Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+, Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA

---------

NGUYỄN ĐÌNH CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
ION Pb2+, Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SƯ PHẠM

Đà Nẵng, 2016


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA


---------

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
ION Pb2+, Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC

Sinh viên thực hiện
Lớp
Giáo viên hướng dẫn

: Nguyễn Đình Chương
: 12SHH
: TS. Đinh Văn Tạc

Đà Nẵng, 2016


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA HÓA

----------------------

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Đình Chương
Lớp

: 12SHH

1. Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+, Cu2+ trên vật liệu hấp
phụ chế tạo từ vỏ lạc.
2. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị:
* a. Nguyên liệu, hóa chất
- Vỏ lạc.

- dung dịch HNO3 10%, axit xitric, NaOH.
- Dung dịch Pb2+, Cu2+ đã pha với nồng độ chính xác.
- Nước cất.
- Giấy lọc.
* b. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
- Máy khuấy từ
- Máy sấy
- Cân phân tích
- Phểu lọc puchner
Và các dụng cụ thí nghiệm khác như: cốc thủy tinh, phễu thủy tinh, bình
định mức, bình tam giác, ống đong, pipet…
3. Nội dung nghiên cứu:
- Điều chế vật liệu hấp phụ từ vỏ lạc.
- Đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+, Cu2+ của VLHP điều chế từ vỏ lạc.
- So sánh khả năng hấp phụ ion Pb2+ và Cu2+ của VLHP điều chế từ vỏ
lạc.
i


4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Đinh Văn Tạc.
5. Ngày giao đề tài: Ngày 15 tháng 8 năm 2015.
6. Ngày hoàn thành: Ngày 20 tháng 4 năm 2016.
Chủ nhiệm Khoa

Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày …tháng …năm 2016.
Kết quả điểm đánh giá:
Ngày …… tháng …... năm 2016
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ts. Đinh Văn Tạc đã giao đề
tài và nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô quản lý phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và
tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn thầy cô, các bạn cùng lớp đã nhiệt tình giúp đỡ, động
viên em hoàn thành đề tài.

iii


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 1
3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ...................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................ 3
1.1. Tổng quan về vỏ lạc .................................................................................. 3
1.1.1. Năng suất và sản lượng lạc................................................................. 3
1.1.2. Thành phần chính của vỏ lạc ........................................................... 4
1.1.3. một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật
liệu hấp phụ ................................................................................................... 4
1.2. Hấp phụ ................................................................................................... 5
1.2.1. Khái niệm và phân loại hấp phụ ........................................................ 5
1.2.2. Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt ................................................. 7
1.2.3. Một số phương trình cơ bản của sự hấp phụ .................................... 8
1.2.4. Đặc tính của quá trình hấp phụ ....................................................... 14
1.2.5. Phổ hấp thu nguyên tử (AAS) và hiển vi điện tử truyền qua (SEM)
...................................................................................................................... 15
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 17
2.1. Thiết bị và hóa chất .............................................................................. 17
2.1.1. Thiết bị ............................................................................................. 17
2.1.2. Hoá chất ........................................................................................... 17
2.2. Chế tạo nguyên liệu hấp phụ từ vỏ lạc.................................................. 17
2.2.1.Quy trình chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc ................................ 17
2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb2+ và ion Cu2+ ............................... 18
2.3.1. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ ............... 18
2.3.2. Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ ............. 18
2.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Pb2+ ban đầu đến hiệu suất hấp
phụ ................................................................................................................ 19
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 21
3.1. Kết quả khảo sát một số đặc điểm của bề mặt VLHP điều chế ......... 21
iv


3.2. Khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHP điều chế ................................ 22
3.2.1. Khảo sát về thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ ...................... 22
3.2.2. Khảo sát về khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ ................... 24
3.2.3. Khảo sát về nồng độ dung dịch Pb2+ ban đầu đến hiệu suất hấp phụ
...................................................................................................................... 25
3.3. Khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP điều chế ................................ 26
3.3.1. Khảo sát về thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ ...................... 26
3.3.2. Khảo sát về khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ ................... 27
3.3.3. Khảo sát về nồng độ dung dịch Cu2+ ban đầu đến hiệu suất hấp
phụ ................................................................................................................ 29
3.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ .................................................. 30
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 33
*Kết luận ......................................................................................................... 33
*Kiến Nghị ...................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 34

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Bảng 1.1

Tên bảng

Trang

Diện tích và sản lượng lạc của Việt Nam trong những

03

năm gần đây
Bảng 1.2

Thành phần chính của vỏ lạc

04

Bảng 2.1

Quy trình hấp phụ VLHP dựa vào thời gian khuấy

18

Bảng 2.2

Quy trình hấp phụ VLHP thay đổi về khối lượng

19

Bảng 2.3
Bảng 3.1

Quy trình hấp phụ VLHP thay đổi về nồng độ ban đầu
Khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHP khi thay đổi về

20
23

thời gian khuấy
Bảng 3.2

Khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHP khi thay đổi khối

24

lượng VLHP
Bảng 3.3

Khả năng hấp phụ của VLHP khi thay đổi về nồng độ

25

dung dịch Pb2+
Bảng 3.4

Khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP khi thay đổi về

26

thời gian khuấy
Bảng 3.5

Khả năng hấp phụ ion Cu+ của VLHP khi thay đổi khối

27

lượng VLHP
Bảng 3.6

Khả năng hấp phụ của VLHP khi thay đổi về nồng độ

29

dung dịch Cu2+
Bảng 3.7

Độ hấp phụ khi thay đổi về nồng độ dung dịch Pb2+ ban

30

đầu
Bảng 3.8

Độ hấp phụ khi thay đổi về nồng độ dung dịch Cu 2+ ban
đầu

vi

30


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer

08

Hình 1.2

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

09

Hình 1.3.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

11

Hình 1.4

Dạng đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET

12

Hình 1.5

Đường đẳng nhiệt hấp phụ BET

13

Hình 3.1

Phổ IR của nguyên liệu

21

Hình 3.2

Phổ IR của VLHP

22

Hình 3.3

Ảnh chụp SEM của nguyên liệu

22

Hình 3.4

Ảnh chụp SEM củaVLHP

22

Hình 3.5

Khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHP khi thay đổi về thời

23

gian khuấy
Hình 3.6

Khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHP khi thay đổi khối

24

lượng VLHP
Hình 3.7

Khả năng hấp phụ của VLHP khi thay đổi về nồng độ

25

dung dịch Pb2+
Hình 3.8.

Khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP khi thay đổi về thời

27

gian khuấy
Hình 3.9

Khả năng hấp phụ ion Cu2+ của VLHP khi thay đổi khối

28

lượng VLHP
Hình 3.10 Khả năng hấp phụ của VLHP khi thay đổi về nồng độ

29

dung dịch Cu2+
Hình 3.11 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khi nồng độ dung dịch ion khác
vii

31


nhau
Hình 3.12 Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính

32

Hình 3.13 Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính

32

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLHP

Vật liệu hấp phụ

T

Nhiệt độ

t

Thời gian

COD

Chemical Oxygen Demand (nhu cầu oxy hóa hóa học)

E

Hiệu suất

Co

Nồng độ ban đầu

Ccb

Nồng độ cân bằng

AAS

Atomic absorption Spectrophotometric

ix


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng
bỏng được cả thế giới quan tâm. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng
và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó việc xử lý
ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở
Việt Nam mà trên toàn thế giới.
Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra
khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương
pháp trao đổi ion, ...), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học...Trong đó
phương pháp hấp phụ - sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn
tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ đậu, rau câu,.... để tách loại và thu hồi
các kim loại nặng từ dung dịch nước đã được một số tác giả trên thế giới và
trong nước nghiên cứu . Loại VLHP này có khả năng ứng dụng rất lớn trong kỹ
thuật xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng trong tương lai.
Phương pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ưu việt so với các
phương pháp xử lý khác như giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng
thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi
kim loại.
Vỏ lạc là một nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lượng hàng
năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, chúng tôi tập trung
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+, Cu2+ trên vật liệu
hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc.”
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ và đánh giá khả năng hấp phụ ion
Pb2+, Cu2+.

