BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÁNH GÍA KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA TRO BAY VỚI THAN HOẠT TÍNH THƯƠNG PHẨM PHỔ BIẾN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM- đại học thủy lợi

Phương phápdùng tro bay làm vật liệu hấp phụ là phù hợp và cho hiệu suất caoKhả năng hấp phụ của tro bay là rất cao với hiệu suất xử lý COD khoảng 71% đối với phương pháp lọc ngược, 91,56% đối với phương pháp lọc xuôi và xử lý độ màu là khoảng 83% đối với phương pháp lọc ngược, 97,12% đối với phương pháp lọc xuôi. Như vậy với khoảng 400kg tro bay và chi phí là 56.000 VNĐ sẽ xử lý được 1m3 nước thải ngành công nghiệp dệt nhuộm

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA TRO BAY VỚI THAN HOẠT TÍNH THƯƠNG PHẨM PHỔ BIẾN TRONG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Th.S Trần Minh Dũng Nguyễn Thị Huyền Ngọc Nguyễn Thị Hồng Nhung

Lê Phương Thảo

Đỗ Văn Tiến Lớp: K53, K52

Hà Nội, 2015

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 1

3.Phạm vi nghiên cứu 1

4.Phương pháp nghiên cứu 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tổng quan về tro bay 1

1.1.1 Khái niệm và phân loại 1

1.1.2 Đặc tính của tro bay 1

1.1.3 Ứng dụng của tro bay 2

1.2 Tổng quan về than hoạt tính thương phẩm 3

1.2.1.Than tre hoạt tính dạng bột 3

CHƯƠNG 2 HẤP PHỤ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 8

2.1 Hấp phụ 8

2.1.1 Khái niệm hấp phụ 8

2.1.2 Động học học hấp phụ 10

2.1.3 Biểu diễn sự hấp phụ 10

2.1.4 Đặc điểm của hấp phụ 12

2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 13

2.1.6 Một số vật liệu hấp phụ thông dụng 15

2.2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 16

2.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 16

2.2.2 Đối tượng nghiên cứu 17

2.3 Phương pháp nghiên cứu 17

2.3.1 Phương pháp tổng hợp, phân tích thông tin, số liệu 17

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm phân tích 17

2.3.3 Phương pháp liệt kê, so sánh – đối chiếu, xử lý số liệu 17

2.3.4 Phương pháp thu mẫu hiện trường 17

2.4 Chuẩn bị quy trình thực nghiệm 18

2.4.1 Thu thập mẫu 18

2.4.2 Kế hoạch làm sạch tro bay và quy trình thí nghiệp hấp phụ 18

PHẦN 3: BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 19

3.1.Mẫu nước nghiên cứu 19

3.2.Chế tạo vật liệu hấp phụ 20

3.2.1.Tro bay 20

3.2.2.Than thương phẩm 20

3.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ 21

3.3.1.Thông số phân tích 21

3.3.2.Mô hình nghiên cứu 23

3.3.2.1.Mô hình cột lọc 23

3.3.2.2.Quy trình nghiên cứu 24

(1)Lọc ngược 24

3.3.3 Kết quả nghiên cứu 25

3.3.3.1 Cột lọc với tro bay 25

3.3.3.2.Than thương phẩm 31

KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Than hoạt tính dạng bột

Hình 1.2: Than hoạt tính dạng viên nén 4mm

Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất của ngành dệt nhuộm

Hình 2.1 Giản đồ hấp phụ

Hình 2.2 Ví dụ về sự định hướng của chất hoạt động bề mặttrên bề mặt phân

cách pha

Hình 3.1 Màu nước thải dệt nhuôm

Hình 3.2 Tro bay sau khi làm sạch

Hình 3.3 Than hoạt tính dạng bột mịn (PAC)

Hình 3.4 Than hoạt tính dạng hạt (GAC)

Hình 3.5 Nước thải đã xử lý sau 0, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110

phút (Từ trái qua phải)

Hình 3.6 Nước thải đã xử lý sau 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 phút (Từ

trái qua phải)

Hình 3.7 Nước thải đã xử lý sau 0 và 90 phút (Từ trái qua phải)

Hình 3.8 Nước thải đã xử lý sau 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 phút (Từ

trái qua phải)

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng bột

Bảng 1.2: Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng viên nén 4mm

Bảng 1.3: Các nguồn ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm Bảng 2.1 So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Bảng 2.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng

Bảng 3.1 Đặc tính nước thải dệt nhuộm trước xử lý tại cơ sở nghiên cứu

Bảng 3.2 Giá trị thành phần nước thải đầu vào

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm lần 1

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm lần 2

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm bằng phương pháp lọc xuôi

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm hấp phụ với PAC

MỤC LỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 3.1 Hiệu suất xử lý thí nghiệm lần 1

Đồ thị 3.2 Hiệu suất xử lý thí nghiệm lần 2

Đồ thị 3.3 Hiệu suất xử lý của quá trình lọc xuôi

Đồ thị 3.4 Hiệu suất xử lý của PAC

Đồ thị 3.3 Hiệu suất xử lý của quá trình lọc xuôi

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện than ước tính hàng năm thải rakhoảng 1,3 triệu tấn tro bay, đó là chưa kể đến lượng tro bay khá lớn thải ra từhàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu làthan Lượng chất thải rắn này mới được tái sử dụng rất ít, chủ yếu thải ra môitrường Do vậy việc nghiên cứu phát triển các hướng sử dụng khác nhau củatro bay đang được các nhà khoa học hết sức quan tâm, đặc biệt là hướng sửdụng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước thải

Trên thế giới, nhiều công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay, chủ yếu

là chuyển hóa thành zeolit bằng nhiều cách khác nhau Còn ở nước ta cácnghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ còn rất ít Do đó tôichọn đề tài “Đánh giá khả năng hấp phụ của tro bay với than hoạt tính thươngphẩm phổ biến trong xử lý nước thải dệt nhuộm” để nâng cao hiệu quả sửdụng phế thải ngành nhiệt điện, bảo vệ môi trường và tạo vật liệu mới cho quátrình hấp phụ trong xử lý nước thải

2.Mục tiêu nghiên cứu

- Hiểu được đặc tính và ưu điểm của tro bay đối với quá trình hấp phụtrong xử lý nước thải

- Ứng dụng tro bay trong việc xử lý nước thải làm vật liệu hấp phụ

3.Phạm vi nghiên cứu

Nước thải dệt nhuộm của làng nghề lụa Vạn Phúc, Hà Nội; tro bay củanhà máy nhiệt điện Phả Lại, Quảng Ninh và than tre thương phẩm của công tyđầu tư và công nghệ PAL Việt Nam có trụ sở tại Cầu Giấy,Hà Nội

4.Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng: Phương pháp tổng hợp, phân tích thông tin –

số liệu, phương pháp thực nghiệm phân tích, phương pháp liệt kê, phươngpháp so sánh – đối chiếu, phương pháp thực nghiệm

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về tro bay

1.1.1 Khái niệm và phân loại

Tro bay là một loại bụi được thu tại bộ phận khí thải của ngành nănglượng từ quá trình đốt cháy than Khi than được đốt cháy thì có khoảng 80%

xỉ than còn lại từ lò nằm dưới dạng tro bay, phần còn lại được đưa qua ốngkhói Tro bay là phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khoáng(than đá) Công nghệ đốt than ở các nhà máy nhiệt điện phổ biến nhất là đốtbằng lò đốt kiểu tầng sôi, tập trung hầu hết ở miền Bắc Phần hạt tro mịn baytheo dòng khí thải bị lắng lại trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện gọi là “tro bay”,phần hạt lớn rơi xuống đáy lò gọi là “tro đáy”

Tro bay thường được phân ra làm 2 loại tùy theo nguồn than đốt:

- Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15-35% Đó là sảnphẩm đốt than ligrit hoặc than chứa bitum, chứa ít than chưa cháy, thường <2%[6]

- Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặcthan chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2-10%[6].1.1.2 Đặc tính của tro bay

Vật liệu tro bay rắn lại khi bay lơ lửng trong khói thải và được thu lạinhờ hệ thống lọc bụi tĩnh điện Vì các hạt tro bay cứng lại khi bay lơ lửngtrong khí thải nên nói chung chúng có dạng hình cầu kính cỡ từ 0.5m đến100m Thành phần của tro bay cấu tạo chủ yếu từ oxit Silic (SiO2), oxit

nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3) Tro bay là nguyên liệu quan trọng để chế tạo

bê tông đầm lăn và các loại gạch nhẹ có giá trị cao, các phụ gia đặc hiệu[3]

a Tính chất vật lý[1]

- Tro bay là phân tử khối cầu thủy tinh, nhẹ

- Màu sắc: màu ghi hoặc ghi sáng

- Mật độ 1,9 ~ 2,3 (chiếm khoảng 65% trọng lượng riêng của xi măng)

- Kích thước phân tử: 1,0 ~ 120µm (bình quân kích thước đầu vào: 20 ~

30 µm)

- Diện tích bề mặt riêng cho dao động trong khoảng từ 0,5 – 2 m2/g

- Độ mịn: 2400 ~ 4000 cm2/g ; Tỉ diện 300 – 600m2/kg

- Tro bay sinh ra từ quá trình đốt cháy than bột thì có tỉ trọng lớn nhất, độ

ẩm tối ưu, lượng cacbon không cháy hết hấp thụ nước làm độ ẩm của tro tănglên

- Tính thấm của tro bay là một trong những tính chất quan trọng góp phầnđánh giá ảnh hưởng của nó tới môi trường và công đoạn xử lý.[5]

b Tính chất hóa học

- Tính chất: Alkali

- Bền với nhiệt, bền với các loại hóa chất

- Các tính chất khác: Hoạt tính Pozzolan (Phản ứng Pozzolan: Là hiệntượng xảy ra khi xi măng đông đặc thành bê tông, một phần vôi tự do khôngđược phản ứng còn sót lại sẽ kết hợp với nước và thành phần chính của tro bay

là Silica gây nên phản ứng chậm, có tác dụng làm tăng cường độ của xi măng

kể từ sau 28 ngày[17]

1.1.3 Ứng dụng của tro bay

Việc sử dụng tro bay trên thế giới hiện nay là rất phổ biến trong nhiềulĩnh vực như làm phụ gia cho bê tông đầm lăn, bê tông tự đầm, bê tông khốilớn, bê tông cường độ cao, bê tông bền sunphat trong các công trình thủy điện,thủy lợi, dân dụng, cầu đường, các công trình cầu cảng, công trình bảo vệ bờ,

đê chắn sông, công trình chống xâm thực ăn mòn của nước biển… Tro baycòn là một trong những nguyên liệu chủ yếu để sản xuất vật liệu nhẹ khôngnung dùng cho các công trình dân dụng nhà cao tầng: Gạch block bê tông khí,tấm panel, tường, sàn, vách ngăn…[10]

Tro bay được ứng dụng làm chất kích thích tăng trưởng cho cây trồng.Bên cạnh đó việc kết hợp tro bay nhẹ với nước bùn thải có giá trị làm phânbón… Chuyển hóa tro bay thành sản phẩm chứa zeolit có thể dùng để cải tạođất, chống chua, khô cằn và bạc màu, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón,thuốc trừ sâu, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo quản một số nôngsản sau khi thu hoạch, làm chất vi lượng trong thức ăn gia súc để tăng sức đềkháng và chống bệnh tật, tẩy uế chuồng trại[1]

Tro bay ngoài các ứng dụng kể trên còn được nghiên cứu rộng rãi tronglĩnh vực xử lí các chất ô nhiễm môi trường Các chất ô nhiễm có thể là hữu cơnhư dẫn xuất phenol, chất màu, hay hợp chất vô cơ: ion kim loại nặng Ở nước

ta các nghiên cứu về tái sử dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ vẫn còn ít Đáng

kể nhất là công bố của Nguyễn Thị Thu và cộng sự đã nghiên cứu chuyển hóatro bay Phả Lại thành dạng zeolit định hướng xử lý chất thải ô nhiễm[1]

