6. Giả thuyết khoa học
I.6.1Bản chất của quá trình hấp phụ
* Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất
lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp. Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent), chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbate) và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ[62].
Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ. Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả
Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
- Hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học. Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm. Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, tương đương với lực liên kết hoá học. Hấp phụ hóa học thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá. Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể. Hấp phụ hóa học về bản chất khác với hấp phụ vật lý. Đặc trưng hấp phụ hóa học [62]
Xảy ra ở nhiệt độ cao
Loại tương tác: mạnh, xảy ra liên kết cộng hóa trị giữa chất bị hấp phụ và bề mặt
Entanpi cao: 50 kJ/mol < ΔH < 800 kJ/mol
Chỉ xảy ra hấp phụ đơn lớp
Có năng lượng hoạt hóa cao
Mật độ electron tăng lên ở bề mặt phân cách chất hấp phụ-chất bị hấp phụ
Chỉ xảy ra thuận nghịch ở nhiệt độ cao
- Hấp phụ vật lí là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Van Đơ Van, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán London. Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, nhiệt hấp phụ thường nhỏ hơn so với hấp phụ hóa khoảng dưới 20 kJ/mol. Sự hấp phụ vật lí đặc trưng nhất là hấp phụ hơi nước trên bề mặt silicagen.
Đặc trưng của hấp phụ vật lý [62]
Xảy ra ở nhiệt độ thấp, dưới nhiệt độ tới hạn của chất bị hấp phụ
Loại tương tác: Tương tác giữa các phân tử
Entanpi thấp: ΔH < 20 KJ/mol
Năng lượng hoạt hóa thấp
Năng lượng trạng thái của chất bị hấp phụ không thay đổi
Thuận nghịch.
Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt độ, áp suất...).
- Chất hấp phụ là chất có bề mặt thực hiện hấp phụ. Chất hấp phụ thường ở dạng rắn.
- Chất bị hấp phụ là chất bị hút, dính lên bề mặt của chất hấp phụ.
Lực liên kết trong quá trình hấp phụ có thể là lực hút tĩnh điện, lực định hướng, lực tán xạ, trong trường hợp lực đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hay tạo phức, trao đổi ion. Theo thuyết Langmuir nguyên nhân của sự hấp phụ là: - Sự có mặt những phần tử hóa trị không bão hòa trên bề mặt chất hấp phụ. Khi hấp phụ do tác dụng lực hóa trị mà sinh ra liên kết hóa học.
- Khoảng cách tác dụng của lực hóa trị rất ngắn không quá đường kính phân tử do đó chỉ hấp phụ một lớp.
- Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ chứ không xảy ra trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Hoạt tính chất hấp phụ phụ thuộc vào số lượng tâm hấp phụ.