Hiện nay phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải công nghiệp. Phương pháp này cho phép xử lý nước thải chứa một hoặc nhiều loại chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nước rất thấp, trong khi đó dùng các phương pháp khác để xử lý thì không được hoặc cho hiệu suất rất thấp. Thông thường, phương pháp hấp phụ dùng để xử lý triệt để nước thải sau khi đã xử lý bằng phương pháp khác.
Hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha. Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và rắn. Có hai loại hấp phụ:
- Hấp phụ lý học: là quá trình hút (hay tập trung) của một hoặc hỗn hợp các chất bẩn hòa tan thể khí hoặc thể lỏng trên bề mặt chất rắn. Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha. Trong hấp phụ vật lý không hình thành các liên kết hóa học mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu (lực Vander Walls) và liên kết Hydro. Quá trình hấp phụ vật lý luôn thuận nghịch, tức là luôn ở trạng thái cân bằng động giữa hấp phụ và nhả hấp, nhiệt hấp phụ không lớn. Hấp phụ lý học có thể tạo thành nhiều lớp (đa lớp).
- Hấp phụ hóa học: hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ liên kết với các phân tử bị hấp phụ và hình thành các hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí… Sự hấp phụ hóa học thường bất thuận nghịch, tùy theo đặc tính mối nối liên kết hóa học mà tính chất thuận
nghịch ở quá trình hấp phụ khác nhau. Thông thường, hấp phụ hóa học tạo ra các mối nối khá bền vững. Nhiệt hấp phụ hóa học lớn. Hấp phụ hóa học xảy ra rất ít, không hơn một lớp trên bề mặt chất hấp phụ (đơn lớp).
Trong xử lý nước thải, quá trình hấp phụ thường là sự kết hợp của cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ các chất bẩn hòa tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó từ nước vào bề mặt chất rắn (gọi là chất hấp phụ) dưới tác dụng của trường lực bề mặt. Trường lực bề mặt gồm hai dạng:
- Hydrat hóa các phân tử chất tan, tức là tác dụng tương hỗ giữa những phân tử chất bẩn hòa tan với những phân tử nước trong dung dịch.
- Tác dụng tương hỗ giữa những phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các nguyên tử trên bề mặt chất rắn.
Hai dạng tác dụng này đối kháng với nhau. Tác dụng hydrat hóa càng mạnh thì các chất bẩn càng khó hấp phụ vào bề mặt chất rắn và ngược lại. Tác dụng hydrat hóa càng mạnh khi chứa càng nhiều nhóm hydroxyl trong phân tử chất bẩn, vì nhóm hydroxyl có năng lượng hydrat hóa lớn do chúng có liên kết hydro với các phân tử nước.
Phân tử chất bẩn có điện tích làm cho phân tử nước hướng vào bao bọc xung quanh. Kết quả phân tử chất bẩn khi phân ly thành ion sẽ hấp phụ vào bề mặt chất rắn với năng lượng rất nhỏ so với những phân tử chính của những chất đó khi không bị phân ly.