ∆U - T.∆S - Nếu quá trình đẳng áp: ∆G = ∆H - T. ∆S
Hai hàm G và S đều giảm, do đó H cũng phải giảm. Do vậy, quá trình hấp phụ luôn tỏa nhiệt [18].
1.7.3. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
Trong một hệ hấp phụ, quá trình hấp phụ xảy ra đến lúc nồng độ của chất bị hấp phụ trong môi trường xung quanh và trên bề mặt chất hấp phụ xác lập thành một cân bằng động. Có nhiều mô hình nghiên cứu quá trình hấp phụ, tuy nhiên với những kết quả thực nghiệm chúng tôi chọn mô hình hấp phụ đẳng nhiệt của Langmuir để nghiên cứu phù hợp.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir [13, 18].
Theo Langmuir, bán kính tác dụng của lực hấp phụ nhỏ, mỗi trung tâm hấp phụ một phân tử và như vậy trên bề mặt tạo thành một lớp hấp phụ đơn phân tử. Các phân tử đã bị hấp phụ không cản trở sự hấp phụ các phân tử khác ở trên bề mặt còn trống.
Phương trình có dạng:
Trong đó: q = qmax
1��.����.���� + ��
(1)
- q (mg/g) là dung lượng hấp phụ
- qmax (mg/g) là dung lượng hấp phụ cực đại
- b (l/g) là hằng số liên quan tới nhiệt hấp phụ (ái lực hấp phụ) - Cf (mg/l) là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng
Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, có thể chuyển phương trình về dạng phương trình đường thẳng:
Khóa luận tốt nghiệp
�
���
�
�
=�������� Cf +
��.��1 ����
GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh
1
(2 )
Xây dựng đồ thị sự phụ
thuộc của Ccb vào Ccb sẽ
xác định được các hằng số
b và
qmax trong phương trình
(2). Đồ thị sự phụ thuộc
của Ccb vào Ccb có dạng
như sau: q
q
Ccb q
N
O
Theo phươn g trình (2), ta có hệ số góc của phươn g trình là:
C
c
b
(
m
g
/
l
)
Hình 1.6.
thuộc của
��
tg
13
Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh