Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm và rượu

Nếu các phần tử của chất bị hấp thu chỉ tập trung ở trên bề mặt của chấthấp thu pha ngng tụ thì sự hấp thu đợc gọi là sự hấp phụ.. Khi khảo sát sự hấp phụ chất tan từ dung dịch trên bề m

Khoa Hoá học -

Khả năng tái sinh than hoạt

tính bằng dung dịch kiềm

và rợu

khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành hoá vô cơ

Vinh – tháng 5/2006

Lời cảm ơn

Để hoàn thành khoá luận này em xin đợc chân thành cảm ơn:

- Thầy giáo –TS Nguyễn Hoa Du đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ tạomọi điều kiện để em thực hiện và hoàn thành khoá luận này

- Các thầy cô giáo trong tổ Hoá vô cơ, Ban chủ nhiệm khoa hoá, các thầycô giáo phụ trách Phòng thí nghiệm trờng Đại Học Vinh

- Cảm ơn các bạn bè, ngời thân đã tận tình động viên giúp đỡ em trongquá trình hoàn thành luận văn

Do lần đầu tiên làm khoá luận nên không tránh khỏi nhiều sơ xuất, thiếusót Do vậy em rất mong đợc sự chỉ dạy, đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáocùng toàn thể các bạn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !

Vinh, tháng 5 năm 2006

Ngời thực hiện

Phạm Thị Hạnh

1.1.3.1.Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir 111.1.3.2 Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt theo Freundlich 14

1.2.3.1 Hấp phụ trên than hoạt tính dạng bột 181.2.3.2 Hấp phụ trên than hoạt tính dạng hạt 19

2.2.4 Xác định phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than sau khi

Phần 3 Kết luận 37

Lời nói đầu

Phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nh trong

kỹ thuật Trong hoá học phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng vào việc tách loạicác chất thải, tách các nguyên tố hiếm, là cơ sở của phơng pháp sắc ký đặcbiệt đợc dùng rộng rãi nhất đó là tách loại các chất thải (xử lý nớc thải)

Hiện nay xu hớng của thế giới đó là xử lý chất thải nhằm giảm thiểu ônhiễm môi trờng Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các quátrình hấp phụ để xử lý chất thải đã và đang đợc triển khai ngày càng nhiều Tuynhiên hiệu quả kinh tế cha cao Để có thể có đợc tính năng u việt trong xử lýchất thải và mang lợi ích kinh tế thì xu hớng hiện nay là tận dụng lại các chấthấp phụ dùng trong xử lý, để chúng đợc sử dụng lại nhiều nhất Đó cũng là lí do

để chúng tôi chọn đề tài: Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm và rợu

Nhiệm vụ của đề tài:

- Xác định tính năng hấp phụ của than hoạt tính ban đầu

- Khảo sát các điều kiện xử lý tái sinh than hoạt tính bằng kiềm và rợu

- Xác định hiệu suất tái sinh than hoạt tính

Phần 1 tổng quan lý thuyết

1.1 Sự hấp thu và sự hấp phụ

1.1.1 Hấp thu và hấp phụ

Nh chúng ta đã biết: lực giữa các phân tử giảm rất nhanh theo khoảngcách (tỉ lệ nghịch với r6) Nh thế các phân tử chỉ tác dụng với nhau trong phạm

vi khoảng cách r không lớn (chừng vài đờng kính hiệu dụng của phân tử ).Khoảng cách r đó đợc gọi là bán kính tác dụng phân tử và hình cầu có bán kínhtác dụng phân tử đợc gọi là hình cầu tác dụng phân tử

Các phân tử nằm cách bề mặt pha ngng tụ rắn lỏng một khoảng cách lớnhơn bán kính tác dụng phân tử r chịu tác dụng trung bình về mọi phía các lực

nh nhau nên lực tổng hợp tác dụng lên một phân tử bằng không Trong khi đó,các phân tử nằm trong lớp bề mặt có bề dầy nhỏ hơn r chịu tác dụng của cáclực không đồng đều: lực kéo ra ngoài bề mặt pha ngng tụ nhỏ hơn lực hút vàotrong lòng pha ngng tụ

