CHƯƠNG 8: HẤP PHỤ VÀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
1. Các loại hấp phụ
Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học
Lực hấp phụ: Lực Van der Walls Lực hấp phụ: Lực liên kết hóa học Nhiệt hấp phụ: vài kcal/mol Nhiệt hấp phụ: >22 kcal/mol Không cần quá trình hoạt hóa Cần quá trình hoạt hóa
Xảy ra nhanh Xảy ra chậm
Xảy ra ở nhiệt độ thấp Xảy ra ở nhiệt độ cao
Nhiệt độ tăng, quá trình hấp phụ giảm Nhiệt độ tăng, quá trình hấp phụ tăng
Tạo hấp phụ đa lớp Tạo hấp phụ đơn lớp
Quá trình hấp phụ không đặc hiệu Quá trình hấp phụ đặc hiệu.
HP có tính thuận nghịch HP không thuận nghịch
Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học luôn đi kèm nhau Hấp phụ trao đổi ion
• Bản chất của hấp phụ trao đổi ion:
Là sự hấp phụ hóa học đồng thời với phản ứng trao đổi ion xảy ra trên bề mặt rắn – lỏng
• Chất hấp phụ trao đổi ion:
- Còn được gọi là các ionit, cấu tạo thường gồm 2 phần: khung polyme không tan + các nhóm hoạt động gắn trên khung
- Phân loại:
+ Cationit: acid mạnh -SO3H, acid yếu -COOH, -OH + Anionit: base mạnh R4NOH, base yếu R3NHOH
- Dung lượng trao đổi ion: là khối lượng các ion có thể được hấp thụ trên một đơn vị khối lượng hay thể tích chất ionit
Dung lượng trao đổi ion lớn khi ngâm ionit trong dung dịch khung polyme có độ trương nở, độ xốp cao → tạo bề mặt tiếp xúc lớn, trên bề mặt này có nhiều nhóm hoạt động
VITAMIN DƯỢC - TEAM HỌC TẬP TND 21
• Nguyên lý hấp phụ trao đổi ion Gồm 2 quá trình trong dung dịch
- Hấp phụ trao đổi cation với cationit R1H
R1H + Men+ → R1Me + nH+ (Men+ = Na+, Ca+, Mg+...) - Hấp phụ trao đổi anion với anionit R2OH
R2OH + X-n → R2X + nOH- (X- = Cl-, SO42-...)
Trong đó Me+ và X- là các ion tạp chất cần loại bỏ, hoặc các ion dược chất, hoạt chất cần hấp phụ để thu gom, tinh chế
• Ứng dụng của hấp phụ trao đổi ion
- Loại tạp ion trong điều chế nước khử khoáng, nước cất - Điều chế, tinh chế các hoạt chất từ dịch chiết
- Hấp phụ dược chất tạo thuốc tác dụng kéo dài 2. Hấp phụ chất khí trên bề mặt rắn
• Đặc điểm
- Là hấp phụ vật lý hoặc hấp phụ hóa học.
- Tốc độ hấp phụ nhanh
- Khí càng dễ hóa lỏng thì càng dễ hấp phụ - Nhiệt độ không đổi, p tăng làm độ hấp phụ tăng
• Sự hấp phụ lên bề mặt đồng nhất. Phương trình Langmuir
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt hấp phụ tại những trung tâm xác định - Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ 1 tiểu phân (hấp phụ đơn lớp)
- Bề mặt hấp phụ đồng nhất (năng lượng hấp phụ trên các trung tâm như nhau và không phụ thuộc vào tiểu phân hấp phụ)
- Các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác với nhau Dạng đường cong:
v
vm= bp bp + 1
Dạng đường thẳng:
p v= 1
bvm+ p vm
Với: b = KNT
K2(2πmK1T)1/2eQ/RT
Trong đó: KNT là hệ số ngưng tụ
m là khối lượng các phân tử va chạm với 1 đơn vị diện tích bề mặt Q là nhiệt hấp phụ
p là áp suất chất bị hấp phụ trong pha khí v là thể tích khí đã bị hấp phụ
vm là thể tích khí tối đa có thể được hấp phụ
θ là phần bề mặt bị che phủ bởi chất bị hấp phụ → (1 – θ) là phần bề mặt tự do K1 là hệ số tỷ lệ tốc độ hấp phụ với áp suất và phần bề mặt tự do
K2 là hệ số tỷ lệ tốc độ phản hấp phụ với phần bề mặt bị che phủ Tại cân bằng: K1.p.(1 –θ) = K2. θ → θ = v
vm
• Sự hấp phụ lên bề mặt không đồng nhất. Phương trình Freundlich và Temkin Thực nghiệm cho thấy lực hấp phụ giảm khi tăng độ che phủ bề mặt. Có thể giải thích do:
- Bề mặt chất hấp phụ không đồng nhất
Phân tử HP trước chiếm trung tâm HP mạnh và có nhiệt HP lớn Phân tử HP sau chiếm trung tâm HP yếu có nhiệt HP ít hơn
- Các phân tử bị HP có tương tác lẫn nhau: các phân tử đã HP trước đẩy các phân tử bị HP sau Phương trình Freundlich:
v = K. p1/n
Trong đó: v là thể tích khí đã được hấp phụ p là áp suất khí
K, n là các hằng số thực nghiệm
Phương trình Temkin:
v
vm = K. ln (K′. p)
• Sự hấp phụ vật lý nhiều lớp. Phương trình BET - Bề mặt HP có tính đồng nhất
- HP xảy ra trên nhiều lớp, tiểu phân bị HP ở lớp trước trở thành trung tâm HP của lớp sau - Từ lớp thứ 2 trở đi, nhiệt HP bằng nhau và bằng nhiệt hóa lỏng
- Ở áp suất bão hòa, số lớp HP trở nên vô hạn Phương trình BET:
p
v(po− p)= 1
vmc+(c − 1) vmc . p
po
VITAMIN DƯỢC - TEAM HỌC TẬP TND 23 Trong đó: p là áp suất chất bị hấp phụ trong pha khí
po là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở tt lỏng v là thể tích khí đã bị hấp phụ
vm là thể tích khí tối đa có thể được hấp phụ c là hằng số
Giá trị hằng số c quyết định hình dạng của các đường hấp phụ đẳng nhiệt. Có 5 dạng:
Đường I: hấp phụ đơn lớp
Đường II: hấp phụ nhiều lớp; c > 2 đường cong có điểm uốn; HP trên bề mặt không có lỗ xốp
Đường III: hấp phụ nhiều lớp; 0 < c < 2 đường cong không có điểm uốn; HP trên bề mặt không có lỗ xốp Đường IV: hấp phụ nhiều lớp; c > 2 đường cong có điểm uốn; HP trên bề mặt có lỗ xốp