3.3. Khảo sát quá trình hấp phụ tĩnh
3.3.3. Nghiên cứu các mô hình động học về hấp phụ động học tĩnh
Các thông số động học cung cấp thông tin quan trọng cho quá trình hấp phụ, giúp lựa chọn điều kiện hấp phụ tối ưu. Hơn nữa, các cơ chế khuếch tán có thể được tìm hiểu từ các mô hình động học. Các mô hình giả bậc 1, giả bậc hai đã được phân tích từ đó mô hình phù hợp nhất sẽ được lựa chọn dựa trên hệ số tương quan hồi quy tuyến tính, R2.
3.3.3.1. Mô hình giả bậc 1
Mô hình động học giả bậc 1 được sử dụng rộng rãi để dự đoán hấp thụ động học. Hằng số tốc độ kI có thể thu được từ độ dốc của đồ thị log (qe - qt) với thời gian, được thể hiện trong Hình 3.12. Các qt, kI và R2 tính được cho trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11. Số liệu động học giả bậc 1 và giả bậc 2 Thời
gian (giờ)
Abs Co (mg/L) Cm
(mg/L)
qt
(mg/g) qe
(mg/g)
log(qe-qt) mg/g
t/qt
(giờ.g/mg)
0,5 0,447 50 12,15 9,46 12,31 0,455 0,053
1,0 0,331 50 8,80 10,30 12,31 0,303 0,097
2,0 0,188 50 4,67 11,33 12,31 -8,77.10-3 0,177
3,0 0,114 50 2,55 11,86 12,31 -0,347 0,253
4,0 0,068 50 1,22 12,20 12,31 -0,959 0,328
5,0 0,077 50 0,75 12,31 12,31 - 0,406
6,0 0,081 50 0,80 12,30 12,31 -2,00 0,488
Hình 3.12. Đồ thị giả bậc 1 của hấp phụ sunfua
Bảng 3.12. Các kết quả tính toán đƣợc từ mô hình động học giả bậc 1 Co
(mg/l)
Phương trình giả bậc 1
R2 kI (1/giờ) qe(tính) (mg/g)
qe(thực nghiệm)
(mg/g)
50 y=-0,447x+0,803 0,981 1,0294 6,35 12,31
Có thể thấy rằng các hệ số tương quan R2 tương đối thấp hơn nhiều so với 1.
Vì vậy, phản ứng không phải là một phản ứng bậc nhất. Ngoài ra, các giá trị tính toán (qe tính) không bằng với các giá trị thực nghiệm (qe thực nghiệm từ 3.3.2). Nó cũng cho thấy không có khả năng áp dụng mô hình giả bậc 1 trong dự đoán động học hấp thụ.
3.3.3.2. Mô hình giả bậc 2
Việc áp dụng của mô hình giả bậc 1 đối với hấp phụ sunfua lên Fe(OH)3 là không phù hợp, mô hình giả bậc 2 được sử dụng để đánh giá các dữ liệu động học ở nồng độ 50 ppm. Đồ thị biểu diễn sự tương quan được trình bày trong Hình 3.13 và Bảng 3.13 dưới đây:
Hình 3.13. Đồ thị giả bậc 2 của hấp phụ sunfua
Bảng 3.13. Các kết quả tính toán đƣợc từ mô hình động học giả bậc 2 Co
(mg/l)
Phương trình giả bậc 2
R2 KII (giờ.g/mg) qe(tính) (mg/g)
qe(thực nghiệm)
(mg/g)
50 y=0,078x+0,017 0,999 0,3579 12,82 12,31
Các kết quả được tìm thấy phù hợp hơn với mô hình động học bậc hai (R2= 0.999) so với mô hình động học bậc 1 (R2 = 0.809) và các giá trị hấp thụ được dự đoán phù hợp với các giá trị thực nghiệm. Đối với các quy trình tuân theo mô hình giả bậc hai, tỷ lệ hằng số quan sát được của chúng là một hàm số phức tạp của nồng độ ban đầu của chất tan.
3.3.3.3. Mô hình động học khuếch tán
Vì hai mô hình trên không xác định được sự khuếch tán sunfua lên bề mặt vật liệu, chúng tôi sử dụng mô hình động học khuếch tán trong hạt là để mô tả động học hấp phụ trên bề mặt vật liệu Fe(OH)3. Đây là mô hình được sử dụng phổ biến nhất [21], trong đó mô tả sự hấp phụ thay đổi tương ứng với t1/2. Kết quả mối liên hệ giữa qt và t1/2 trong 3 giai đoạn được biểu diễn ở bảng 3.14 và hình 3.14 dưới đây
Bảng 3.14. Số liệu mô hình động học khuếch tán Thời gian
(phút)
t1/2 (phút1/2)
C0 ( mg/l)
Ct ( mg/l)
qt (mg/g)
0 0 50 0 0
30 5,477 50 12,15 9,46
60 7,746 50 8,80 10,30
120 10.954 50 4,67 11,33
180 13.416 50 2,55 11,86
240 15.492 50 1,22 12,20
300 17.321 50 0,75 12,31
360 18.947 50 0,80 12,30
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự khuếch tán của hấp phụ sunfua
Kết quả trên Hình 3.14 cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và mô hình khuếch tán trong hạt. Từ đây có thể thấy sự hấp phụ sunfua trên vật liệu bùn thải sắt hydroxit xảy ra theo 3 giai đoạn. Giai đoạn 1 có độ dốc lớn nhất, tại đây sự hấp phụ diễn ra rất nhanh tương ứng với quá trình sunfua khuếch tán lên trên bề mặt vật liệu. Giai đoạn 2 xảy ra với tốc độ chậm hơn là giai đoạn sunfua khuếch tán vào các lỗ rỗng của vật liệu. Và giai đoạn cuối cùng xảy ra với tốc độ chậm nhất là giai đoạn sunfua nằm cân bằng trên bề mặt và trong các lỗ rỗng sau quá trình khuếch tán.[15]
3.3.4 . Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
Khối lượng vật liệu hấp phụ là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ sunfua. Để tìm ra lượng vật liệu hấp phụ tối ưu, tại đó lượng sunfua bị hấp phụ là nhiều nhất, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến dung lượng hấp phụ với 50 ml dung dịch sunfua có nồng độ 50ppm ở các khối lượng vật liệu hấp phụ khác nhau từ 0,04 đến 0,4 gam. Kết quả được chỉ ra trong Bảng 3.15 và Hình 3.15:
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu lên dung lượng hấp phụ của vật liệu
Khối lƣợng vật liệu (g) Co (mg/L) Cm (mg/L) qe (mg/g)
0,04 50 39,6 17,3
0,05 50 30,9 19,1
0,10 50 4,13 22,9
0,20 50 3,95 11,5
0,30 50 3,68 7,72
0,40 50 3,61 5,80
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng đến dung lượng hấp phụ.
Dựa vào đồ thị trên ta thấy khi tăng khối lượng vật liệu hấp phụ từ 0,04 đến 0,1 gam thì dung lượng hấp phụ tăng và có xu hướng giảm khi khối lượng vật liệu lớn hơn 0,1 gam. Khi tăng khối lượng vật liệu, khả năng hấp phụ của vật liệu cũng tăng do tăng số lượng các trung tâm hấp phụ. Tuy nhiên khi tăng khối lượng vật liệu đến một lượng nhất định nào đó dung lượng hấp phụ sẽ đạt bão hòa và thậm chí có xu hướng hơi giảm. Trong các thí nghiệm tiêp theo, khối lượng vật liệu hấp thụ tối ưu được chúng tôi lựa chọn là 0,1 gam.