Nh thế tính chất của lớp bề mặt vật rắn, lỏng khác với tính chất ở tronglòng của chúng(tính chất thể tích ) Tích chất bề mặt của các pha ngng tụ thểhiện ở mọi bề mặt phân chia hai pha Nhng với mức độ khác nhau Bề mặtriêng (bề mặt tính cho một đơn vị khối lợng) của pha ngng tụ càng lớn thì sự

đóng góp của phần năng lợng của lớp bề mặt vào năng lợng của toàn bộ hệ sẽcàng lớn sự đóng góp của phần năng lợng bề mặt vào năng lợng của toàn bộ

hệ rất quan trọng trong các hệ này, tính chất bề mặt sẽ ảnh hởng lên khả năngphản ứng của các chất Vị trí cân bằng của các phản ứng, độ hoà tan của cácchất, áp suất hơi bão hoà, nhiệt độ nóng chảy là nguyên nhân của nhiều hiệntợng nh hấp phụ, thấm ớt khi xét đến hiện tợng bề mặt đại lợng gắn liền với

nó là năng lợng bề mặt[3,4]

1.1.1.1 Năng lợng bề mặt

Các phân tử nằm trên lớp bề mặt có bề dày nhỏ hơn r chịu tác dụng củacác lực kéo vào trong theo phơng vuông góc với bề mặt của pha ngng tụ Lựctác dụng trên một đơn vị chiều dài của giới hạn bề mặt phân chia hai pha đợcgọi là sức căng bề mặt

Về giá trị: sức căng bề mặt bằng năng lợng bề mặt do đó hai đại lợng nàythờng đợc ký hiệu bằng cùng một chữ σ

Vì bề mặt chất lỏng là đồng nhất nên sức căng bề mặt của nó ở mọi

điểm là nh nhau Đối với vật rắn vấn đề trở nên phức tạp hơn vì mật độ hạt ở cáccạch, góc và trên bề mặt là khác nhau nên sức căng bề mặt ở các điểm khácnhau là khác nhau Trong trờng hợp này ngời ta chấp nhận lấy giá trị trung bình

và chỉ đo đợc bằng phơng pháp gián tiếp [3]

1.1.1.2 Các yếu tố ảnh hởng tới năng lợng bề mặt

Năng lợng bề mặt phụ thuộc vào cờng độ của lực kéo các phân tử nằmtrên lớp bề mặt pha ngng tụ vào trong lòng của nó Nhng lực này đến lợt nó lạiphụ thuộc vào lực tác dụng giữa các phân tử của pha ngng tụ và của các phân tửnằm trên bề mặt của pha thứ hai tiếp xúc với nó và nhiệt độ

Vậy năng lợng phụ thuộc vào cấu tạo của pha ngng tụ và pha tiếp xúc với

nó và nhiệt độ

1.1.1.2.1 ảnh hởng của cấu tạo của pha ngng tụ

Lực tơng tác giữa các phân tử của pha ngng tụ có thể là lực giữa các phân

tử, lực tĩnh điện Coulomb, liên kết kim loại

Vì lực giữa các phân tử là nhỏ nên sức căng bề mặt của các hợp chấtphân tử nhỏ và giảm theo chiều:

Phân cực + liên kết hydro >phân cực >không phân cực Vì lý do này mà sức căng bề mặt của nớc rất lớn và các hydrocacbon cósức căng bề mặt nhỏ (bảng 1) các chất điện ly nóng chảy và các kim loại lỏng

có sức căng bề mặt lớn vì liên kết giữa các phân tử bền

1.1.1.2.2 ảnh hởng của cấu tạo của pha tiếp xúc

Vì mật độ của khí hoặc hơi nhỏ hơn so với pha ngng tụ nên nếu trên bềmặt pha ngng tụ là khí hoặc hơi thì sức căng bề mặt lớn hơn so với khi tiếp xúcvới pha lỏng khác.

Lực tơng tác giữa các phần tử của pha tiếp xúc với pha ngng tụ càng lớn thìsức căng bề mặt càng nhỏ do đó sức căng bề mặt giữa các pha ngng tụ nói chung nhỏhơn sức căng bề mặt của pha tự do (pha ngng tụ - khí ) (bảng 1.2)

Bảng 1.1: Năng lợng bề mặt của một vài chất lỏng

Hơi nớcbão hoàAnilinBenzen

20

2625

0,07275

0,00480,0342

1.2.3 ảnh hởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng thì sức căng bề mặt giảm vì sự tăng chuyển độngnhiệt của các phần tử làm giảm lực tác dụng tơng hỗ giữa chúng Khi nhiệt độtăng tới nhiệt độ tới hạn thì không còn ranh giới phân chia lỏng và hơi nữa vàkhi đó sức căng bề mặt bằng không

1.1.1.3 Sự hấp phụ

Bề mặt của pha ngng tụ còn những lực d do đó nó có khả năng thu hútcác phần tử của pha tiếp xúc với nó Hiện tợng đó đợc gọi là sự hấp thu tuỳthuộc vào cơ chế hấp thụ mà ngời ta chia ra làm hấp thụ và hấp phụ

Nếu các phần tử của chất bị hấp thu chỉ tập trung ở trên bề mặt của chấthấp thu (pha ngng tụ) thì sự hấp thu đợc gọi là sự hấp phụ

Trong trờng các phần tử của chất bị hấp thu đi sâu vào trong lòng chấthấp thu thì sự hấp thu đợc gọi là sự hấp thụ Ví dụ: sự hấp thụ khí HCl bằng

H2O[4]

Tuỳ thuộc vào bản chất của lực tơng tác giữa chất hấp phụ và chất bịhấp phụ ngời ta chia làm sự hấp phụ lý học và sự hấp phụ hoá học

ở đây chúng ta xét về quá trình hấp phụ:

Lực hấp phụ gồm các loại sau đây:

a Lực vander waals:Đó là lực tơng tác giữa các phần tử mang tính chấtthuần tuý vật lý, năng lợng hấp phụ nhỏ dễ thiết lập cân bằng

b Lực cảm ứng:Lực này hình thành khi trong phần tử sẵn có một lỡngcực tạo ra điện trờng, ví dụ khi có các nhóm:C=O; C-NO2 Dới tác dụng của

điện trờng đó các electron của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử bên cạnh bịphân cực và tạo nên momen lỡng cực cảm ứng

c Lực hấp phụ hoá học:Đó là trờng hợp giữa chất hấp phụ và chất bịhấp phụ hình thành liên kết hoá học Lực này khá mạnh làm cho đờng đẳngnhiệt hấp phụ biến đổi nhiều

d Liên kết hydro: Lực này hình thành khi hấp phụ các chất có nhóm choproton bởi các chất hấp phụ phân cực nh SiO2, Al2O3

Ngoài ra có thể tạo thành phức chuyển điện tích khi electron của chất tanchuyển đến trung tâm hấp phụ[9]

1.1.1.3.1 Hấp phụ lý học

Sự hấp phụ đợc gọi là hấp phụ lý học nếu lực hấp phụ là lực giữa cácphân tử (lực vander waals) Hấp phụ vật lý là quá trình hai chiều (thuận nghịch)

chiều ngợc của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ Hấp phụ vật lý kèm theo hiệu ứngnhỏ (4-25 kj/mol )các chất hấp phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ [4].

