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
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.
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ
2
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.
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ
3
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.
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ
4
- 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+ << Ca2+ << Al3+<< Th4+
Chuyên đề: Rây phân tử và Vật liệu hấp phụ
5