Bài giảng Rây phân tử và vật liệu hấp phụ - PGS.TS. Tạ Ngọc Đôn

Chia sẻ: Vi Nhân Nan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

353
lượt xem 80
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Rây phân tử và vật liệu hấp phụ" trình bày các nội dung sau: những vấn đề chung về phương pháp hấp phụ, phương pháp chế tạo chất hấp phụ, chất hấp phụ khoáng sét thiên nhiên, chất hấp phụ rây phân tử, rây phân tử kích thước nano, một số phương pháp đặc trưng rây phân tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Rây phân tử và vật liệu hấp phụ - PGS.TS. Tạ Ngọc Đôn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PGS.TS TẠ NGỌC ĐÔN Bài giảng RÂY PHÂN TỬ VÀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ Chuyên đề Dùng cho học viên cao học và nghiên cứu sinh các ngành Hóa học và Công nghệ hóa học Hà Nội, 12/2009
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ MỞ ĐẦU Chương 1. Những vấn đề chung về phương pháp hấp phụ I. HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ I.1. Hiện tượng hấp phụ  Hấp phụ: Là hiện tượng tăng nồng độ của chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ. Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ), không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều. Điều này khác với quá trình hấp thụ: chất bị hấp thụ sau khi được làm giàu phân bố đều khắp trong thể tích chất hấp thụ.  Khi bị hấp phụ lên bề mặt một chất rắn, chất bị hấp phụ chiếm chỗ của một cấu tử nào đó và đẩy nó ra khỏi vị trí mà nó đã gắn trên đó thì hiện tượng này gọi là trao đổi ion. 2
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ  Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, trong đó: - Lực tương tác giữa các ph.tử gây ra hấp phụ vật lý, trao đổi ion; - Lực nội phân tử gây ra hấp phụ hóa học. I.2. Hấp phụ trong môi trường nước  Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và bị hấp phụ khá phức tạp vì trong hệ có ít nhất 3 thành phần gây tương tác là: nước – chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.  Do có mặt dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì xảy ra hấp phụ cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào: - Độ tan của chất bị hấp phụ trong nước; - Tính ưa hoặc kỵ nước của chất hấp phụ; - Mức độ kỵ nước của chất bị hấp phụ trong nước. 3
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ  Trong nước, bề mặt chất rắn có độ phân cực cao (VD: silicagel chứa nhiều nhóm OH) tương tác tốt với nước và có góc thấm ướt < 90o. Khi ấy, không tạo thành giọt trên bề mặt chất rắn. Các chất rắn có độ phân cực thấp (VD: than muội) có tính thấm ướt kém, góc thấm ướt > 90o. Khi ấy, nó được coi là kỵ nước.  Khả năng hấp phụ của chất tan (chất bị hấp phụ) lên chất hấp phụ phụ thuộc vào tính tương đồng giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ về độ phân cực: - Chất không phân cực (chất hữu cơ) hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực (than hoạt tính) và ngược lại. - Một chất tan có độ phân cực cao hơn nước có thể hấp phụ tốt trên chất hấp phụ phân cực. 4
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ - Cùng bản chất hóa học mà có PTL khác nhau thì cấu tử có PTL lớn sẽ hấp phụ tốt hơn nếu không bị ràng buộc bởi hiệu ứng “rây phân tử”. - Với một số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao (VD; Các ion kim loại, một số dạng phức oxi anion SO42-, PO43-, CrO42-,...) quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị thì loại có kích thước lớn sẽ hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn. Lớp vỏ hydrat là yếu tố cản trở tương tác tĩnh điện. Theo do, có thể sắp xếp thứ tự về khả năng hấp phụ như sau: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+; Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+; Cl- < Br- < NO3- < I- < NCS-  Khả năng hấp phụ của các ion có hóa trị cao tốt hơn nhiều so với ion có hóa trị thấp: K+
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ  Trong quá trình hấp phụ các chất có độ phân cực lớn, khả năng hấp phụ của hệ tốt ở trạng thái trung hòa điện tích và kém ở các vùng có điện tích cao. Như vậy, lực hấp phụ của một hệ chủ yếu do lực tương tác tĩnh điện và hệ hấp phụ được gây ra bởi lực tĩnh điện có khả năng hấp phụ thấp.  Điều rất đáng chú ý là tốc độ hấp phụ trong nước xảy ra chậm hơn nhiều so với hấp phụ trong pha khí, nguyên nhân chủ yếu là do quá trình chuyển khối, khuếch tán chậm. Do đó, trong thực tiễn công nghệ, dung lượng hấp phụ của một hệ rất ít khi được sử dụng triệt để, nhất là đối với các chất hấp phụ có dung lượng hấp phụ cao (diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản nhỏ). 6
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ Kết quả sử dụng ngoài thực tiễn vì vậy đôi lúc có điều trái ngược, do sự tương tác giữa yếu tố động học và cân bằng hấp phụ trong môi trường nước hay do các yếu tố hấp phụ hỗn hợp: - Chất hấp phụ có dung lượng cao có kết quả sử dụng kém hơn loại có chất lượng thấp; - Chất hấp phụ có tính chọn lọc cao hấp phụ kém chất hấp phục có tính chọn lọc thấp. 7
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ I.3. Giải hấp phụ * Đây là quá trình ngược với quá trình hấp phụ, tách chất bị hấp phụ ngay trên bề mặt chất rắn ra ngoài dung dịch. Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi với quá trình hấp phụ.  Đối với hấp phụ vật lý, để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua 5 yếu tố sau: - Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ. - Tăng nhiệt độ làm lệch hệ số cân bằng vì hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt, thực chất là làm yếu tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. - Thay đổi bản chất tương tác của hệ thông qua thay đổi pH môi trường. 8
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ - Sử dung tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt chất rắn. - Sử dụng tác nhân vi sinh vật. * Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh chất hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại, nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế. Nếu chất hấp phụ rẻ mà tái sinh tốn kém thì chỉ nên sử dụng chất hấp phụ một lần rồi bỏ. Vì vậy, khi tái sinh cần tính toán kỹ hiệu quả kinh tế. * Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, có thể sử dụng 3 phương pháp tái sinh: Tái sinh nhiệt, phương pháp hóa lý và phương pháp vi sinh vật. a- Phương pháp nhiệt  Sử dụng khi chất bị hấp phụ dễ bay hơi hoặc sản phẩm phân huỷ nhiệt của chúng có khả năng bay hơi - chủ yếu là các chất hữu cơ và các chất hấp phụ phần lớn là than hoạt tính. 9
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ  Lưu ý là sau mỗi lần tái sinh, dung lượng hấp phụ sẽ giảm, chất hấp phụ bị hao hụt, vỡ vụn. Do đó, số lần tái sinh chỉ có một giới hạn nhất định. b- Phương pháp hóa lý  Có thể thực hiện bằng cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa khử, áp đặt các điều kiện làm chuyển dịch cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ và các điều kiện phản ứng cụ thể.  Giải hấp phụ bằng phương pháp hóa lý có lợi là có thể thực hiện tại chỗ, ngay trong cột hấp phụ nên tiết kiệm được thời gian, công tháo dỡ, vận chuyển, không vỡ vụn chất hấp phụ nên không phải bổ sung thêm cho lần nạp sau đó, tránh được các tạp chất đọng lại trên bề mặt chất hấp phụ và có thể thu hồi chất bị hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn. 10
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ c- Phương pháp vi sinh  Tái sinh chất hấp phụ bằng phương pháp vi sinh là tái tạo khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ nhờ vi sinh vật.  Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa một số hợp chất, đặc biệt là chất hữu cơ có chứa carbon, nitơ, photpho.  Trong quá trình trao đổi chất, các hợp chất carbon hữu cơ có thể chuyển hóa thành khí metan, axit béo, khí CO2 (yếm khí) hay H2O và CO (hiếu khí). Vì vậy, vi sinh vật cũng có khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ trên chất hấp phụ, tức là tái sinh chất hấp phụ. 11
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤT HẤP PHỤ II.1. Giới thiệu  Một hệ hấp phụ có dung lượng cao hay thấp trước hết phụ thuộc vào lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.  Nói chung, chất hấp phụ có diện tích bề mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ tốt hơn so với chất hấp phụ cùng bản chất nhưng có diện tích bề mặt thấp hơn.  Diện tích bề mặt của chất hấp phụ tăng theo độ phân tán. Độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính theo đon vị khối lượng (diện tích riêng) càng cao. VD: - Khối lấp phương có cạnh 1cm thì S= 6cm2 - Chia nhỏ thành các khối có cạnh 0,1cm thu được 1000 khối nhỏ, tổng S= 60cm2, tăng lên 10 lần (hạt càng nhỏ, diện tích bề mặt riêng càng lớn, phân tán càng mạnh). 12
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.2. Các phương pháp chế tạo chất hấp phụ  Nguyên tắc chế tạo chất hấp phụ xốp chủ yếu dựa trên 4 phương pháp: - Phương pháp kết tụ; - Phương pháp ăn mòn; - Phương pháp phân hủy nhiệt; - Phương pháp kết tinh thủy nhiệt. * Phương pháp kết tụ: Tạo ra cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thước nhỏ hơn, khác với tạo viên bằng phương pháp cơ học, vật liệu tạo cấu trúc xốp trong trường hợp này có kích thước rất nhỏ (VD: dạng keo phân tán trong một chất lỏng). Bằng các tác nhân vật lý, hóa học làm cho chúng co cụm, liên kết với nhau. Khi sấy khô, khoảng cách giữa chúng giảm đi sẽ tăng độ bền liên kết giữa các hạt. S bề mặt vật liệu = là tổng S các hạt nhỏ. 13
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ * Phương pháp ăn mòn: Là phương pháp đi từ một vật liệu đặc, dùng tác nhân hóa học cho phản ứng với khối chất đó để tạo ra các sản phẩm có tính tan tốt, sản phẩm tạo thành mang theo một phần nguyên liệu ra ngoài tạo ra độ xốp (VD: Để tạo ra thủy tinh xốp, dùng tác nhân xút để ăn mòn). * Phương pháp phân hủy nhiệt: Tương tự như phương pháp ăn mòn nhưng tác nhân chính là dùng nhiệt. Sản phẩm cuối cùng là các chất bay hơi. Nếu trong nguyên liệu có sinh ra các chất bay hơi thì không cần bổ sung tác nhân phân hủy (VD: Dehydrat hóa nhôm hydroxit thành nhôm ôxit vì có tạo ra nước). 14
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ * Phương pháp kết tinh thủy nhiệt: Là phương pháp từ một khối phản ứng vô định hình ban đầu, dùng nhiệt để ủ và các tinh thể hình thành trong chất lỏng. Cấu trúc vật liệu tinh thể có độ xốp và diện tích do bản chất của nó quyết định (VD: Kết tinh zeolit từ dung dịch vô định hình, SP rắn tạo ra có độ xốp và diện tích khác nhau phụ thuộc cấu trúc mỗi loại zeolit).  Ngoài 4 phương pháp trên, một số chất hấp phụ polyme, chất hấp phụ khoáng tự nhiên và chất hấp phụ có nguồn gốc sinh học được chế tạo theo các nguyên lý riêng. 15
