CÁC HIỆN TƯỢNG BẺ MẶT
5.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA
5.1.5. Tốc độ hấp phụ
Tuỳ theo tính chất bề mặt của chất hấp phụ mà quá trình hấp phụ xảy ra với những tốc độ khác nhau. Hấp phụ trên bề mặt nhẵn xảy ra với tốc độ khá lớn, do đó cân bằng hấp phụ thiết lập nhanh.
ở những bề mặt rắn xốp hoặc trong dung dịch, tốc độ hấp phụ khá nhỏ. Sự khuếch tán chất tan vào sâu trong lòng mao quản của vật xổp hoặc sự hấp phụ chất tan từ dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ cần phải có một thời gian nhất định và thời gian thiết lập cân bằng lâu hơn.
5.2. Sự HẤP PHỤ CỦA CHẮT KHÍ TRÊN BẺ MẶT RẮN
Sự hấp phụ của chất khí vào pha rắn là những dạng đơn giản của hấp phụ.
Người ta có thể khảo sát quá trình hấp phụ chỉ gồm một câu tử. Do đó không bị phức tạp hoá bởi cấu tử thứ hai. Như thế hấp phụ khí trên bề mặt rắn thường thuận lợi cho nghiên cứu lý thuyết hấp phụ.
153
5.2.1. Phương trình hấp phụ của Langmuir
5.2.1.1. Thuyết hấp phụ của Langmuir
Năm 1915 Langmuir (người Mỹ) đã trình bày lý thuyết về hấp phụ của chất khí trên bề mặt rắn theo một số luận điểm sau:
- _LƯC hấp phu là lực tác d ụ n g khôi lượng, có tácjdun&-tmng pham vi kích thước phân tử tạo đơn lớp hấp phụ.
- Sự hấp phụ thể hiện ở những vet nifL những góc những cạnh, đỉnh trên bề mặt của chất hấp phụ đó là các trung tâm hấp phụ trên bề mat rắn.
- Phân tử bị hấp phụ vào các trung tâm bề mặt trong một k h o ảng thời gian sau đó sẽ phản hap'pffiTtrd ĩại. .... ^
- Khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng, tốc độ hại. quá t rình hấp phụ chất khí trên bề mặt rắn và tốc độ quá trình ghảnjhấpũphụ (bốc hơi khí) bằng nhâu.
5.2.1.2. Thiết lập phư ơng trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir
Khi khảo sát sự hấp phụ của chất khí lên bề mặt một vật rắn có diện tích toàn phần làSỊos-lcm 2■
G ọiẬ là diện tích bị hấp phụ, ứng vđi đô hấp phụ ở bề mặt. lúc này là a.
Khi bề mặt S()=lcm2 được hấp phụ hoàn toàn thì độ hấp phụ cực đại Như vậy ta cổ pjìần bễ m ặt đí r 3 phụ:
(5.5)
Phần bề mặt chưa bị hấp j3hụ là: (1- 9) cm2
Tốc đô hấp phu phu thuộc vào phần bề mặt chưa bị hấp phu có thể v i ế t :
Vhp = ki ( 1 - 0 ) p (5.
Tốc độ phán hấp phụ phu thuôc vào phần bề mặt đã bị hấp phụ là 9 (5.6)
Nên Vphp = k2 0 (5.
Khi cân bằng ta có V ph = Vphp /
(5.7)
tức là : ki (l-9)p = k2e (5.8)
Thu gọn phương trình trên ta có:
k 2 +kịp (5.9)
154
Chia tử và mẫu biểu thức trên cho k2 và đăt k = — Thay k 9 vào (5.9) thu được phương trình hấ
a = a„ kp
1 + kp Đường biểu diễn pKữỡng ’ trình"
Langmuir là một đường cong gồm 3 đoạn:
Đoạn OA : ứng với áp suất nhỏ.
Đoạn AB : ứng với áp suất vừa.
Đoạn BC: ứng với áp suất lớn.
