Diện tích b ề mặt riêng của than được xác định theo phương pháp BET, Langmuir, phương pháp đơn điểm.
Theo phương pháp BET, xuất phát từ phương trình hấp phụ đẳng nhiệt BET:
0 0
) 1 ( 1 )
( p
p c v c c v p p v
p
m m
( 2-4)
Trong đó:
p, p0 – áp suất, áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng.
v,vm – thể tích chất bị hấp phụ, thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt.
c – hằng số.
Nếu dựng đồ thị p/v(p0-p) phụ thuộc p/p0 ta thu đƣợc đồ thị có dạng:
Đồ thị có độ dốc s = (c-1)/vmc và cắt trục tung tại i = 1/vmc. Biết s và i suy ra:
và
1 1
i c s
i vm s
Hình 2.7 Dạng đồ thị đường thẳng BET Nếu vm là thể tích hấp phụ cực đại, ứng với sự che phủ 1 lớp đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt của một gam chất hấp phụ và biểu diễn bằng cm3 khi ở 00C và 1atm, thì diện tích bề mặt riêng S(m2/g), đƣợc tính theo công thức:
20 0 .10 22414
vm N Am
S (m2/g) (2-5)
Trong đó:
p/p0 p/v(p0-p)
Am – diện tích mà một phân tử chất bị hấp phụ chiếm trên bề mặt 2.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điên tử quét đƣợc mô tả ở hình 2.8:
Hình 2.8 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM 1- Nguồn phát điện tử 2- Thấu kính điện tử 3-Mẫu nghiên cứu 4-Detector điện tử thứ cấp 5- Detector điện tử xuyên qua 6- Khuếch đại tín hiệu 7- Bộ lọc tia 8- Hệ lái tia
Tia điện tử phát ra ở nguồn 1 đƣợc hệ thấu kính 2 làm hội tụ rồi quét lên mẫu 3 nhờ hệ lái tia 8. Một hay nhiều detector 4 thu nhận điện tử thứ cấp phản xạ từ mẫu 3, đƣợc đồng bộ hoá với tín hiệu thu nhận từ detector 5 (tia xuyên qua) sau khi khuếch đại ở 6 đƣợc chiếu lên màn huỳnh quang 7 và cho hình ảnh cấu trúc của mẫu.
Hiện nay, kính hiển vi điện tử quét đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu, nhất là với nghiên cứu mẫu màng mỏng. Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ tiêu tụ thành một điểm rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu. Khi các điện tử của chùm tia tới va chạm với các nguyên tử ở bề mặt vật rắn thì có nhiều hiệu ứng xảy ra.
Từ điểm ở bề mặt mẫu mà chùm điện tử chiếu đến, có nhiều loại hạt, loại tia đƣợc phát ra gọi chung là các loại tín hiệu. Mỗi loại tín hiệu phản ánh một đặc điểm của mẫu tại thời điểm đƣợc điện tử chiếu đến (số lƣợng điện tử thứ cấp phát ra phụ thuộc độ lồi lõm ở bề mặt mẫu, số điện tử tán xạ ngƣợc phát ra phụ thuộc nguyên tử
số Z, bước sóng tia X phát ra phụ thuộc vào số Z của các nguyên tố hóa học có trong mẫu…). Nếu thu tín hiệu ở mẫu là điện tử thứ cấp ta có kiểu ảnh điện tử thứ cấp, độ sáng tối trên ảnh cho biết độ lồi lõm trên bề mặt mẫu. Với các mẫu dẫn điện, chúng ta có thể thu trực tiếp điện tử thứ cấp của mẫu phát ra. Với các mẫu không dẫn điện chúng ta phải tạo trên bề mặt mẫu một lớp kim loại (thường là vàng hoặc platin).
Trong kính hiển vi điện tử quét, các thấu kính dùng để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu chứ không dùng để phóng đại. Cho tia điện tử quét trên mẫu với biên độ nhỏ d (cỡ micromet), còn tia điện tử quét trên màn hình với biên độ lớn D (tuỳ theo kích thước màn hình), ảnh có độ phóng đại D/d. Ảnh được phóng đại theo phương pháp này thì mẫu không cần phải cắt lát mỏng và phẳng, cho phép quan sát đƣợc mẫu kể cả khi bề mặt mấp mô.
Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thường từ vài chục ngàn đến vài trăm ngàn lần, độ phân giải phụ thuộc vào đường kính của chùm tia chiếu hội tụ trên mẫu. Với sóng điện tử thông thường (dây sợi đốt hình chữ V), độ phân giải là 10 nm đối với ảnh bề mặt bằng cách thu điện tử thứ cấp. Do đó có thể quan sát thấy hình dạng và kích thước của các hạt vật liệu lớn hơn 20 nm.
Thực nghiệm: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu vật liệu đƣợc chụp tại Phòng thí nghiệm – Trung tâm dịch tễ Trung ƣơng.
2.5.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
Có thể dự đoán sự tồn tại của các nhóm chức trên bề mặt than bằng phương pháp phổ hồng ngoại.
Nguyên tắc : Nếu cho một chùm tia hồng ngoại đi qua một mẫu chất nào đó thì một phần năng lƣợng của nó sẽ bịhấp thụ để kích thích sựchuyển mức dao động của các phân tử trong mẫu. Nếu ghi sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào số sóngνta thu đƣợc phổ hồng ngoại của mẫu.
Cơ sở của phương pháp phổ hồng ngoại là định luật Lambert – Beer.
I = I0.10-Cl (2-6) Trong đó:
I0 – Cường độ của tia sáng đơn sác đi qua chất.
I – Cường độ của tia sáng sau khi đi qua chất
ɛ – Hệ số hấp thụ phân tử, ɛ là hằng số ở một bước sóng nhất định, nó phụ thuộc vào bản chất của chất, bản chất dung môi, bước sóng và nhiệt độ. Đơn vị của ɛ là l/mol.cm.
C – là nồng độ dung dịch (mol/l).
l – Độ dày của cuvet (cm).
Thực tế người ta thường dùng đại lượng mật độ quang D:
D = lg(I0/I) = ɛCl (2 - 7)
Trong phổ hồng ngoại, độ hấp thụ ánh sáng thường được đo bằng đại lượng truyền qua T.
T = (I/I0).100% (2 - 8)
Các máy quang phổ hiện đại thường cho phổbiểu thị sự phụ thuộc của T hoặc D vào số sóng ν.
Thực nghiệm : Phổ hồng ngoại IR của các mẫu vật liệu đƣợc chụp tại Phòng thí nghiệm Hóa vô cơ – Khoa hóa học – Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên – ĐHQGHN.
2.5.4 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu
Mô hình tính toán cho các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion thường sử dụng là phương trình Langmuir hoặc Frendlich
Khi thiết lập phương trình hấp phụ Langmuir, người ta xuất phát từ các giả thiết sau:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định - Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lƣợng hấp phụ trên các trung tâm là nhƣ nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Thuyết hấp phụ Langmuir được mô tả bởi phương trình:
C b bC
m.1 .
(2-9)
Trong đó:
m
, : dung lƣợng và dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g) C : nồng độ dung dịch tại thời điểm cân bằng
b: hệ số của phương trình Langmuir (được xác định từ thực nghiệm)
Hình 2.9 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Để xác định các hằng số trong phương trình Langmuir, ta có thể viết phương trình này ở dạng:
m m
C b
C
.
1 (2-10)
Đường biểu diễn C/ phụ thuộc vào C là đường thẳng có độ dốc 1/m và cắt trục tung tại 1/b.m.
Do đó:
m tg
1
(2-11)
b.m
1
Hình 2.10 Đồ thị để xác định các hằng số trong phương trình Langmuir