Quá trình hấp phụ được chia thành hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học và hấp phụ trao đổi ion.
a. Hấp phụ vật lý
Lực hấp phụ có bản chất như lực tương tác phân tử hay Van der Waals. Hấp phụ vật lý luôn thuận nghịch. Hấp phụ vật lý là hấp phụ không định vị, các phân tử chất bị hấp phụ có khả năng di chuyển trên bề mặt chất hấp phụ.
Hấp phụ vật lý tự diễn ra, chất bị hấp phụ có xu hướng bám lên trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ, nhưng quá trình này bị cản trở bởi quá trình ngược (giải hấp).
Ưu điểm của quá trình hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch và không định vị, điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi cần thi hồi chất bị hấp phụ có giá trị hoặc cần hoàn nguyên chất hấp phụ đã bão hòa để tái sử dụng.
b. Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học thường không thuận nghịch, lực hấp phụ có bản chất hóa học, các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ bằng lực hóa học mạnh, không dịch chuyển được trên bề mặt chất hấp phụ. Hấp phụ hóa học có tốc độ chậm hơn hấp phụ vật lý và cần có năng lượng hoạt hóa.
Rất khó phân chia rõ ràng giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý, nhưng có thể có một số phân biệt như sau:
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn để phân biệt hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý
Hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý
Entanpy hấp phụ 40-80 kJ/mol 8-20 kJ/mol
Năng lượng hoạt hóa E Thường nhỏ Bằng không
Nhiệt độ hấp phụ Phụ thuộc năng lượng hoạt
hóa nhưng thường không cao
Phụ thuộc vào nhiệt độ sôi nhưng thường rất thấp
Số lớp hấp phụ Chỉ một lớp (đơn lớp) Có thể nhiều lớp (đa lớp)
Tốc độ của hai quá trình cũng khác nhau. Tốc độ của hấp phụ vật lý luôn luôn cao vì hầu như không có năng lượng hoạt hóa. Còn tốc độ của hấp phụ hóa học thì ngược lại và được xác định theo phương trình:
khp,C = k0Ze-E/RT
trong đó: khp,C – hằng số tốc độ của hấp phụ hóa học k0 – hệ số đặc trưng cho xác xuất hình học E – năng lượng hoạt hóa
Z – số va chạm của phân tử bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian (Z tỉ lệ với áp suất).
Nhiệt hấp phụ cao, nghĩa là trong khoảng nhiệt phản ứng hóa học. Do hấp phụ hóa học nhờ lực hóa học nên giải hấp diễn ra khó khăn, thường giải hấp chất khác thay cho chất hấp phụ.
Nếu tốc độ của quá trình hấp phụ hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ còn được gọi là quá trình hấp phụ hóa học kích hoạt. Còn nếu quá trình hấp phụ diễn ra rất nhanh và không phụ thuộc vào nhiệt độ được gọi là quá trình hấp phụ hóa học không kích hoạt.
c. Hấp phụ trao đổi ion
Nếu trên bề mặt hấp phụ đã có chất điện ly hấp phụ, khi tiếp xúc chất hấp phụ này với chất điện ly khác thì ở mức độ nào đó ta thấy có chất hấp phụ trao đổi ion, hay trao đổi ion giữa các lớp điện kép của chất hấp phụ và môi trường. Trong hấp phụ trao đổi, chất hấp phụ hấp thu lượng xác định ion nào đó đồng thời đẩy vào dung dịch lượng tương đương ion khác có cùng dấu ra khỏi bề mặt. Tham gia vào trao đổi không chỉ có các ion bám trên bề mặt chất hấp phụ (nhờ quá trình hấp phụ nào đó tạo ra), mà có thể cả ion nằm sâu trong chất hấp phụ, tất nhiên quá trình chỉ xảy ra ở vị trí dung dịch có thể tiếp xúc được. Để phân biệt các trường hợp hấp phụ xảy ra trên bề mặt, người ta thường gọi sự trao đổi ion là hấp phụ.
Dựa vào chất hấp phụ có thể phân thành: chất hấp phụ axit – nó xử sự như một axit và có khả năng trao đổi cation với dung dịch; chất hấp phụ bazơ – có tính chất của một bazơ, có thể trao đổi anion với dung dịch.
Ngoài ra, còn có chất hấp phụ lưỡng tính, trong điều kiện xác định loại chất hấp phụ này có khả năng trao đổi cả cation và anion. Tính chọn lọc ấy cho thấy, quá trình trao đổi ion diễn ra như một phản ứng hóa học, có thể làm thay đổi pH của môi trường, khi có H+ hay OH- tham gia trao đổi.
Quan sát một hệ gồm chất trao đổi ion có kích thước đều nhau chứa ion trao đổi A và dung dịch B- là ion cần trao đổi với A.
HT-A + B- → HT-B + A-
HT khi tiếp xúc với dung dịch quá trình trao đổi bắt đầu diễn ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng, trong đó sự phân bố cả ion A và ion B được gắn vào HT trong dung dịch có giá trị không đổi.
Trong HT-A các ion A khuếch tán vào dung dịch, còn ion B khuếch tán từ dung dịch vào HT. Quá trình khuếch tán ngược chiều nhau của hai ion A và B gọi là sự trao đổi ion.
Quá trình trao đổi ion là một quá trình nghiêm ngặt về tỉ lượng, mỗi một ion trao đổi rời khỏi hạt vật liệu phải được thay thế bởi một ion tương đương về điện tích từ ngoài dung dịch đi vào. Đó là kết quả của quy luật trung hòa điện tích.