1. 70
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
I. Khái niệm:
- Hấp phụ là quá trình hút khí (hơi) hoặc lỏng trên bề mặt vật liệu xốp
nhờ các lực bề mặt. Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất khí (hơi)
hoặc một chất tan nào đó trong dung dịch có khả năng được làm giàu trên bề
mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Còn chất bị hấp phụ khi đã được
“gắn” và bề mặt vật liệu xốp gọi là chất đã bị hấp phụ.
- Đối với khí, hấp phụ có tác dụng tương tự như hấp thụ. Tuy nhiên,
hấp thụ là quá trình hút và hòa tan khí vào trong chất lỏng, còn hấp phụ thì
chỉ hút trên bề mặt.
- Hấp phụ cũng được dùng rộng rãi để tách các chất tan (chất điện li
và không điện li) khỏi dung dịch. Trong trường hợp này nó có tách dụng như
trích li, nhưng quá trình trích li là quá trình chuyển chất tan từ dung dịch đầu
vào trong lòng dung môi.
- Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong các
mao quản (lực Van der Waals, lực hóa trị). Mạnh nhất là các lực hóa trị, gây
nên hấp phụ hóa học tạo ra các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả gọi là
hấp phụ hóa học. Lực hấp phụ do lực hút phân tử Van der Waals tác dụng
trong khoảng không gian gần sát bề mặt gọi là hấp phụ vật lí. Một hiện
tượng thường xảy ra trong hấp phụ là từ pha khí ngưng tụ thành chất lỏng
trong các mao quản nhỏ, nó xảy ra dưới tác dụng của lực mao quản.
- Mỗi phân tử khi đã bị hấp phụ (dù ở pha khí hay pha lỏng) đều giảm
độ tự do, nên hấp phụ luôn kèm theo sự toả nhiệt mạnh. Nếu hấp phụ một
chất khí có nhiệt toả ra cỡ bằng nhiệt ngưng tụ (< 10 kcal/mol) gọi là hấp
phụ vật lí. Ở trạng thái có mức năng lượng như vậy thì sự biến đổi về cấu
trúc điện tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ là không đáng kể. Do vậy
hấp phụ vật lí là một quá trình thuận nghịch. Còn đối với các hệ xảy ra hiện
2. 71
tượng hấp phụ hoá học thì cấu trúc electron của các chất tham gia quá trình
có sự biến đổi sâu sắc, thậm chí dẫn đến các liên kết hoá học. Khi đó năng
lượng toả ra của hệ cao hơn nhiều có thể lên đến 100 dến 200 kcal/mol, ứng
với mức năng lượng của các phản ứng hoá học. Do vậy, hấp phụ hoá học
xảy ra mạnh và bất thuận nghịch.
- Quá trình chuyển chất trong hấp phụ được xem như gồm ba giai
đoạn:
1. Giai đoạn khuyếch tán chất bị hấp thụ từ môi trường (khí hay lỏng)
đến bề mặt hạt chất hấp phụ. Gia đoạn này phụ thuộc vào tính chất vật lí và
thuỷ động lực của môi trường.
2. Các chất bị hấp phụ khuyếch tán theo các mao quản đến bề mặt
chất hấp phụ.
3. Gia đoạn cuối cùng là tương tác hấp phụ.
Hai giai đoạn sau phụ thuộc vào các tính chất và cấu trúc chất hấp
phụ.
- Qua trình hấp phụ được ứng dung rộng rãi trong công nghệ hoá chất,
thực phẩm và nhiều lĩnh vực chế biến khác; từ việc tách triệt để các chhát
khí có hàm lượng thấp, tẩy màu, tẩy mùi các dung dịch, đến hấp phụ các
chất độc hại trong nước và khí thải. Ngày nay các chất hấp phụ đã được chế
tạo để tách các đồng phân parafin, tách nhiều chất lỏng hữu cơ phân tử thấp
thay cho quá trình chưng luyện trong những trường hợp lkhó khăn, tách
không khí thành hai phần: một phần giàu nitơ (99%), một phần giàu oxy
(95%). Ngoài ra chất hấp phụ còn giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất
chất xúc tác.
II. Chất hấp phụ công nghiệp.
1. Cấu trúc xốp của chất hấp phụ:
Các chất hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản:
3. 72
- 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 lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc.
- Đủ bền cơ để chịu rung động và va đập.
- Nhẹ, rẽ tiền.
Những yêu cầu trên chứng tỏ chất hấp phụ không những phải có bề
mặt riêng lớn 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 2000m2
trên 1g. Cấu trúc
xốp có thể phân loại như sau:
1. Mao quản nhỏ: kích thước từ 5÷10⊕, cực đại là 15⊕.
2. 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.
3. Mao quản lớn: kích thước lớn hơn 1000÷2000⊕. Các mao quản này
chỉ tạo ra 0,5 đến 2m2
/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 truc xốp, mỗi loại có những đặc tính tạo nên những vùng ứng dụng
hiệu quả riêng từng loại.
2. 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.
4. 73
Quá troình 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 hơi nước hoặc khí CO2. Trong quá trình đó, xảy ra
các phản ứng, ví dụ dùng CO2: COCOC 22 →+
khi dung hơi nước: 22 HCOOHC +→+
các phản 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÷1700m2
/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 – 0,1mm, độ xốp khá lớn, bề mặt riêng khoảng 200 m2
/g. Đặc trưng hấp
5. 74
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 đống khoảng 0,2÷0,6
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.
3. 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 được dùng tách các chất hữu cơ từ dung dịch (dùng trong sắt kí,
công nghiệp dầu mỏ, dược phẩm, ...)
Silicagen bền cơ học ở nhiệt độ cao. Các tính chất hấp phụ lhông thay
đổi xấu khi silicagen được gia công nhiệt ở nhiệt độ 5000
C. Silicagen được
sử dụng dưới dạng hạt kích thước 0,2 – 0,7 mm; khối lượng riêng đặc 2,1 –
6. 75
2,3 g/cm3
; khối lượng riêng xốp 0,4 – 1,7 g/cm3
; khối lượng riêng đống 0,1 –
0,8 g/cm3
.
4. 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 stỷen, divinyl, benzen, 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 tinhc 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.
5. 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. Zeolít 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.
7. 76
Với các nguồn khoáng khác nhau, cùng với các điều kiện chế tạo khác
nhau sẽ cho kích thước của các “cửa sổ” khác nhau, trong khoảng từ 3 đến
10⊕. Zeolít 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 khuyếch tán.
Zeolít thường được sử dụng rộng rãi dể hấp phụ chọn lọc các loại
hydrocacbon, như benzen 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 zeolít 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 zeolít là để l;àm giàu oxy của không khí
cho các bệnh nhân.
6. 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 kĩ 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.
Ứng dụng chủ yếu của oxyt nhôm:
- Làm khô, hấp phụ khí. Nó có khả năng làm khô khí tốt cho đến điểm
sương (-600
C) và thấp hơn nữa. Một đặc điểm quan trọng của oxyts nhomm
là khả năng chịu nước. Chính chỉ tiêu này thường được sử dụng khi lựa chon
chất hấp phụ.
8. 77
- 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 tích 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 treong quá trình điện phân và sunpephôtphát.
III. Cân bằng hấp phụ và cơ chế hấp phụ:
1. Hoạt độ hấp phụ (hoạt độ tĩnh):
Lượng chất bị hấp phụ tối đa bởi một đơn vị chất hấp phụ ở trạng thái
cân bằng được gọi là hoạt độ tĩnh a, đo bằng g/g; kg/kg; mol/g; ...
Vậy hoạt độ tĩnh chính là giá trị của nồng độ
hukgchathapp
pphukgchatbiha
X = ở cân
bằng với nồng độ
kgkhitro
pphukgchatbiha
Y = .
Giá trị của a phụ thuộc rất nhiều yếu tố: chất hấp phụ, chất bị hấp phụ,
nồng độ chất bị hấp phụ, áp suất, nhiệt độ và thành phần các cấu tử bị hấp
phụ khác. Trên cơ sở đó còn cơ chế hấp phụ gồm những dạng chính là chất
chứa mao quản nhỏ, hấp phụ hóa học, hấp phụ vật lí (đơn, đa phân tử, ngưng
tụ mao quản). Đây là quá trình phức tạp, các thuyết về hấp phụ đẳng nhiệt
cùng các đường cân bằng hấp phụ thường mô tả ảnh hưởng lên hoạt độ tĩnh,
song hầu hết chỉ cho trường hợp một cấu tử bị hấp phụ.
2. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ và các thuyết hấp phụ:
2.1. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ:
9. 78
Tổng kết các nghiên cứu thực nghiệm, Brunauer, Deming L.S.,
Deming W.E và Teller E. (1940), phân các đường đẳng nhiệt hấp phụ thành
5 loại (hình 3.1)
a a a
I II III
bh
ii Pp / bh
ii Pp / bh
ii Pp /
a a
IV V
bh
ii Pp / bh
ii Pp /
Hình 3.1. các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ
Loại I cho các chất hấp phụ chỉ chứa các mao quản nhỏ. Hấp phụ lên
các vật rắn không xốp là đường II và III. Loại V tương ứng các trường hợp
mà tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ mạnh hơn tác dụng của lực hấp
phụ, cho cá chất hấp phụ xốp. Loại IV gồm một đoạn cong lõm xen giữa hai
đoạn lồi, trong đó đoạn lồi phía dưới tương ứng với hấp phụ một lớp, đoạn
lồi phía trên tương ứng với hiện tượng ngưng tụ tronh các mao quản trung
bình, còn đoạn lõm biểu thị vùng hấp phụ nhiều lớp. Chính sự hấp phụ nhiều
10. 79
lớp tạo nên sự linh động, làm cho các lớp bị hấp phụ giống như màng lỏng
trên bề mặt mao quản.
2.2. Thuyết hấp phụ Langmuir (1916):
Xuất phát điểm đầu tiên của thuyết Langmuir là khái niệm của động
lực cân bằng hấp phụ, nghĩa là ở trạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc
độ giải hấp phụ. Theo Langmuir trên bề mặt chất hấp phụ có thể chia thành
các ô, mỗi ô chỉ chứa một phân tử chất bị hấp phụ, các ô có mức năng lượng
như nhau (có bề mặt đồng nhất), khi bị hấp phụ các phân tử nằm trong từng
ô đó không được tương tác với nhau.
Gọi phần diện tích bề mặt chất rắn đã được các phân tử khí chiếm chỗ
là θ, phần còn trống là (1-θ), áp suất cân bằng là P.
Tốc độ hấp phụ tỷ lệ thuận với (1-θ) và P, do đó:
)1( θ−= Pkv at (3.1)
Tốc độ giải hấp phụ tỷ lệ với θ, do đó:
θ'
kvn = (3.2)
Khi đạt cân bằng θθ '
)1( kPkvv ant =−⇒=
P
k
k
P
k
k
Pkk
Pk
a
a
a
a
'
'
'
1+
=
+
=θ (3.3)
đặt '
k
k
k a
= ta có:
kP
kP
+
=
1
θ (3.4)
trong đó: nt vv , : tốc độ hấp phụ và tốc độ nhả hấp phụ;
'
,kka : hằng số tốc độ hấp phụ và nhả hấp phụ;
Mức độ che phủ θ chính là tỷ lệ của lượng chất bị hấp phụ tại P (a:
hoạt độ hấp phụ)so với lượng chất bị hấp phụ bao phủ toàn bộ bề mặt amax
(tức là khả năng hấp phụ ở bề mặt hoạt động).
11. 80
Tức là:
maxa
a
=θ (3.5)
Ta có:
kP
kP
aa
+
=
1
max (3.6)
Từ phương trình (3.6) ta có nhận xét:
1/ Khi áp suất nhỏ: kPaakP max1 =⇒<< : vùng hấp phụ tuyến tính
Henry.
2/ Khi áp cao: max1 aakP =⇒>> : vùng bão hòa, tại đây lượng chất
bị hấp phụ trên bề mặt không tăng được được nữa mặt dù áp suất tăng vì bề
mặt chất rắn đã bị chiếm chỗ.
3/ Khi áp suất trung bình:
kP
kP
aa
+
=
1
max : đường cong
Đường hấp phụ đẳng nhiệt loại I trên hình (3.1) phù hợp với phương
trình (3.6).
2.3. Thuyết hấp phụ BET (Brunauer, Emmet và Teller: 1938)
Thuyết này dựa trên quan niệm các phân tử đã bị hấp phụ không
chuyển động tự do trên bề mặt và không tương tác với nhau; ở những phần
khác nhau của bề mặt có thể hình thành hấp phụ nhiều lớp với số lớp khác
nhau nhưng tổng bề mặt là không đổi trong bất kì điều kiện cân bằng nào.
Vận tốc hấp phụ tỷ lệ với lượng của bề mặt hấp phụ và tần số va chạm
chất bị hấp phụ vào bề mặt. Còn vận tốc nhả hấp phụ tỷ lệ với phần bề mặt
đã bị hấp phụ và năng lượng hoạt hóa.
Khi đạt cân bằng động và mở rộng cho n lớp hấp phụ, phương trình
BET có mối quan hệ thể tích giữa chất bị hấp phụ giữa các lớp có dạng sau:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−−+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
++−
= +
+
1
1
1
2
)1(11
)1(1
n
bhbhbh
n
bhbh
bh
P
p
B
P
p
B
P
p
P
p
n
P
p
n
P
p
B
V
V
(3.7)
12. 81
trong đó:
Vi: thể tích chất bị hấp phụ của mỗi lớp;
p, Pbh: áp suất riêng phần và áp suất hơi bảo hòa của chất bị hấp phụ;
n: số lớp;
B: đại lượng phụ thuộc vào bề mặt các lớp chất hấp phụ, năng lượng
hoạt hóa, tần số va chạm và áp suất của hệ.
Phương trình (3.7) phù hợp với tất cả các dạng đường dẳng nhiệt hấp
phụ trong hình (3.1).
2.4. Phương trình Freundrich:
Phương trình Freundrich có dạng:
n
Kpa = (3.8)
trong đó: a: hoạt độ tĩnh;
p: áp suất riêng phần của khí bị hấp phụ;
K,n: hằng số đối với mỗi trường hợp.
2.5. Thuyết thế năng Poljani (1914):
Thuyết này cho rằng lực hấp phụ chỉ có tác dụng ở vùng không gian
gần bề mặt hấp phụ. Thế năng tại mỗi điểm được đo bằng công do lực hấp
phụ. Trong trường hợp hấp phụ khí lí tưởng ở nhiệt độ T nhỏ hơn nhiệt độ
tới hạn thì thế năng được tính:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
= bh
P
p
RT lnε (3.9)
p,Pbh
: áp suất riêng phần và áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ.
Tập hợp các điểm có cùng thế năng thành các mặt đẳng thế. Vị trí của
mỗi mặt đẳng thế lại giới hạn bởi không gian hấp phụ nhất định Wε (thể tích
giới hạn giữa các mặt đẳng thế với bề mặt chất hấp phụ). Như vậy, có thể
biểu thị thế hấp phụ như là hàm số của thể tích chất bị hấp phụ trong không
gian Wε: )(Wf=ε (3.10)
13. 82
Từ phương trình (3.9) và (3.10) ta có mối quan hệ:
)(Wfβε = (3.11)
β: hệ số tỷ lệ còn gọi là hệ số đồng dạng hay hệ số affin.
ε
các mặt đẳng thế pha khí ε = 0
W5
W4
W3
W2
W1
Bề mặt chất hấp phụ
W Hình 3.3. Không gian hấp phụ
Hình 3.2. Mối quan hệ )(Wf=ε
Hai chất bị hấp phụ khác nhau sẽcó hai đường cong khác nhau. Tỷ lệ
giữa thế năng của hai chất khác nhau khi thể tích hấp phụ bằng nhau là một
số không đổi gọi là hệ số affin (kí hiệu β):
β
ε
ε
ε
ε
ε
ε
===
Bn
An
B
A
B
A
2
2
1
1
(3.12)
Đối với các chất bị hấp phụ ở thể khí (hơi), β có thể được toính gần
đúng theo công thức sau:
B
A
V
V
=β (3.13)
VA, VB: thể tích mol của các chất bị hấp phụ ở thể lỏng, trong đó A là
chất chuẩn.
Như vậy, khi biết được đường cong đặc trưng đối với một chất bị hấp
phụ, ta có thể suy ra đường đặc trưng đối với một chất khác khi biết hệ số β.
14. 83
IV. Động học quá trình hấp phụ:
Gồm có 3 giai đoạn:
1. Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp
phụ.
2. Khuyếch tán vào các mao quản của hạt.
3. Hấp phụ: quá trình hấp phụ làm bảo hòa dần từng phần không gian
hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ,
nên luôn kèm theo sự tỏa nhiệt. Hiệu ứng này rất đáng kể khi hấp
phụ khí.
Tính toán trong cac giai đoạn trên đọc thêm trong tài liệu.
V. Thiết bị hấp phụ:
Thiết bị hấp phụ gồm hai loại: làm việc gián đoạn và làm việc liên tục.
1. Các thiết bị hấp phụ gián đoạn:
1..1. Loại đứng:
1.2. Loại nằm ngang:
15. 84
1.3. Loại hấp phụ chất lỏng:
không khí
4
khí nén
1 3
2 thiết bị lọc
không khí
dung dịch
Hình 3.7. Tháp hấp phụ dầu Hình 3.8. Tháp có cánh khuấy
1. lớp hấp phụ; 2. lưới phân phối;
3. cửa tháo chất hấp phụ; 4. cửa nạp
2. Thiết bị hấp phụ làm việc liên tục:
2.1. Thiết bị với chất hấp phụ chuyển động:
