Cấu trúc xốp của chất hấp phụ
Các chất hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản: Có ái lực bề mặt đối với chất bị hấp phụ. Có bề mặt riêng lớn (σ: m2/g).
Có các mao quản đủ lớn để các phân tử bị hấp phụ đến được bề mặt, nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập.
Bền năng lượng hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc. Đủ bền cơ để chịu rung động và va đập.
Nhẹ, rẻ tiền.
Những yêu cầu trên chứng tỏ chất hấp phụ không những phải có bề mặt riêng mà còn có một số tính chất khác về cấu trúc.
Nhìn chung các chất hấp phụ được dùng trong công nghiệp đều xốp, có bề mặt riêng lớn từ vài trăm mét vuông đến gần 2000 m2/g. Cấu trúc xốp có thể phân loại như sau:
Mao quản nhỏ: kích thước từ 5 ÷ 10⊕, cực đại là 15⊕.
Mao quản trung bình: kích thước từ 15 ÷ 1000⊕, cực đại là 2000⊕. Loại này chiếm nhiều nhất. Trong các mao quản loại này xảy ra quá trình hấp phụ và ngưng tụ mao quản.
Mao quản lớn: kích thước lớn hơn 1000 ÷ 2000⊕. Các mao quản này chỉ tạo ra 0.5 đến 2 m2/g bề mặt, nhưng tạo ra hệ thống vận tải chất rất tốt, làm tăng vận tốc hấp phụ. Loại này thường được dùng cho các cột sắc kí.
Ngày nay, có rất nhiều loại vật liệu hấp phụ như: than hoạt tính, silicagen, các polime hoạt tính, các zeolít, đất sét hoạt tính, nhôm oxit. Cùng với cấu trúc xốp, mỗi loại có những đặc tính tạo nên những vùng ứng dụng hiệu quả riêng từng loại.
Than hoạt tính
Than này được chế tạo từ các nguyên liệu giàu cacbon như than bùn, than đá, các loại thực vật (gỗ, mùn cưa, bã mía, ...), xương động vật.
Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa.
Than hóa nhờ quá trình nhiệt phân, nhằm giải phóng cacbon khỏi các liên kết với các nguyên tử khác và các liên kết bền trước đây giữa chúng; loại các nguyên tố khác đồng thời nâng cao hàm lượng cacbon. Quá trình nhiệt phân các loại thực vật kết thúc ở 400 ÷ 4500
C trong điều kiện không có chất oxy hóa.
Giai đoạn hoạt hóa là than được oxy hóa chọn lọc ở 800 ÷ 10000
C trong môi trường chứa nước hoặc khí CO2. Trong quá trình đó xảy ra các phản ứng, ví dụ:
Dùng CO2: C + CO2 → 2CO
Khi dùng hơi nước: C + H2O → CO + H2
Các phản ứng trên (đốt cháy một phần than) đã tạo nên độ xốp với bề mặt chứa các nhóm chức hoạt động và rất lớn từ 600 ÷ 1700 m2/g.
Cấu trúc xốp và độ hoạt động phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ hoạt hóa. Do đó than có nhiều loại với phạm vi sử dụng rất khác nhau, thường có 4 nhóm về mặt ứng dụng: than tẩy màu, than hấp phụ kim loại, than hấp phụ khí và than dùng trong y học. Cần khẳng định rằng không thể có một loại than dùng cho mọi mục đích.
Nhìn chung, đối với loại giàu mao quản nhỏ (phần bề mặt ứng với mao quản nhỏ nhiều) dùng tốt cho hấp phụ khí, nó kém hiệu quả khi dùng hấp phụ các chất hữu cơ. Còn than hoạt tính dùng hấp phụ trong dung dịch cần giàu mao quản trung bình.
Than hoạt tính thường dùng ở hai dạng:
Dạng bột thường dùng khi năng suất nhỏ, đem trộn vào dung dịch cần hấp phụ sau đó lọc. Thường được sử dụng để màu, thường có kích thước 0.01 ÷ 0.1 mm, độ xốp khá lớn, bề mặt riêng khoảng 200 m2/g. Đặc trưng hấp phụ là tốc độ chậm, nhiều tạp chất, sự cạnh tranh hấp phụ lớn, vì vậy để tăng cường tốc độ người ta thường khuấy và tiến hành ở nhiệt độ khá cao.
Dạng viên (ép bột lại) thuận lợi cho việc hoàn nguyên than nên hay sử dụng cho hệ thống có năng suất lớn.
Than hoạt tính có khối lượng riêng đặc 1.75 ÷ 2.1 g/cm3; khối lượng riêng xốp khoảng 0.1 ÷ 1 g/cm3; còn khối lượng riêng rỗng khoảng 0.2 ÷ 2.1 g/cm3. Than hoạt tính được dùng rất sớm và rộng rãi nhờ hoạt tính lớn và tính chọn lọc cao. Nhược điểm lớn nhất của nó chỉ là dễ cháy, thậm chí gây nổ.
Silicagen
Chế tạo silicagen có thể theo nguyên tắc sau:
Tạo thành H2SiO3 bằng cách tác dụng muối silicat, như Na2SiO3 với axit mạnh. H2SiO3 tạo thành kết tủa dưới dạng keo polime tổ hợp từ các hạt rất nhỏ, chứa rất nhiều nước.
Sấy ở 120 ÷ 1500
C làm hết nước tự do, độ ẩm còn lại 5 ÷ 7%, giải phóng không gian giữa các vi hạt, hình thành các mao quản với bề mặt riêng phát triển cỡ 300 ÷ 750 m2/g.
Silicagen là chất hấp phụ ưa nước. Nó hấp phụ tốt nước và nhiều chất có cực, ứng dụng lớn nhất của nó là để tách nước trong không khí, để làm khô các khí O2, CO2, H2, N2, Cl2 cũng như trong bảo quản nông sản thực phẩm, thiết bị cơ khí, quang học, máy móc, không khí và các khí công nghiệp khác, tách nước trong các chất lỏng ít tan trong nước, … Tuy vậy, nó còn có thể dùng tách các chất hữu cơ từ dung dịch (dùng trong sắc ký, công nghiệp dầu mỏ, dược phẩm, …)
Silicagen bền cơ học ở nhiệt độ cao. Các tính chất hấp phụ thường thay đổi xấu khi silicagen được gia công nhiệt ở nhiệt độ 5000C. Silicagen được sử dụng dưới dạng hạt kích thước 0.2 ÷ 0.7 mm; khối lượng riêng đặc 2.1 ÷ 2.3 g/cm3; khối lượng riêng xốp 0.4 ÷ 1.7 g/cm3; khối lượng riêng rỗng 0.1 ÷ 0.8 g/cm3.
Chất dẻo xốp
Than hoạt tính hấp phụ khá tốt nhiều chất hữu cơ. Tuy nhiên, rất kém đối với nhiều chất hữu cơ phân tử thấp chứa các nhóm chức clo, amin, fenol, … Việc tách các chất này và rất nhiều chất khác ra khỏi dung dịch có thể dựa vào các chất dẻo xốp ra đời cách đây không lâu. Đó là các chất hấp phụ từ các polime được tổng hợp nhân tạo như styrene, divinyl, benzene, polime, copolime, fenolformaldehyt-amin, …
Nói chung, nhựa xốp hấp phụ là các vật liệu có bề mặt kị nước, không có cực, hoặc có cực yếu, trương nhẹ trong các dung môi hữu cơ. Ái lực hấp phụ chủ yếu như lực Van der Waals. Tuy nhiên, chúng cũng được chế tạo để có tính chọn lọc, dùng tốt đối với một số chất nào đó. Trên thị trường hiện nay thường có hai loại phổ biến:
Loại XAD-8: có đường kính trung bình 250⊕ (kích thước mao quản), bề mặt riêng 140 m2/g.
Loại XAD-4: có đường kính trung bình 50⊕, bề mặt riêng 750 m2/g. Zeolit
Là dạng khoáng từ aluminosilicat được tổng hợp, có thành phần hóa học [XmYpO2p.nH2O], trong đó X: Na và K (hoặc có thể là K và Ba hay K và Sr); Y: Si, Al; n = 2÷14. Zeolit được gọi là “sàng phân tử”, nghĩa là tách được các chất dựa vào sự khác nhau về kích thước phân tử. Đó là nhờ mạng tinh thể tạo ra cấu trúc giống như các “lồng” được hình thành do chứa các tứ diện SiO2 và AlO4 được nối với nhau qua các nguyên tử oxy và trên đó có các “cửa sổ” có các kích thước nhất định chỉ cho phép qua những phân tử nhỏ hơn.
Với các nguồn khoáng khác nhau, cùng với các điều kiện chế tạo khác nhau sẽ cho kích thước các “cửa sổ” khác nhau, trong khoảng từ 3 đến 10⊕. Zeolit thường được sử dụng dưới dạng viên được trộn thêm đất sét làm chất kết dính, đồng thời làm tăng thêm bề mặt hấp phụ nhưng lại làm tăng trở lực khuếch tán.
Zeolit thường được sử dụng rộng rãi để hấp phụ chọn lọc các loại hydrocacbon, như benzene và xiclohexan có nhiệt độ sôi gần nhau và giữa chúng tạo hỗn hợp đẳng phí nên không thể tách bằng chưng cất được, mà phải chọn các phương pháp khác. Ngoài ra, zeolit còn là tác nhân làm khô rất tốt, đặc biệt khi cần làm khô khi chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ. Một trong những ứng dụng gần đây của zeolit là để làm giàu oxy của không khí cho các bệnh nhân.
Nhôm oxyt hoạt tính
Còn gọi là alumogen vì chúng được tạo ra theo cách tương tự như silicagen, bao gồm việc tạo kết tủa Al(OH)3 ngậm nước dạng keo, sau đó sấy và nung theo chế độ kỹ thuật nhất định, các phân tử nước sẽ bị bứt ra, các mạng cấu trúc bị đứt đoạn dọc theo các mặt liên kết yếu, tạo ra các mao quản và hoạt tính.
Alumogen có bề mặt riêng 200 ÷ 400 m2/g, thuộc loại ưa nước, bền cơ học, bền nhiệt nên dùng tốt trong các lớp hấp phụ chuyển động. Nó cũng được dùng trong các cột sắc kí, làm chất mang xúc tác.
Làm khô, hấp phụ khí. Nó có khả năng làm khô khí tốt cho đến điểm sương (-600C) và thấp hơn nữa. Một đặc điểm quan trọng của oxyt nhôm là khả năng chịu nước. Chính chỉ tiêu này thường được sử dụng khi lựa chọn chất hấp phụ.
Tinh chế dầu, trước hết là dầu biến thế. Đặc tính lưỡng tính của oxyt nhôm làm chúng trở thành chất hấp phụ axit có hiệu quả. Các axit này là sản phẩm oxy hóa dầu mà việc tính lũy chúng làm giảm tính chất điện môi của dầu.
Trong các hệ thống hấp phụ tĩnh, oxyt nhôm là chất làm khô có hiệu quả trong bảo quản máy mới và các thiết bị biến thế.
Có khả năng hấp phụ các ion flo, để tinh chế nước có hàm lượng flo cao; tinh chế dòng khí và lỏng khỏi các hợp chất chứa ion flo; hấp phụ hơi HF từ khí công nghiệp như trong quá trình điện phân và supephotphat.