Khi p lớn độ hấp phụ đạt giá trị cực đại không đổi. Chứng tỏ tất cả các trung tâm đã được hấp phụ.
Biến đổi phương trình Langmuir:
amax- k p = a (1 + k p ) Suy ra :
Sự phụ thuộc của p/a vào p là phương trình bậc nhất. Đường biểu diễn có dạng đường thẳng không qua gốc toạ độ.
Vẽ đồ thị của phương trình này ta có thể xác định các đại lượng am và k của phương trình Langmuir.
- l/k .am: là tung độ dốc = OA - or: là góc hợp bởi đường biểu diễn và trục hoành;
OA
(5.10)
c
lình 5-9. Sự hấp phụ của khí trên rắn
^ J $
I ữ)
ị --3 /
cti'ễ/tữy
Hình 5-10. Sự phụ thuộc của p vào p/a trong hấp phụ rắn khí
tga- OB 1/ a„
Khi khảo sát sự hấp thụ của các chất khí trên bề mặt vật rắn, ở áp suất trung bình và nhiệt độ không đổi, Freundlich thu được một phương trình đẳng nhiệt hấp phụ nhờ thực nghiệm:
155
- X : là số mol chất bị hấp thụ - m: là số gam chất hấp thụ - k : là hằng số
1 , 1
- — : là hệ sô thực nghiệm 0 < — < ỉ
n ' n
^ Sư phù hợp giữa phương trình Langmuir với phương trình Freundlich đã được tìm thấy trên đường biểu diễn hình 5.9.
a = a (5.12)
** max , , ĩ \ y
ì + kp
- Ở đoạn OA ứng với ỏp suất nhỏ nờn: 1+kp ô 1.
Thay vào phương trình Langmuir :
a = am — = const.pkp
Lúc này, theo phương trình Freundlich : — = 1 n
x _ 1,
a = — = k.p m Độ hấp phụ a tỷ lệ bậc 1 với áp suất p.
- Ở đoạn BC ứng với ỏp suất p lổn, khi đú: 1+ kp ô kp Thay vào phương trình Langmuir:
kp kp _ _
a = amax. = amm7^ = a max = constant
ì + kp kp
cố nghĩa lượng chất bị hấp phụ phụ thuộc bậc không vào p Lúc này, theo phương trình Freundlich : — = 0
n
V 0
a = kp/n = k. p = k. 1 = constant
- ở đoạn AB ứng với áp suất trung bình, khi đó: Pt < Pn < pc.
Độ hấp phụ tương ứng với các giá trị áp suất là ai < an < am.
Thay các giá trị a ở khu vực ta có: const p1 < an < am ,p°
a = kp " hay — = k p (5.11)
156
Như vậy ở khu vực AB, độ hấp phụ tỉ lệ với áp suất theo bậc nằm giữa 0-1 mà phương trình Freundlich đã nêu ở trên.
Việc tìm thấy sự phụ thuộc giữa lý thuyết và thực nghiệm càng có cơ sở để hiểu thấu đáo hơn tính quy luật của sự hấp phụ.
5.2.3. ứng dụng cùa Sự hấp phụ
Trong thực tế các chất khí trên bề mặt rắn có thể gặp là sự hấp phụ của một hỗn hợp khí nào đó. Nhìn chung con người đã dùng những chất rắn có bề mặt riêng lớn để hấp phụ các khí độc như: dùng than hoạt trong mật nạ phòng độc, tinh chế các khí cho sạch khi cần ...Sự hấp phụ của một số chất ở thể khí lên bề mặt rắn đặc biệt (như khí hydro lên bề m ặt Niken, bạch kim) được dùng làm £ÚC tác trong công nghệ hoá học và phân tích các chất. Trong ngành Dược., việc sử dụng than hoat ở dạng viên than hoặc các biệt dược như: Carbophos. Carbogast, Quinocacbin để hấp phụ các khí hơi trong trường hợp đầy bụng, chướng hơi, rối loạn tiêu hoá và giải độc.