1.2 Tổng quan về than hoạt tính thương phẩm

1.2.1.Than tre hoạt tính dạng bột

Than tre hoạt tính dạng bột mịn là vật liệu làm từ than tre được hoạttính hóa bằng hơi nước, nhiệt độ trong điều kiện thiểu khí Ban đầu dùng tre

để đốt thành than tre thông rồi trong các lò hầm chuyên dụng, sau đó được chovào máy nghiền để xay nhỏ than thành dạng bột mịn hoặc các kích thướcmong muốn Than tre sau khi xay mịn sẽ được nạp vào các lò quay lớn, nhiệt

độ lò ở mức 800 đến 900 độ C để thực hiện quá trình hoạt hóa Trong nhiệt độlớn, thành phần Carbon trong than tre thông thường phản ứng với một số chấthóa học khác có trong lò quay và hơi nước tạo ra rất nhiều lỗ rỗng bên trongthan tre, từ đó hình thành lên sản phẩm than hoạt tính Than Hoạt Tính từ trenày có thành phần chủ yếu là carbon, cấu trúc dạng tổ ong đặc trưng Với cấutrúc này, diện tích bề mặt than hoạt tính rất lớn, đạt tới 600 – 1500m2/g ( phụthuộc vào chất lượng của than)

Hình 1.1: Than hoạt tính dạng bột

Ứng dụng:

- Trong y tế để tẩy trùng và các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn

- Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và chất tải cho các chấtxúc tác

- Trong kỹ thuật thì làm một thành phần của bộ phận lọc khí

- Trong xử lý nước công nghiệp

- Trong nông nghiệp dùng cải tạo đất trồng, xử lý vệ sinh ao hồ nuôi …Thông số kĩ thuật:

Độ ẩm

< 4%

Kích thước (D)

Bột mịnBảng 1.1 Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng bột

1.2.2 Than hoạt tính dạng viên nén 4mm

Than hoạt tính làm từ tre được chế tạo bằng phương pháp sử dụng lò điện

để than hóa từ nguyên liệu ban đầu là tre Than tre được đối yếm khí bằng các

lò điện hoặc lò đốt thủ công

Hình 1.2: Than hoạt tính dạng viên nén 4mmỨng dụng:

- Sử dụng cho lọc nước sinh hoạt ăn uống

- Dùng lọc nước sinh hoạt, nước giếng khoan, nước thải

- Dùng lót sàn nhà chống nồm.

- Chôn dưới chân cột thu phát sóng để khử sóng điện từ

- Chôn ở dưới đáy bãi rác khử ô nhiễm nguồn nước ngầm

- Khử màu, mùi, các kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các hợp chất hữu cơ, chấtClo

- Lọc khử phèn sắt, Asen, làm ngon nước, dùng cho bể lọc nước, thiết bị lọc

Độ ẩm < 4%

Bảng 1.2 Thông số kĩ thuật than hoạt tính dạng viên nén 4mm

1.3 Tổng quan về nước thải dệt nhuộm

Nguồn nước thải phát sinh trong công nghệ dệt nhuộm là từ các côngđoạn hồ sợi, rũ hồ, nấu tẩy, nhuộm và hoàn tất Tuy nhiên do đặc điểm củangành công nghiệp dệt nhuộm là công nghệ sản xuất gồm nhiều công đoạn,thay đổi theo mặt hàng nên việc xác định thành phần tính chất lưu lượng nướcthải gặp nhiều khó khăn

Công nghệ dệt nhuộm sử dụng nước khá lớn: từ 12 đến 65 lít nước cho 1mét vải và thải ra từ 10 đến 40 lít nước

Sự phân phối nước trong nhà máy dệt nhuộm như sau:

 Sản xuất hơi: 5,3%

 Nước làm sạch thiết bị: 6,4%

 Nước làm mát và xử lí bụi trong thiết bị dệt nhuộm: 7,8%

 Nước cho các quá trình chính trong xí nghiệp dệt nhuộm:72,3%

 Nước cho việc PCCC và các vấn đề khác: 0,6%

Qua đó cho thấy lượng nước phát sinh từ các nhà máy dệt nhuộm là rất lớn vàứng với mỗi công đoạn khác nhau trong quá trình dệt nhuộm sẽ có lưu lượngnước thải và nồng độ các chất ô nhiễm khác nhau