1.1.1.3.2 Hấp phụ hoá học

Trong hấp phụ hoá học:các phân tử hoặc chất bị hấp phụ liên kết vớichất hấp phụ bởi các lực bền vững tạo thành những hợp chất hoá học bề mặtmới.Sự hấp phụ hoá học có tính chất chọn lọc và là không thuận nghịch Nhiệtlợng toả ra trong quá trình hấp phụ hoá học lớn hơn so với sự hấp phụ lý học rấtnhiều (có thể lên tới 800 kj/mol ) Đây là tiêu chuẩn để phân biệt hấp phụ lý học

và hấp phụ hóa học

Một điểm khác nhau nữa giữa sự hấp phụ lý học và hấp phụ hoá họclàkhi tăng nhiệt độ thì sự hấp phụ lý học giảm còn sự hấp phụ hoá học lại tăng

Lực vander waals và lực hóa học đều có cùng một nguồn gốc điện,chúng chỉ khác nhau ở phạm vi tác dụng:lực vander waals tác dụng ở khoảngcách lớn hơn so với lực hoá học Do đó nếu xảy ra sự hấp phụ hoá học thì giai

đoạn đầu tiên phải là sự hấp phụ lý học[4]

1.1.2 Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn - khí và rắn - dung dịch

1.1.2.1 Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn - khí

Bề mặt vật rắn khác bề mặt lỏng là không đồng nhất Sơ đồ sau cho thấy

sự sinh ra các phần hoạt động khác nhau của tinh thể Niken

Các nguyên tử Niken liên kết với bề mặt bằng một liên kết với có năng ợng d lớn hơn so với bề mặt bằng hai liên kết do đó có khả năng hấp phụ mạnh

l-và nhiều hơn Đến lợt mình nguyên tử Ni này kại hấp phụ mạnh l-và nhiều hơn sovới các nguyên tử liên kết với bề mặt bằng ba liên kết

Nh thế trên bề mặt vật rắn bên cạnh những phần có tính chất hoạt độngmạnh còn có những phần hạot động yếu.Những phần hoạt động đợc gọi là cáctrung tâm hoạt động

Đó là các cạnh, các góc, các khe, có chỗ lệch mạng, sai hỏng của tinhthể Sự có mặt của các nguyên tử ″lạ ″(tạp chất) làm biến dạng mạng tinh thể do

đó cũng làm tăng số trung tâm họat động

Rõ ràng rằng bề mặt riêng của vật rắn càng lớn thì khả năng hấp phụcủa nó càng mạnh [4]

1.1.2.2 Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn -dung dịch

Nhìn chung sự hấp phụ trên bề mặt rắn - dung dịch giống sự hấp phụtrên bề mặt rắn - khí Tuy nhiên sự hấp phụ trên ranh giới phân chia vật rắn-dung dịch phức tạp hơn vì không những chỉ các phân tử của chất hoà tan bị hấpphụ mà còn cả các phân tử của dung môi

Khi khảo sát sự hấp phụ chất tan từ dung dịch trên bề mặt vật rắn cầnphải phân biệt hai trờng hợp: sự hấp phụ các chất không điện ly và sự hấp phụchất điện ly(khi có sự hấp phụ chọn lọc của một trong các ion từ dung dịch)

1.1.2.2.1 Sự hấp phụ phân tử từ dung dịch

Khi có sự hấp phụ từ dung dịch lợng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ )bởi1g chất hấp phụ rắn đợc tính theo công thức:

Trong đó a: Lợng chất bị hấp phụ (m mol/g)

C0,C: Nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp

phụ(mol/l)

V: Thể tích dung dịch (l)

m: Khối lợng chất hấp phụ (g)

Sau đây chúng ta xét các yếu tố ảnh hởng đến sự hấp phụ phân tử từdung dịch

a ảnh hởng của dung dịch

Các phân tử là đối thủ cạnh tranh nhau với các phân tử chất tan trongqua trình hấp phụ.Nếu dung môi bị hấp phụ kém hơn trên chất hấp phụ dã chothì chất tan sẽ bị hấp phụ tốt hơn Những chất HĐBM có sức căng bề mặt nhỏhơn sức căng bề mặt của dung môi sẽ bị hấp phụ mạnh hơn ở trên bề mặt vậtrắn Chính vì vậy sự hấp phụ từ dung dịch nớc thờng mạnh hơn nhiều so với sựhấp phụ từ các dung dịch với các dung môi là hydro cacbon, rợu và các chấtlỏng hữu cơ khác có sức căng bề mặt nhỏ hơn so với nớc Cũng có thể nói rằng,nếu chất tan hoà tan tốt trong môi trờng nào thì sự hấp phụ chất tan trong môitrờng đó sẽ yếu và ngợc lại.Trên cơ sở đó cũng có thể rút ra đợc sự liên hệ giữakhả năng hấp phụ với hằng số điện môi cũng nh sức căng bề mặt của môi trờng

mà ở đó xảy ra sự hấp phụ

b ảnh hởng của tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

Những chất hấp phụ phân cực (silicagel;đất sét; )hấp phụ tốt các chấtphân cực, những chất không phân cực (than )hấp phụ tốt các chất không phâncực Rehbinder (Rô-bin-đơ) đã đa ra qui tắc về sự phụ thuộc độ hấp phụ vào độ

phân cực của các chất trong hệ Theo qui tắc này, một chất C nào đó có thể bịhấp phụ trên bề mặt phân chia hai pha Avà B khi hằng số điện môi của nó cógiá trị trung gian giữa hằng số điện môi của Avà B nghĩa là:

εA >εC>εB hay là εA<εC<εB

Đối với những chất HĐBM mà phân tử có hai phần (phần phân cực vàphần không phân cực )thì khi bị hấp phụ trên bề mặt phân chia pha sẽ có sự

định hớng phân tử nh sau:phần phân cực hớng về pha phân cực, phần khôngphân cực hớng về phía pha không phân cực (hình vẽ )

1.1.2.2.2 Sự hấp phụ các chất điện ly

ở đây chúng ta chỉ xét sự hấp phụ các chất điện ly trong dung dịch nớccác ion của chất điện ly bị hấp phụ trên những bề mặt cấu tạo từ những phân tửphân cực hoặc từ những ion Vì vậy, sự hấp phụ ion còn đợc gọi là sự hấp phụphân cực

Những bề mặt với diện tích nhất định hấp phụ từ dung dịch những ion có

điện tích trái dấu Lúc đó những ion trái dấu với ion đã bị hấp phụ dới tác dụngcủa lực hút tĩnh điện taọ ra một lớp điện tích kép

Đối với các ion có cùng điện tích khả năng bị hấp phụ tăng theo bán kínhion Điều này đợc giải thích bởi sự tăng độ phân cực của ion và bởi sự giảmhydrat hoá (lớp vỏ hydrat hoá càng mỏng thì tơng tác điện càng tăng) theo chiềutăng khả năng bị hấp phụ, các ion đợc xếp theo dãy sau:

từ dung dịch KI hoặc ion Cl- từ dung dịch NaCl

1.1.2.2.3 Sự hấp phụ trao đổi

Nếu nh một chất điện ly đã bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ thì khichất hấp phụ tiếp xúc với một chất điện ly khác sẽ xảy ra sự trao đổi ion giữalớp điện tích kép của nó với môi trờng chât hấp phụ lấy từ dung dịch một lợngxác định những ion nào đó và đồng thời trao đổi vào trong dung dịch một lợng t-

ơng đơng các ion tích điện cùng dấu Đó là sự hấp phụ trao đổi

Sự trao đổi ion không những xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ mà còn cóthể xảy ra ở những lớp nằm sâu bên trong nó khi dung dịch có thể tiếp xúc vớinhững lớp đó.Chất hấp phụ có thể có bản chất axit hoặc bazơ.Chất hấp phụ axit

có khả năng hấp phụ trao đổi các cation nó có tên là cationit, chất hấp phụ bazơ

có khả năng hấp phụ anion nó có tên là anionit Những chất trao đổi ion đợc gọichung là ionit Chúng có thể là aluminosilicat (nh pecmutit: Na2O Al2O3.3SiO2

H2O than đợc hoạt hoá bằng H2 hoặc O2 ; các chất tổng hợp đặc biệt (nh cácpolime).