1


3. Phạm vi nghiên cứu
Vỏ lạc: ở Quảng Nam
4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
- Điều chế vật liệu hấp phụ từ vỏ lạc.
- Đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+, Cu2+ của VLHP điều chế từ vỏ lạc.
- So sánh khả năng hấp phụ của VLHP đối với ion Cu2+ và Pb2+.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Điều chế được VLHP từ bã đậu để ứng dụng làm vật hấp phụ các ion kim
loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có
các chương như sau:
Chương 1. Tổng quan tài liệu.
Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3. Kết quả và thảo luận.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về vỏ lạc
1.1.1. Năng suất và sản lượng lạc
Lạc là cây công nghiệp ngắn ngày, được phát hiện và gieo trồng từ khoảng
500 năm nay, giá trị kinh tế của lạc được chú ý khoảng 250 năm trở lại đây.
Cây lạc có giá trị kinh tế cao và có nhiều công dụng, đặc biệt được dùng
làm thực phẩm, trong công nghiệp thực phẩm, trong kỹ nghệ, trong trồng trọt,...
Phụ phẩm của cây lạc gồm: khô dầu, vỏ hạt và thân lá.
Thân và lá cây lạc có thể dùng làm thức ăn cho gia súc và các loại phân bón
có giá trị tương đương phân chuồng.
Cho đến thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX, trên thế giới, lạc là cây họ đậu có diện
tích lớn nhất, hiện nay đứng hàng thứ hai trong số các cây lấy dầu thực vật (về
diện tích và sản lượng) với diện tích gieo trồng vào khoảng 20 triệu ha/năm, sản
lượng vào khoảng 25.5 triệu tấn.
Ở Việt Nam, lạc được trồng rộng rãi khắp cả nước. Trừ các loại đất quá
dốc, đất chua, đất chua mặn, đất sét,...các loại đất khác đều trồng được lạc.
Các số liệu về diện tích, năng suất và sản lượng lạc được cập nhật trong
những năm gần nhất từ 2011 đến nay được thể hiện ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Diện tích và sản lượng lạc của Việt Nam trong những năm gần đây
Năm
Diện tích trồng trọt (nghìn héc-ta)
Sản lượng (tấn/héc-ta)
Tổng sản lượng (nghìn tấn)

2011 2012 2013 2014 2015
223.8 219.3 216.3 230 240
2.09 2.14 2.28 2.3
2.29
468.7 468.4 492.6 530 550
Nguồn: Tổng cục Thống kê Việt Nam
Với sản lượng như vậy, lượng vỏ lạc mỗi năm thu được vào khoảng 150

nghìn tấn (chiếm khoảng 30-32% sản lượng lạc).
Do đó, việc sử dụng vỏ lạc để chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa
học vừa góp phần tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này.
3


1.1.2. Thành phần chính của vỏ lạc
Vỏ hạt chiếm khoảng 30% khối lượng hạt. Với sản lượng lạc hàng năm
khoảng 500000 tấn thì khối lượng vỏ lạc có thể lên tới 150000 tấn/năm. Vỏ lạc
có giá trị dinh dưỡng, thường được dùng để nghiền thành cám làm thức ăn cho
gia súc hoặc phân bón cho cây. Sau đây là kết quả phân tích thành phần vỏ lạc.
Bảng 1.2. Thành phần chính của vỏ lạc
Thành phần

Nước

protein lipit

gluxit

Đạm

Lân

kali

Phần trăm (%)

10

4.2

18.5

1.8

0.2

0.5

2.6

Thành phần chính của vỏ lạc là gluxit, gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ,
lignin và một số họp chất khác.
Sự kết hợp giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ được gọi là holoxenlulozơ có
chứa nhiều nhóm - OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết
hiđro.
Xenlulozơ là polisaccarit cao phân tử do có các mắt xích ß-glucoza
[C6H702(0H)3]n nối với nhau bằng liên kết ß l,4-glycozit. Phân tử khối của
xenlulozơ rất lớn khoảng từ 1000000 – 250000 đ.v.c. Trong mỗi phân tử
xenlulozơ có khoảng 1000-15000 mắt xích glucozơ.
Hemixenlulozơ là polisaccarit giống như xenlulozơ nhưng có số mắt xích
nhỏ hon và thường bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhóm axetyl và metyl.
Lignin là loại polime được tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin giữ
vai trò kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ.
1.1.3. một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu
hấp phụ
- Vỏ

lạc: Được sử dụng để chế tạo than hoạt tính với khả năng tách Cd 2+ rất

cao, chỉ cần hàm lượng than hoạt tính là 0,7 g/1 có thể hấp phụ rất tốt dung dịch
4


chứa Cd2+ nồng độ 20 mg/1. Nếu so sánh với các loại than hoạt tính thông
thường thì khả năng hấp phụ của nó cao gấp 31 lần.
-Vỏ đậu tương: Có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng
như Cd2+, Zn2+... và một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt hấp phụ rất tốt Cu 2+. vỏ
đậu tương sau khi xử lý với natri hiđroxit và axit xitric thì dung lượng hấp phụ
cực đại lên tới 108 mg/g.
- Bã

mía: Được đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước và

được ví như than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như Cr3+,
Ni2+, Cu2+. .. Bên cạnh khả năng tách các kim loại nặng, bã mía còn thể hiện khả
năng hấp phụ tốt đối với dầu.
- Lõi

ngô: Sau khi được xử lý bằng natri hiđroxit và axit photphoric thì hiệu

quả hấp phụ tương đối cao, dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cd 2+ và Cu2+
lần lượt là 25 mg/g và 69 mg/g.
1.2. Hấp phụ
1.2.1. Khái niệm và phân loại hấp phụ
 Khái niệm
Hiện tượng 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 hai pha rắn và
lỏng, rắn và hơi, lỏng và hơi, lỏng và lỏng.
Trong sự hấp phụ người ta phân biệt:
 Vật hấp phụ: là vật có bề mặt thực hiện sự hấp phụ.
 Chất bị hấp phụ: là chất bị thu hút lên bề mặt vật hấp phụ.
Lượng chất bị hấp phụ được đặc trưng bởi  hoặc a:
  là số mol chất bị hấp phụ trên 1 cm2 bề mặt vật hấp phụ.
 a là mol chất bị hấp phụ trên 1 gam vật hấp phụ.

5


Hấp phụ là một quá trình tự diễn biến nên thế đẳng áp hấp thụ Ghp  0 ,
như vậy (Hhp  T .Shp )  0 . Mà Shp  0 do sự hấp phụ làm giảm độ tự do của hệ,
hệ trở nên trật tự hơn. Do entanpy hấp phụ là hiệu ứng nhiệt khi một mol chất
được chuyển từ trạng thái khí vào trạng thái hấp phụ âm (H hp  0) , nghĩa là quá
trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt.
 Phân loại: Về cơ bản người ta phân biệt hai loại hấp phụ:
 Hấp phụ lý học: là quá trình hấp phụ có các đặc điểm:
 Lực hấp phụ là lực Van del Waals.
 Quá trình là thuận nghịch, nghĩa là cùng với sự hấp phụ còn
có sự giải hấp phụ.
 Entanpy hấp phụ từ 8 -12 kJ/mol.
 Năng lượng hoạt hóa: E = 0.
 Có thể hấp phụ đơn lớp hay đa lớp.
 Quá trình hấp phụ xảy ra ở nhiệt độ thấp.
 Không có tính chọn lọc.
 Tốc độ quá trình hấp phụ nhanh.


Hấp phụ hoá học: là quá trình hấp phụ có các đặc điểm:
 Lực hấp phụ là lực hóa học.
 Quá trình là bất thuận nghịch.
 Entanpy hấp phụ từ 40 – 800 kJ/mol.
 Năng lượng hoạt hóa thường nhỏ.
 Chỉ là hấp phụ đơn lớp.
 Quá trình hấp phụ xảy ra ở nhiệt độ cao.
 Có tính chọn lọc.
6


 Tốc độ quá trình hấp phụ chậm được xác định theo phương
trình:
 Ea

khp  k0 Ze RT

(1.1)

Trong đó:
khp:

hằng số tốc độ hấp phụ hóa học.

k0:

hệ số đặc trưng cho xác xuất hình học.

Ea:

năng lượng hoạt hóa.

Z: số va chạm của phân tử bị hấp phụ trên một đơn vị
bề mặt trong một đơn vị thời gian (Z tỉ lệ với áp suất)
 Ngưng tụ mao quản: không phải là sự hấp phụ đặc biệt mà đó là
sự ngưng tụ hơi của chất bị hấp phụ trong các mao quản của vật
hấp phụ diễn ra tiếp sau sự hấp phụ.
Một quá trình hấp phụ có bản chất vật lý hoặc hóa học tùy thuộc vào bản
chất vật bị hấp phụ, vật hấp phụ và dung môi. Sự phân biệt hấp phụ vật lý hay
hóa học chỉ có ý nghĩa tương đối, không có một biên giới rõ rệt giữa hai loại hấp
phụ này. Trong thực tế, các loại hấp phụ trên đều xảy ra đồng thời nhưng tùy
theo điều kiện thực tế mà loại này hay loại kia chiếm ưu thế hơn.
1.2.2. Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt
Dựa vào kết quả phân tích các số liệu thực nghiệm, Brunauer chia thành
năm dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt quan trọng nhất.
Dạng I: hấp phụ là đơn lớp, tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir, Freundlich.
Dạng II: thường thấy trong sự hấp phụ vật lí có tạo thành nhiều lớp phân
tử chất bị hấp phụ trên bề mặt vật hấp phụ rắn.

7


Dạng III: đặc trưng cho hấp phụ mà nhiệt hấp phụ của nó là bằng hay thấp
hơn nhiệt ngưng tụ của chất bị hấp phụ.
Dạng IV và V: tương ứng với sự hấp phụ dạng II và III có kèm theo
ngưng tụ mao quản, nó đặc trưng cho hệ hấp phụ trên các vật thể xốp.

x

x

I

II

x

C0

C0
x

III

x

IV

C0
V

C0
C0
Hình 1.1. Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer
1.2.3. Một số phương trình cơ bản của sự hấp phụ
 Thuyết hấp phụ Freundlich
Trong một số trường hợp hấp phụ đẳng nhiệt thì đường hấp phụ biểu diễn
sự phụ thuộc của  vào C hay P có hai giai đoạn:
 Khi C hay P nhỏ,  tỉ lệ bậc nhất với C hay P.
 Khi C hay P cao thì đường biểu diễn gần như song song với trục
hoành, khi đó  đạt cực đại, không còn phụ thuộc vào C hay P
nữa.

8


Freundlich nhận thấy rằng đường hấp phụ đẳng nhiệt gần với một nhánh
của parabol nên đã đưa ra phương trình sau:

Hình 1.2. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich


Trong đó:

:

x
 K .Ccbn
m

(1.2)

lượng hấp phụ đơn vị.

x (mol hoặc gam): lượng chất bị hấp phụ.
m (gam):

khối lượng vật hấp phụ.

Ccb (mg/l):

nồng độ cân bằng của cấu tử hấp phụ.

K, n:

hằng số.

Các giá trị Ccb, K và n được xác định bằng thực nghiệm đối với từng chất
bị hấp phụ và vật hấp phụ. Do đó việc lựa chọn vật hấp phụ cho một quá trình
hấp phụ cụ thể nào đó có ý nghĩa rất quan trọng.
 Thuyết hấp phụ Langmuir
Những luận điểm được đưa ra khi xây dựng thuyết:

9


 Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do
của các nguyên tử hay phân tử bề mặt vật hấp phụ.
 Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
 Sự hấp phụ là thuận nghịch.
 Tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ
qua.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:



KC

 m 1  KC

hay



 m KC
1  KC

(1.3)

Trong đó:
:

phần bề mặt bị hấp phụ.

C:

nồng độ chất bị hấp phụ (hoặc áp suất).

K:

hằng số cân bằng của quá trình hấp phụ.

Kt:

hằng số tốc độ hấp thụ.

Kn:

hằng số tốc độ giải hấp.

Từ phương trình Langmuir:
 Khi C (P) nhỏ: KC  1 (hoặc KP  1) thì    m KC , nghĩa là độ
hấp phụ tỷ lệ thuận với nồng độ (hoặc áp suất).
 Khi C (P) lớn: KC  1 (hoặc KP  1) thì    m .
Như vậy, lúc đầu sự hấp phụ tăng tỷ lệ với nồng độ và áp suất, sau đó dần
dần chậm lại và ở những nồng độ (hoặc áp suất) lớn có sự bão hòa bề mặt bởi
lớp đơn phân tử của chất bị hấp phụ. Có thể thấy rõ điều này trên những đường
hấp phụ có dạng như hình 1.4.

10


Với những trường hợp hấp phụ đơn lớp trên chất ít xốp, dạng đường cong
hấp phụ đẳng nhiệt có thể tương ứng khá tốt với phương trình Langmuir. Đối
với trường hợp hấp phụ hai chất A và B, phương trình Langmuir có dạng:
A 

K AC A
1  K AC A  K B C B

(1.4)

B 

K B CB
1  K AC A  K B C B

(1.5)

Hình 1.3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Tổng quát, đối với trường hợp hấp phụ đồng thời nhiều chất thì:
i 

K i Ci

(1.6)

i

1   K i Ci
1

Đối với chất khí, từ giá trị  m có thể tính được bề mặt riêng của vật hấp
phụ theo phương trình:
S0 

 m NA0
0

(1.7)

Trong đó:
A0:

bề mặt chiếm bởi một phân tử chất bị hấp phụ ở lớp đơn
phân tử.

11


0 :

thể tích của 1 mol khí ở điều kiện tiêu chuẩn.

m :

thể tích khí bị hấp phụ khi quá trình hấp phụ đạt cực đại.

 Thuyết hấp phụ BET (Bruanuer – Emmett – Teller)
Phương trình BET dựa trên ba giả thuyết cơ bản sau:
 Entanpy hấp phụ của các phân tử không thuộc lớp hấp phụ thứ nhất
và bằng entanpy hóa lỏng.
 Không có sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ.
 Số lớp hấp phụ trở nên vô cùng ở áp suất hơi bão hòa.
Thuyết hấp phụ BET mô tả quá trình hấp phụ đa lớp dựa vào đường biểu
diễn của một số trường hợp có hình chữ S.
Điều này được giải thích là do ngưng tụ mao quản hoặc bán kính tác dụng
của lực phân tử lớn hơn của các hóa trị dư trong thuyết Langmuir, khi đó sự hấp
phụ không chỉ tạo lớp đơn phân tử mà nhiều lớp chồng lên nhau.

A

+ OA: hấp phụ đơn phân tử.
+ Từ A trở đi: hấp phụ đa phân tử
O

Hình 1.4. Dạng đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET
Phương trình hấp phụ BET:
P
1 (C  1) P


V ( P0  P) VmC VmCP0

Trong đó:
12

(1.8)


P0:

áp suất hơi bão hòa.

V:

thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất đã cho.

Vm:

thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử.

C:

thừa số năng lượng.

Từ số liệu thực nghiệm có thể xác định được và từ đó có thể tính được bề
mặt riêng của chất cần nghiên cứu theo phương trình (1.9).
m 

22400 S0

NA

(1.9)

Trong đó:
 : yếu tố hình học phụ thuộc sự sắp xếp của phân tử chất bị hấp phụ.

Phương trình BET bao quát cả ba trong số năm trường hợp được phân loại
của các loại đường hấp phụ đẳng nhiệt.
 Khi C lớn, phương trình được đưa về phương trình Langmuir:



cx

 m 1  cx

(1.10)

Vậy đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng I (hình 1.8) là một trường hợp
riêng của phương trình BET.
 Khi C nhỏ sẽ có dạng đường hấp phụ dạng III (C  1).
 Nếu quá trình hấp phụ khí tương đối trơ trên bề mặt phân cực khi
đó C



100 thì thu được đường đẳng nhiệt hấp phụ dạng II.

Hình 1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ BET
13

P


Khi nghiên cứu về vật hấp phụ cần phải biết hoạt tính của vật hấp phụ hay
còn gọi là đơn vị hấp phụ. Đó là lượng chất tính bằng miligam hay gam chất bị
hấp phụ trên một gam hay cm3 vật hấp phụ. Ngoài ra, để đánh giá khả năng hấp
phụ người ta đưa ra khái niệm hoạt tính hấp phụ được biểu thị bằng tỉ lệ phần
100 theo trọng lượng hoặc thể tích vật hấp phụ.
1.2.4. Đặc tính của quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ có các đặc tính cơ bản sau:
 Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch
Do đặc tính của quá trình hấp phụ là thuận nghịch nên quá trình hấp phụ
là một quá trình hữu hạn, đồng thời, quá trình hấp phụ chỉ phụ thuộc vào thời
gian ở giai đoạn đầu, còn khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng thì nó không còn
phụ thuộc vào thời gian, hay nói cách khác tốc độ hấp phụ giảm theo thời gian
và khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng thì tốc độ hấp phụ không còn phụ thuộc
vào thời gian. Ứng với một lượng vật hấp phụ nhất định có khả năng hấp phụ tối
đa một lượng chất bị hấp phụ nhất định, đại lượng này được gọi là dung lượng
hấp phụ. Dung lượng hấp phụ là một đại lượng dễ đo và đặc trưng tốt cho khả
năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ. Trên cùng một cấu tử bị hấp phụ, vật hấp
phụ nào có dung lượng hấp phụ lớn hơn thì có đặc tính hấp phụ tốt hơn. Một lợi
thế khác của quá trình xử lý ô nhiễm bằng phương pháp hấp phụ đó là khả năng
hoàn nguyên vật liệu hấp phụ do đặc tính thuận nghịch của quá trình hấp phụ.
 Quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt
Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng Loavadie áp dụng cho quá trình
hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt nên việc giảm nhiệt độ sẽ có lợi cho quá trình hấp
phụ còn ở nhiệt độ cao sẽ thuận lợi cho quá trình giải hấp. Tuy vậy, trong một
vài quá trình hấp phụ việc tăng nhiệt độ ban đầu lại xúc tiến cho quá trình hấp
phụ, điều này liên quan đến năng lượng hoạt hóa. Các tiểu phân ban đầu cần một

14


x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×