Bảng 1.3: Các nguồn ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm

BOD cao (34-50 tổng lượngBOD)

Nấu tẩy NaOH, chất sáp, soda,

silicat và sợi vải vụn

Độ kiềm cao màu tối, BODcao

Tẩy trắng Hypoclorit, các hợp chất

chứa Clo, axit, NaOH,…

Độ kiềm cao, chiếm 5% BODtổng

Làm bóng NaOH, tạp chất,… Độ kiềm cao, BOD thấp (dưới

1% BOD tổng)Nhuộm Các loại thuốc nhuộm,

axit, axetic, các muối kimloại,…

ĐỘ màu rất cao BOD khá cao(6% BOD tổng), SS cao

In Chất màu, tinh bột, dầu

muối, kim loại, axit,…

Độ màu cao, BOD cao

Hoàn tất Vét tinh bột, mỡ động vật,

muối,…

Kiềm nhẹ, BOD thấp,…

CHƯƠNG 2 HẤP PHỤ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

2.1 Hấp phụ

2.1.1 Khái niệm hấp phụ

Hấp phụlà quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bềmặt một chất rắn xốp Chất khí hay chất lỏng đó được gọi là chất bị hấp phụ,chất rắn xốp dùng để hút khí hay lỏng đó gọi là chất hấp phụ và những chấtkhông bị hấp phụ gọi là chất trơ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quátrình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ Trong quá trình hấp phụ có tỏa ra mộtnhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ, lượng nhiệt tỏa ra phụ thuộc vào cường độcủa lực liên kết phân tử và tương đương với entanpy (nhiệt) ngưng tụ của hơi,khí Lượng nhiệt đó nằm trong khoảng từ 2 – 20 kJ/g.mol Bề mặt càng lớntức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn

Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân ra thành: hấp phụvật lý và hấp phụ hóa học[2] Hai quá trình này rất khó phân biệt, có khi tiếnhành song song, có khi chỉ có 1 giai đoạn hấp phụ tùy thuộc tính chất của bềmặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt

độ, áp suất )

Trong hấp phụ vật lý các phân tử hơi hoặc khí bị hút vào bề mặt củachất hấp phụ nhờ có lực liên kết giữa các phân tử (lực Vander Waals).Vàkhông có sự trao đổi e- giữa hai chất này

Hấp phụ hóa học là kết quả của các phản ứng hóa học giữa chất bị hấpphụ và vật liệu hấp phụ.Trong trường hợp này lực liên kết mạnh hơn nhiều sovới lực liên kết trong hấp phụ vật lý Do đó lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn nhiều

so với lượng nhiệt được giải phóng trong hấp phụ vật lý Lượng nhiệt nàythường nằm trong khoảng 20 – 400 kJ/g.mol [2] Do lượng nhiệt hấp phụ hóahọc lớn, năng lượng cần cho phản ứng giữa các phân tử của chất bị hấp phụvới phân tử của chất hấp phụ là ít hơn đáng kể so với năng lượng cần cho phảnứng của các chất ấy.

Một đặc điểm khác biệt quan trọng nữa của hấp phụ hóa học so với hấpphụ vật lý là tính chất không thuận nghịch của quá trình.Khi cần giải thoátchất bị hấp phụ trong quá trình hấp phụ hóa học thì bản chất hóa học của chất

đó đã bị thay đổi Do đó nếu muốn thu hồi chất bị hấp phụ sao cho có giá trịhoặc hoàn nguyên chất hấp phụ để tái sử dụng thì cần chọn vật liệu hấp phụnào có tính chất hấp phụ vật lý là chủ yếu

Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa họcLoại liên

kết

Tương tác vật lý không có sự

trao đổi electron

Liên kết hóa học có sự trao

đổi electronNhiệt hấp

kiện về nhiệt độ và áp suất phụ có khả năng tạo liên kết

hóa học với chất hấp phụ

Tính thuận

nghịch

Có tính thuận nghịch Sự phảnhấp phụ là xu hướng phân bố đềuđặn chất bị hấp phụ trở vào môi

trường

Thường bất thuận nghịch.Quá trình giải hấp tương đốikhó vì sản phẩm giải hấpthường bị biến đổi thànhphần hóa họcBảng 2.1 So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học2.1.2 Động học học hấp phụ

Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặtcủa chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo 4 giai đoạn kếtiếp nhau:

- Giai đoạn 1: Vận chuyển chất tan từ pha lỏng đến lớp bề mặt bao quanhcác hạt hấp phụ Bước này bị khống chế bởi dòng đối lưu và trộn hỗn loạn

- Giai đoạn 2: Các chất tập trung ở lớp nước mỏng này khuếch tán đếncác khe rỗng trên bề mặt hạt rắn (khuếch tán ngoài) Bước này khống chế bởikhuếch tán phân tử và dòng đối lưu

- Giai đoạn 3: Chuyển chất bị hấp phụ từ bề mặt ngoài của hạt hấp phụđến bề mặt trong của nó Bước này có thể xảy ra theo 2 cách: khuếch tán lỗ vàkhuếch tán bề mặt (khuếch tán trong)

- Giai đoạn 4: Liên kết hóa học, vật lý của chất bị hấp phụ với bề mặttrong của chất hấp phụ Bước này không bị khống chế bởi tương tác phân tử

Trong đó, giai đoạn 3 là giai đoạn diễn ra chậm nhất, nhưng lại là yếu tốquyết định tốc độ quá trình hấp phụ.

2.1.3 Biểu diễn sự hấp phụ

Sự hấp phụ được đánh giá qua các đại lượng biểu diễn lượng hấpphụ[7]:

a Độ hấp phụ x là lượng chất bị hấp phụ (tính theo mol, mmol) trong một đơn

vị diện tích bề mặt vật hấp phụ (tính theo cm2) , đó chính là hàm lượng bề mặtcủa chất bị hấp phụ

Ta có:x= nCBHP

sCHP (mol/cm2 hoặc mmol/cm2)

b Khi bề mặt vật hấp phụ không đo được, lượng chất bị hấp phụ được quy về

1 đơn vị khối lượng vật hấp phụ (tính theo gam) và ký hiệu x’

Ta có :x ’= nCBHP

mCHP (mol/g)

c Đại lượng Gibbs Γ là lượng dư của số mol chất bị hấp phụ trong thể tích lớp

bề mặt có diện tích 1 cm2 so với số mol của nó trong toàn thể tích, nếu trongmặt tiếp xúc pha không có sự thay đổi hàm lượng chất bị hấp phụ

Khi hàm lượng chất bị hấp phụ thấp, đại lượng Γ xấp xỉ với x, nhưngkhi hàm lượng chất lớn thì Γ khác x Trong các trường hợp nếu hàm lượngchất hấp phụ trên lớp bề mặt nhỏ hơn hàm lượng của nó trong thể tích, đạilượng Γ âm, thì hiện tượng được gọi là hấp phụ âm

Độ hấp phụ x là một hàm của nhiều thông số, trong đó 2 thông số quantrọng là nhiệt độ, áp suất: x = f (P,T) Ở nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn

sự phụ thuộc của q vào P hoặc C (q=f T ( P ho ặ c C )) được gọi là đường đẳng nhiệthấp phụ

Hình 2.1 Giản đồ hấp phụĐường đẳng nhiệt hấp phụ có thể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinhnghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinhnghiệm xử lý số liệu thực nghiệm [2][12][13].Một số đường đẳng nhiệt hấp phụthông dụng được nêu ở bảng 2.2

Đường đẳng

nhiệt hấp phụ Phương trình

Bản chất sự hấpphụ

2.1.4 Đặc điểm của hấp phụ

a Năng lượng hoạt hóa hấp phụ:

Hấp phụ hóa học diễn ra chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gầnbằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cáchgiữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chấtrắn

Hấp phụ vật lý diễn ra rất nhanh và có năng lượng hoạt hóa gần bằng 0

b Tính thuận nghịch của hấp phụ:

Hấp phụ vật lý bao giờ cũng là thuận nghịch, nói cách khác, quá trình ởtrạng thái cân bằng động, hấp phụ nhả hấp phụ.

Hấp phụ hóa học không phải bao giờ cũng là quá trình thuận nghịch.Tùy theo đặc tính mối nối liên kết hóa học mà tính chất thuận nghịch ở quátình hấp phụ khác nhau Có những quá trình hóa học khá bền vững, tạo thànhcác hợp chất hóa học, ví dụ sự hấp phụ của oxy lên kim loại tạo thành oxit kimloại, hoặc khi hấp phụ lên than cho ra CO, CO2

2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

a Ảnh hưởng của dung môi: Cấu tử nào có sức căng bề mặt nhỏ sẽ được ưutiên hấp phụ vì thế khi cho một dung dịch tiếp xúc với chất hấp phụ rắn, giữadung môi và chất phân tán thường có sự cạnh tranh trong quá trình hấp phụlên bề mặt vật rắn Dung môi càng khó bị hấp phụ trên chất hấp phụ thì sự hấpphụ chất tan càng dễ

Dung môi càng hòa tan tốt chất bị hấp phụ thì sự hấp phụ chất tan ấycàng kém Ví dụ: khi hấp phụ chất béo diễn ra trên chất hấp phụ ưa nước (nhưsilicagen) từ môi trường dung môi kém phân cực (như benzen), đối với chấtbéo A có phân tử lượng cao hơn sẽ tan tốt trong môi trường này hơn là chấtbéo B có phân tử lượng thấp, lẽ ra sự hấp phụ A là nhiều hơn B nhưng thực tếlại ít hơn

b Ảnh hưởng của tính chất chất hấp phụ: Bề mặt phân cực sẽ hấp phụ tốt chất

bị hấp phụ phân cực và ngược lại Trạng thái vật lý và độ xốp của chất hấpphụ cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ Ví dụ: các chất hấp phụ ở

trạng thái vô định hình hấp phụ các chất khí và chất lỏng tốt hơn các chất kếttinh.

c Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ:

- Quá trình hấp phụ diễn ra theo chiều hướng làm san bằng sự phân cựcgiữa các pha, quy tắc này gọi là quy tắc cân bằng hóa độ phân cực, còn gọi làquy tắc Rebinder

Ví dụ chất C có thể bị hấp phụ lên bề mặt phân cách pha của A và Bnếu sự có mặt của C tại đó có thể loại trừ bớt sự khác biệt về độ phân cực củahai pha kia; nói cách khác, sự hấp phụ sẽ xảy ra nếu độ phân cực của chất Cđược đặc trưng bằng hằng số điện môi ε nằm giữa giá trị phân cực của A và B

Điều kiện có sự hấp phụ C là: εA > εC > εB hay εA < εC < εB

Xu hướng làm giảm sức căng bề mặt bắt buộc các chất hoạt động bềmặt có trong dung dịch phân bố có định hướng trên bề mặt: nhóm phân cựchướng vào pha phân cực và ngược lại

Hình 2.2 Ví dụ về sự định hướng của chất hoạt động bề mặt

trên bề mặt phân cách pha

- Sự tăng khối lượng phân tử chất bị hấp phụ làm cho khả năng bị hấpphụ tăng lên rõ rệt Chính vì thế các chất alkaloid và chất màu bị hấp phụ rấtmạnh, các hợp chất thơm bị hấp phụ mạnh hơn các chất mạch thẳng Tuynhiên đối với chất hấp phụ có lỗ xốp nhỏ, do hiệu ứng cản trở không gian, sẽhấp phụ chậm chất có mạch cacbon dài

Ngoài ra, còn phải xét đến tương quan về tính hòa tan tốt hay kém vớidung môi vì những chất tan tốt trong môi trường phân tán của nó có thể là chấtkém bị hấp phụ

d Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ và nồng độ :

- Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong không khí vì chấttan trong dung dịch khuếch tán chậm hơn Việc giảm nồng độ trong lớp phâncách chỉ được bù lại bằng khuếch tán, khuếch tán trong môi trường lỏng chậmhơn trong môi trường khí Để tăng nhanh việc thiết lập cân bằng hấp phụthường phải khuấy.Khi nhiệt độ tăng thì theo nhiệt động học sự hấp phụ trongdung dịch sẽ giảm, tuy nhiên mức độ giảm ít hơn so với sự hấp phụ khí.Tuynhiên đối với chất hòa tan kém trong dung môi, nếu khi tăng nhiệt độ làm tăng