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.3. Cấu trúc xốp của chất hấp phụ * Độ xốp của chất hấp phụ: Trong vật liệu xốp, thể tích của nó gồm 2 phần: Phần chất rắn (Vrắn) và phần không gian rỗng (Vtổng-Vrắn).  Độ xốp β được định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích phần rỗng (Vtổng-Vrắn) trên thể tích tổng (Vtổng): β = (Vtổng-Vrắn)/Vtổng = 1-Vrắn/Vtổng = 1-ρb/ρt ρb = m/Vtổng; ρt = m/Vrắn Trong đó: ρt là khối lượng riêng thực; ρb là khối lượng riêng biểu kiến, m là khối lượng chắt hấp phụ 16
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.4. Mao quản và sự phân bố theo độ lớn  Các mao quản được IUPAC (Hội hóa học ứng dụng quốc tế) phân chia theo độ lớn của bán kính, dựa vào cơ chế hấp phụ trong pha hơi: - Mao quản nhỏ: Đường kính ≤ 20Å (2nm), cơ chế hấp phụ trong vùng mao quản nhỏ là cơ chế lấp đầy thể tích mao quản. - Mao quản trung bình: Đường kính 20-500Å (2-50nm), cơ chế hấp phụ trong vùng mao quản trung bình có liên quan đến hiện tượng ngưng tụ mao quản, tức là hiện tượng hơi hóa lỏng lúc áp suất thấp hơn áp suất bão hòa do các phân tử bị hạn chế chuyển động trong vùng mao quản này. - Mao quản lớn: Đường kính ≥ 500Å (50nm), cơ chế hấp phụ có thể xảy ra theo kiểu đơn lớp, đa lớp, nhưng khong có hiện tượng ngưng tụ mao quản. 17
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ II.5. chế tạo một số chất hấp phụ II.5.1. Chế tạo than hoạt tính Ng.liệu có thể có nguồn gốc rất khác nhau, thường quy về 2 ph.pháp chính trong giai đoạn hoạt hóa (g.đoạn phát triển độ xốp của than): a- Hoạt hóa với hóa chất: Hoạt hóa hóa học: Q.trình đưa thêm một số tác nhân hóa học vào ng.liệu, hoặc tồn tại sẵn trong ng.liệu. Tác nhân hóa học đưa vào thường là các chất vô cơ như: Kiềm, muối cacbonat, sunfat, sunfit kiềm, cacbonat, clorua, sunfat, photphat của kiềm thổ; kẽm clorua, axit sunfuric, photphoric.  Than hoạt tính SX theo phương pháp này có S bề mặt không cao, nhưng độ xốp lớn, thích hợp cho hấp phụ các phân tử lớn trong chất lỏng (tẩy màu), ít thích hợp cho hấp phụ các chất khí.  Tuy nhiên, q.trình nhiệt phân or than hóa một số ng.liệu đặc thù như polyme PVC, polyvinylacetat,... cho SP có S ≥1.000 m2/g. SP tạo ra có giá rất cao, không thích hợp cho SX đại trà. 18
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ b- Hoạt hóa với khí, hơi: Hoạt hóa vật lý. Thường qua 2 giai đoạn: Than hóa và hoạt hóa. - Giai đoạn than hóa là giai đoạn đốt yếm khí tại 400-500oC nhằm loại bỏ các thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đưa nguyên liệu trở về dạng carbon. - Giai đoạn hoạt hóa là bước phát triển độ xốp của nguyên liệu thông qua phản ứng oxi hóa ở nhiệt độ cao (800-1.000oC). Trong quá trình oxi hóa, một số nguyên tử C bị đốt cháy thành khí CO, CO2. Khí này bay đi để lại chỗ trống, đó chính là cơ chế tạo ra độ xốp. - Than hoạt tính thương phẩm thường được phân chia theo dạng hạt hay bột, loại tẩy màu hay hấp phụ khí và kèm theo nó là một số chỉ tiêu: Chỉ số iod, chỉ sóm tẩy màu, chỉ số phenol,... 19
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ Bảng 1. Một số loại than hoạt tính dùng để xử lý nước và nước thải TT Tên loại Nhà SX Nguyên liệu Ph. pháp hoạt Lĩnh vực ứng dụng than hóa 1 TW1, TW2, Trà Bắc, Trà Sọ dừa Hơi nước Nước cấp, nước TW3 Vinh, VN thải, đồ uống 2 CAL 12x40 Calgon, Pittsburg, Than non Hơi nước Nước, đồ uống, Mỹ (bitum) đường 3 Acticarbon Charbon actifs Than gỗ Hơi nước Nước, rượu, dầu Co., Mỹ thực vật, đường 4 Dusarit Matschapp Than gỗ Không khí Nước, tinh chế Activit, Hà Lan đường 5 Hydraffin Carbo - Norit, Séc Gỗ Clorua kẽm Nước và Đức 6 Nuchar West Virginia, Mỹ Bã thải CN giấy Hơi nước Nước, tẩy màu, khử mùi khí 7 Norit Amer. Norit Co., Gỗ thông Hơi nước Tẩy màu thực Mỹ phẩm, hóa chất 20