Hấp phụ trao đổi ion đợc ứng dụng rộng rãi trong việc làm mềm nớc,tách các nguyên tố hiếm và các nguyên tố phóng xạ, trong việc điều chế các hoáchất tinh khiết [10]

1.1.3 Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ

Sự hấp phụ có một ý nghĩa to lớn trong các quá trình hoá lý trong tựnhiên và trong kỹ thuật Các quá trình biến đổi hoá học trong cơ thể động thựcvật đều bắt đầu bằng sự hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác (các men ) sự chuyểnchất qua màng tế bào cũng đợc bắt đầu bằng hiện tợng hấp phụ trên bề mặtmàng phân cách Trong kỹ thuật hiện tợng hấp phụ đợc ứng dụng rộng rãi nhtách các chất bẩn, tách các nghuyên tố hiếm, là cơ sở của phơng pháp sắc ký

Do có những ứng dụng quan trọng trên mà trong lĩnh vực hấp phụ đã cónhiều công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học lớn trên thế giới Tiêu biểunh:Gibbs(Gip-xơ); Langmuir(Lang-mua); Polangi(Po-lanni); Bruuaner; Shilov;Dubinin; Kiselev; Freundlich Chúng ta chỉ xét đến lý thuyết của Langmuir vàFreundlich

1.1.3.1 Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir-Sự hấp phụ đơn phân tử

Theo thuyết Langmuir có các giả thuyết sau:

- Sự hấp phụ xảy ra trên những trung tâm hoạt động của bề mặt hấp phụ.Những trung tâm này có thể là điểm nhô lên của bề mặt, nơi tồn tại sự cha bãohoà của trờng lực, có khả năng giữ các phân tử khí bay qua Lực hấp phụ ở đây

- Giữa các phân tử tự do trong pha khí và các phân tử dã bị hấp phụ tồntại cơ bản nh trong một phản ứng hoá học thuận nghịch:

Phân tử khí + Trung tâm hoạt động ↔ phức chất hấp phụ

Trong quá trình thuận là sự hấp phụ và quá trình nghịch là sự khử hấpphụ (giải hấp phụ )

Theo Langmuir số phân tử khí bị hấp thụ tỉ lệ với số va chạm của phân

tử lên bề mặt chất hấp phụ và với áp suất khí Nếu coi bề bề mặt chất hấp phụ

là đơn vị, θ là phần bề mặt bị chiếm bởi các phân tử khí bị hấp phụ thì (1-θ )làphần bề mặt còn tự do Vậy tốc độ hấp phụ bằng:

h

d V dt

hKk

Đối với hệ gồm hai chất khí Avà B cùng bị hấp phụ thì phơng trìnhLangmuir có dạng:

Trong đó: KA; KB là các hằng số cân bằng hấp phụ của các khí A;B

PA;PB là áp suất riêng phần của khí Avà khí B tơng ứng Trongtrờng hợp có i chất khí cùng bị hấp phụ thì phơng trình Langmuir

θ=1 thì độ hấp phụ đạt giá trị cực đại amax Nh vậy độ hấp phụ ứng với độ chephủ θ nào đó sẽ là:

amaxK.P

1+K.P

Đây là phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt của Langmuir Khi chất hấp phụ

có nồng độ nhỏ: K.P< < 1(vùng áp suất thấp )thì: a=amax.K.P nghĩa là độ hấpphụ tỉ lệ thuận với áp suất khí

Khi chất hấp phụ có nồng độ lớn: K.P> >1(vùng áp suất cao ) thì: a→amax

Nh vậy lúc đầu sự hấp phụ tăng tỉ lệ với nồng độ và áp suất khí, sau đódần dần chậm lại và ở những vùng áp suất lớn có sự bão hoà bề mặt bởi lớp đơnphân tử của chất bị hấp phụ Có thể thấy rõ điều này trên những đờng hấp phụ