độ hòa tan của chất đó, thì sự hấp phụ sẽ tăng nhờ vào sự tăng nồng độ dungdịch Hiện tượng này có thể thấy được khi quan sát sự hấp phụ naptalin hòatan trong dung môi n-butan trên bề mặt hydroexin của silic

2.1.6 Một số vật liệu hấp phụ thông dụng

Đặc tính và yêu cầu chung:Các chất hấp phụ thường được ở dạng: hạthình nhỏ, thanh, bùn, hoặc đá nguyên khối với hydrodynamic đường kínhkhoảng 0.5 đến 10 mm chúng phải chống mài mòn cao, ổn định với nhiệt vàđường kính lỗ nhỏ, giúp tăng diện tích bề mặt do đó tăng khả năng hấp phụ.Các chất hấp phụ phải có cấu trúc lỗ xốp riêng biệt với nhau giúp cho chúng

có khả năng thoát khí nhanh

a Khả năng hấp phụ của đất

Ðất là một hệ thống đa phân tán phức tạp bao gồm các hạt có kích thướckhác nhau Keo đất là những hạt rất ít tan trong nước, có đường kính rất nhỏ.Sốlượng keo trong đất rất khác nhau tuỳ theo loại đất, từ 1 – 2% (đất cát) đến 40 –50% khối lượng đất (đất sét nặng) Ngay cả khi có hàm lượng rất nhỏ trong đất,keo đất vẫnquyết định nhiều tính chất cơ bản của đất về mặt lý học, hoá học,đặc biệt là đặc tính hấp phụ của đất Keo đất có những đặc tính cơ bản sau:

Keo đất có tỷ diện lớn: Tỷ diện là tổng số diện tích bề mặt của một đơn

vị khối lượng (g) hoặc một đơn vị thể tích (cm3) Keo đất có kích thước càng nhỏ thì tỷ diện càng cao, đất sét có tỷ diện lớn nhất rồi đến đất thịt và bé nhất là đất cát

Keo đất có năng lượng bề mặt :Phân tử trên bề mặt hạt keo chịu các lựctác động xung quanh khác nhau vì nó tiếp xúc với thể lỏng hoặc thể khí bênngoài Do các lực này không thể cân bằng lẫn nhau được, từ đó sinh ra năng

lượng tự do, sinh ra năng lượng bề mặt chỗ tiếp xúc giữa các hạt keo với môitrường xung quanh Thành phần cơ giới đất càng nặng thì tỷ diện càng lớn và

do đó năng lượng bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ vật chất càng cao

Keo đất có mang điện :Tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt keo mà keo đất cóthể mang điện âm hoặc điện dương.Trong đất có keo âm, keo dương và keolưỡng tính.Phần lớn keo đất mang điện âm

Keo đất có tác dụng ngưng tụ: Keo đất có thể tồn tại ở hai trạng thái khácnhau: trạng thái keo tán (sol) và trạng thái keo tụ (gel) Khi những hạt keo phân

bố trong một thể tích nước thì chúng nằm cách xa nhau, đó là trạng thái sol (hayhydrosol).Quá trình ngưng tụ là quá trình biến sol thành gel.Quá trình này chỉxảy ra khi keo bị trung hoà điện hoặc sức hút giữa chúng lớn hơn sức đẩy [4]

b Silica gel:

Silica gel là hóa chất trơ, không độc, phân cực và được định hình ổnđịnh (< 400°C hoặc 750°F) từ SiO2 dạng vô định hình Được hình thành bởiphản ứng giữa sodium silicate và acetic acid, được xếp theo chuỗi sau các quátrình như là ngưng kết, tẩy trôi, kết quả là hình thành vô số các lỗ xốp nhiềukích cỡ

Silica được sử dụng trong quá trình làm khô khí (ví dụ oxy, khí thiênnhiên) và hấp phụ các hydrocarbon nặng (phân cực) từ khí gas thiên nhiên

c các loại Zeolite: