DUNG DỊCH LỎNG - KHÍ ■
4.4. CÁC LOẠI CHẤT HẤP PHỤ VÀ ĐẶC TÍNH cơ BẢN CỦA CHÚNG
Một tro n g n h ữ n g đặc điểm quan trọ n g của c h ấ t h ấ p phụ r ắ n là độ xốp.
Độ xốp th ê tích biểu diễn bằng tỉ sô giữa tổ n g th ế tích lỗ h ổ n g với tổng th ế tích của hệ p h â n tá n (khôi c h ấ t h ấ p phụ). Khái niệm độ xốp được sử dụng rộng rã i để p h â n loại và đ á n h giá đặc tín h của ch ất h ấ p phụ. Dựa vào độ xốp có th ể p h â n các c h ấ t h ấ p phụ th à n h các loại sau:
* Các c h ấ t khô n g xốp: Loại n ày d'ù k ế t cấu c h ặ t v ẫ n h ìn h th à n h 'câu trú c có lỗ hổng. Các lỗ hổng đó chính là các khe m à các h ạ t nguyên tô" (cấu t h à n h v ậ t chất) sắp xếp s á t lại n hau tạo ra, tùy thuộc vào kích thước và h ìn h d ạ n g các h ạ t nguyên tô" m à có thế có lỗ xốp lớn h ay vi xốp (có d ạng n h ư H.4.15).
* Các chất hấp phụ xốp - là loại trong đó cấu trúc bao gồm các h ạ t với lỗ xốp bên trong hay m ạng khồng gian chứa lỗ hồng nhỏ.
Các chất hấp phụ không xốp được tạo ra bằng cách cho k ết tủa các chất k ế t tin h khó ta n cua muôi, oxyt (như B a S 04, T i 02 ...) hay đem nghiền các ch ất k ế t tin h và không kết tin h rồi đem n én lại. Loại này có bề m ặt riêng không lớn, thường thì S0 < 1 0 0 m2 / g (nói chung chỉ vào khoảng 2 - 1 ni2 / g ).
Các c h ấ t quan tr ọ n g tiêu biểu cho hệ p h â n tá n cao với các h ạ t kh ô n g xôp là: muội g ra p h it và muội tr ắ n g ( S i 02 có độ p h â n t á n cao). Muội t r ắ n g có th ể điều c h ế b ằ n g cách thủy p h â n S1CI4 hay SiF4 tro n g môi trường hơi nước. Sự th ủ y p h â n tro n g điều k iệ n đặc b iệ t có th ể tạ o được khói chứa các h ạ t h ìn h cầu kích thước k h o ả n g 1 0 0 A° và khi ngưng tụ b ộ t n h u y ễn S1O2
sẽ được h ìn h th à n h . Các loại muội tr ắ n g được sử dụng r ấ t rộ n g rã i làm c h ấ t h ấ p phụ, xúc tác và các c h ấ t độn cho v ậ t liệu polyme.
Các c h ấ t h ấ p phụ xốp với bề m ặ t riê n g S0 lớn có t h ể điều chế b ằ n g n h iều cách, tro n g đó có h ai phương p háp quan trọ n g n h ấ t. Phương p h á p t h ứ n h ấ t là tạo th à n h k ế t câu r ắ n từ các h ạ t nhỏ có kích thước keo với bề m ặ t tro n g p h á t tr iể n lớn. Ví dụ tiêu biểu của loại c h ấ t h ấ p phụ từ cấu trúc h ạ t đó là silicagel, alumogel, alum osilicat và d ạn g h o ạ t động cửa oxyt m an g an . Silicagel cũng có th à n h p h ầ n hóa học là S i 0 2 , n h ư n g được điều c h ế tro n g các điều k iệ n k h á c với muội trắ n g , người ta cho s ilic a t N a tri hay Kali (thủy tin h lỏng) tác dụng với a x it tro n g dung dịch nước, ở đó gel của polyaxit silic - được tạo th à n h . Sau khi tá c h nước sẽ th u được các h ạ t
silicagel có nhiều lổ xốp. Bằng cách tương tự có th ế điều c h ế được alumogel AI9O3 .
Bó m ặ t riê n g cùa các c h ấ t h ấ p phụ phụ thuộc chủ yếu vào kích thước các h ạ t nguyên tồ cấu th à n h và cấu trú c có t r ặ t tự của chúng. Ví dụ các c h ấ t h ấ p phụ h ìn h th à n h từ các h ạ t nguyên tô có d ạ n g h ìn h cầu, kích thước g ần b ằ n g nhau, tiếp xúc n hau hợp th à n h n h ư (II.4.15). Bề m ặ t riê n g có giá trị S0 =s(2 r )2n7t , tro n g đó 2r - đường k ín h tru n g b ìn h ciia các h ạ t; n - sô" h ạ t
, , 1 1 3
trong m ộ t gam c h â t h â p phu. Thê tích 1 gam c h â t h â p phu: v = — = — n(2r)
p 6
( p - khôi lượng riên g của m ột h ạ t nguyên tô). Từ đó thu được:
s = — ; 2r = — (4.16)
0 p2r pS0
Vậy, k h i biết bề m ặ t riê n g S0 của c h ấ t h ấ p phụ, có th ế đ á n h giá được giá tr ị trư n g b ìn h của các h ạ t nguyên tô". Ví dụ, Silicagen có p = 2,2 g / c m 3. 2 r ~ — — — (A °). Nếu So = 1 0 0 m 2 / g (Silicagen h o ạ t tín h
S0
th ấp ), 2 r = 300 A° ; còn khi So = 8 0 0 m 2 / g (Silicagel h o ạ t tín h ) 2 r ~ 40 A° ; Vậy từ đây có t h ể th ấ y rằn g , bề m ặ t riê n g của các c h ấ t h ấp phụ h o ạ t tín h lớn k h i các h ạ t nguyên tố có kích thước khô n g lớn.
H ì n h 4.15. Kiểu cấu trúc liên kết h ạ t n g u yên t ổ cầu - s ố p h ố i trí 6 T ro n g phư ơ ng p h á p th ứ hai người t a th u các c h ấ t h ấ p phụ có câu trúc xốp b ằ n g cách cho các c h ấ t khí h ay lỏng tác dụng lên v ậ t rắ n khô n g có lỗ xốp hay ít xốp. Câu trú c xỗp thuộc loại n ày được tạo r a khô n g phải từ các h ạ t m à từ m ạ n g lưới vững chắc của p h a rắn . T h a n h o ạ t tín h là một ví dụ t.huộc loại này, nó được n g h iê n cứu lâu n h ấ t và sử dụng rộ n g rã i tro n g thực tế. T hủy t i n h xốp có chứa nhiều mao quản là m ộ t tro n g n h ữ n g loại có câu trúc xôp được tạ o r a cách đây khô n g lâu n h ư n g h iệ n đ an g có sức h ấ p d ẫn r ấ t lớn. Người ta tạo loại thủy tin h xốp đó b ằ n g cách loại tr ừ các cấu tử kiềm v à k iề m th ổ khỏi th ủ y tin h có t h à n h p h ầ n đặc b iệ t tro n g dung dịch nước.
C h ấ t 'hấp phụ tin h th ề có lỗ xôp tiêu biểu n h ấ t là các Zeolit tự n h iê n và tổ n g hợp. Zeolit là m ộ t loại alum osilicat tin h t h ể có công thức, xác định
được biểu diễn dưới dạng chung:
R2+(hay R2+)0 AI9O3 -nSiOọ m H20 , tr o n g đó R ọ \ R 2+ là các cation hóa trị 1 và 2 như: K +, N a \ Ag+ và C a 2+. B a 2+. S n 2+. T ế bào sơ đổng cấu t h à n h tin h th ể Zeolit là tứ diện S i 04 và (A104 )_1. (các h ó a tr ị âm ở đây được bù trừ bởi các cation R-2+, R 2+). Các tứ diện đó (thường bao gồm 24 khôi) sắp xếp có qui luật tro n g không gian tạo th à n h khôi b á t diện đơn vị bậc 2 , - được gọi là sodalit và
các tin h th ể Zeolit có m ạng k h ô n g gian xốp. Tùy thuộc vào cách lắp ghép khác nhau của các sodalit m à thu được các loại Zeolit kh ác nhau. Trong
các loại Zeolit A các sodalit a \ k)
ghép th à n h m ạ n g khỏi lập
phương đơn g iản như kiều H ìn h 4.16. Mô h ìn h m ạ n g tinh th ê tin h th ể muôi ă n (H.4.16a). Zeolit A(a) và X(b)
Zeolit X m ạ n g tin h thế
có câu trúc theo kiểu kim cương. T rong cả 2 trường hợp (Zeolit A va X) đều có k h o a n g rỗng k h á lớn và th ô n g nhau. K hoang Zeolit A có cửa sế h ìn h 8 cạn h , rộng khoảng 8 A ° ; Zeolit X ,Y - cửa số h ìn h 12 cạn h , rộ n g 12,5 A° . Kích thước các cửa số còn bị co lại do các ion bao q u an h Si và Al, và cũng còn phụ thuộc vào điện tích, kích thước của cation được đưa vào đẩ bù trừ hóa tr ị âm (như tr ê n đã nêu) v.v... Vì vậy, thực t ế các Zeolit có thé cho các p h â n tử có kích thước cỡ 4 - 7,5 A° đi qua tùy thuộc vào loại Zeolit. Do đặc điểm n ày m à Zeolit được dùng làm
“rây p h â n tử ” đế tá c h m ột loại cấu tử xác đ ịn h ra khỏi hỗn hợp khí. Ví dụ p h â n tử benzen khô n g th ể đi qua cửa sổ của Zeolit 5A, nhưng có th ể đi qua được cửa sổ Zeolit X m ột cách tự do.
Vì vậy, Zeolit 5A chỉ h ấ p phụ n- hecxan m à kh ô n g h ấp phụ benzen, cho nên, ở đây Zeolit 5A đóng vai trò n h ư rây p h â n tử, n-H ecxan và Benzen đều chui qua được các khoang của Zeolit X, n ê n Zeolit X có th ê là c h ấ t h ấ p phụ tô t các c h ấ t trê n .
n Heìxan
Be nzer 4
X
1 3 0
CQ
2
0,2 0,6 10
p/p0
H ì n h 4.17. Các đường d ỉ n g n h iệ t h ấ p p h ụ hơi b e m e n và r-hccxan
trên Zcolit 5A (hay C aA )