đẳng nhiệt ở hình 2 và hình 3

1

Hình 2 Hình 3

Đờng đẳng nhiệt hấp phụ Dạng tuyến tính của phơng trình

Phơng trình hấp phụ theo Langmuir có thể đa về dạng tuyến tính

Do đó sự hấp phụ xảy ra rất ít với hai loại phân tử dung môi và chất tan Trongnhững trờng hợp này đòi hỏi một cách nhìn nhận khác về sự hấp phụ - đó là sựhấp phụ đa phân tử

1.1.3.2 Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

Trong trờng hợp chất hấp phụ có cấu trúc lỗ rỗng (xốp )nhỏ ta không thể

áp dụng những qui luật hấp phụ trên bề mặt đồng nhất Đối với sự hấp phụ khí

và hơi trên bề mặt không đồng nhất, ngời ta sử dụng phơng trình kinh nghiệmcủa Freundlich(Fren-lich)

a=β.P1/n (9) trong đó: a:là độ hấp phụ

P:là áp suất khí ở trạng thái cân bằng

β và 1/n là những hằng số thực nghiệm

0

p0

Về trị số β bằngđộ hấp phụ khi áp suất hoặc nồng độ khí bằng đơn vị.

Đối với sự hấp phụ khí hoặc hơi thì 1/n nằm trong khoảng 0,2đến 1 Còn đối với

sự hấp phụ từ dung dịch phơng trình Freundlich có dạng:

ở đây C: là nồng độ của chất tan trong dung dịch ở trạng thái cân bằng Trong trờng hợp đại lợng 1/n nằm trong khoảng từ 0,1đến 0,5 thì phơngtrình Freundlich áp dụng tốt cho vùng áp suất và nồng độ trung bình

Từ phơng trình (9) ta có thể xác định các hằng số βvà 1/n bằng phơngpháp đồ thị nhờ logarit hoá:

và xác định đợc đờng thẳng: lga=f(lgP) hoặc lga=f (lgC )[10]

1.1.4 Chất hấp phụ

Yêu cầu chủ yếu của chất hấp phụ là không có tơng tác hoá học giữa chấthấp phụ và cấu tử cần tách Ngoài ra chất đó không có hoạt tính xúc tác để táchcác phân tử phụ nh oxihoá, polime hoá Nếu hoạt tính xúc tác lớn cần phải khử

Ví dụ: Nếu trung tâm xúc tác là axit thì trung hoà bằng bazơ

Yêu cầu thứ hai là tính chọn lọc, nghĩa là ái lực hấp phụ của các cấu tử

đối với chất hấp phụ khác nhau càng nhiều càng tốt

Các chất hấp phụ phân cực (oxit, kim loại, silicagel )hấp phụ chọn lọccác phân tử phân cực, hydro cacbon cha no và thơm nh ancol, amin, axit Cácchất hấp phụ phân cực đợc chia thành axit, bazơ hoặc trung tính tuỳ vào giá trị

số pH của bề mặt

Các chất hấp phụ không phân cực (ví dụ than hoạt tính, kizelgua,

điatomit )không hấp phụ chọn lọc các phân tử không phân cực

Yêu cầu thứ ba là diện tích bề mặt riêng và kích thớc hạt (độ mịn )phảithích hợp [9]

Một trong những chất hấp phụ thờng dùng hiện nay là than hoạt tính.Sau đây chúng ta cùng xét về tính năng hấp phụ của than hoạt tính

1.2 Tính năng hấp phụ của than hoạt tính

1.2.1 Cấu trúc than hoạt tính

Than hoạt tính là tên gọi chung cho một nhóm vật liệu cac bon hoá có

hệ số mao quản bên trong khá phát triển và do đó có một bề mặt riêng khá cao(500-1500m2/g)[7]

Than hoạt tính chính là than chì đã đợc hoạt hoá Khi cha hoạt hoá than

có cấu trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp2 liên kếtcộng hoá trị với ba nguyên tử các bon bao quanh cùng nằm trong một lớp tạothành vòng sáu cạnh, những vòng liên kết với nhau thành một lớp vô tận Saukhi tạo thành liên kết, mỗi nguyên tử cacbon còn có một electron trên obitan 2pkhông lai hoá sẽ tạo nên liên kết π với 1 trong 3 nguyên tử cacbon bao quanh

Độ dài của liên kết C-C trong cáclớp là 1,45 A 0 liên kết C-C ở trong than có độbội là ≈1,33 Do đó than chì có màu xám, có ánh kim và dẫn điện

Than hoạt tính đợc sử sụng để loại bỏ chất hữu cơ trong nớc do tính tơng

đồng về tính chất không phân cực của bề mặt than với chất hữu cơ trong môi ờng có tính phân cực cao của nớc Than có cấu trúc bên trong khác nhau có khảnăng hấp phụ khác nhau Những đặc trng cấu trúc có liên quan chặt chẽ đến khảnăng hấp phụ là: diện tích bề mặt, cấu trúc và phân bố mao quản theo độ lớn,loại và mật độ nhóm chức bề mặt Các loại than có các nhóm chức và mật độnhóm chức khác nhau cũng có tác động khác nhau lên quá trình hấp phụ của cácchất hữu cơ khác nhau [6]

Hình 4 - Cấu tạo của lớp than chì

1.2.2 Các thông số đặc trng về tính năng hấp phụ của than

Một số thông số đặc trng cho khả năng hấp phụ của than thể hiện qua:diện tích bề mặt (BET) m2/g;thể tích mao quản nhỏ;cm3/g đờng kính mao quản

dTB:A0;độ xốp %; khối lợng riêng thực g/cm3;khối lợng riêng biểu kiếng/cm3;hàm lợng tro %;hàm lợng chất bay hơi%;hàm lợng tổng các nhóm chứcaxit àđl/g [5]

Ngoài ra còn đợc thể hiện qua việc đánh giá các chỉ số sau của than hoạttính nh: chỉ số tẩy màu (molasses test )chỉ số xanh methylen, chỉ số phenol, chỉ

số alkyl benzen sulphonat, chỉ số iod và chỉ số khử clo Sau đây chúng ta xét mộtvài thông số

- Chỉ số tẩy màu: Thể hiện khả năng hấp phụ màu của than trong dungdịch gỉ đờng hoặc mật, tức là khả năng hấp phụ các phân tử chất hữu cơ lớn.Chỉ số này chỉ có giá trị hạn chế trong quá trình loại bỏ chất hữu cơ trong nớc

Chỉ số xanh methylen: xanh methylen là chất màu aromat dạng âm, phân

tử lợng cỡ trung bình và có khả năng hấp phụ rất cao đối với than họat tính Nó

là thông số để xác định nh ít có giá trị đối với việc dự đoán khả năng hấp phụchất hữu cơ trong nớc

- Chỉ số iod: là lợng iod hấp phụ trên 1 g than tại nồng độ cân bằng 0,02

N đại lợng này có liên hệ mật thiết tuyến tính với diện tích bề mặt của than

Chỉ số khử clo: đánh giá đặc trng khả năng tiếp xúc của than hoạt tínhdạng hạt trong quá trình khử clo họat động trong nớc Nó là độ dài của tầng thancần thiết để giảm clo tự do xuống còn một nửa so với nồng độ ban đầu

Qua đó cho thấy việc ứng dụng than hoạt tính để xử lý chất hữu cơ chỉ cóhiệu quả cao khi khảo sát sự hấp phụ trên hệ cụ thể: hấp phụ đơn chất và đặcbiệt hấp phụ hoá học trong điều kiện xác định Để đánh giá khả năng hấp phụcủa than đối với một đơn chất hữu cơ (chất chọn làm mô hình )cần phải xác định

đợc đờng đẳng nhiệt hấp phụ từ thực nghiệm, tức là xác định đợc mối tơng quan