Cơ sở quá trình xử lý hóa lý

CÔ SÔÛ QUAÙ TRÌNH XÖÛ LYÙ HOÙA LYÙ

QuaQuaùù trtrììnhnh keokeo tutuïï boâng tataïïoo boâng

QuaQuaùù trtrììnhnh hahaáápp phuphuïï

QuaQuaùù trtrììnhnh traotrao ññooååii ionion

Cơ sở quá trình hấp phụ (Adsorption)

QuaQuaùù trtrììnhnh truyeàànn khkhíí truye

Định nghĩa

Là 1 hiện tượng bề mặt

Thu hút chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ, làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ

Nhả hấp phụ: qt đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ

Cơ chế quá trình hấp phụ

Cơ sở quá trình hấp phụ

(Physical Adsorption) HP HP VaVaäätt lylyùù (Physical Adsorption)

Phaân loaïi

(Chemical Adsorption) HP HP HoHoùùaa hohoïïcc (Chemical Adsorption)

HP HP VaVaäätt lylyùù

NhôNhôøø cacaùùcc llöïöïcc lieânlieân kekeáátt vavaäätt lylyùù

HaHaáápp phuphu đơnđơn llớớpp, , ññaa lôlôùùpp, , thua nghòch thuaäänn nghòch

CaCaááuu trutruùùcc chachaáátt hahaáápp phuphuïï khoâng khoâng thay thay ññooååii

ÍÍtt cocoùù ttíínhnh chochoïïnn loloïïcc, t, t00 thathaáápp

VD: VD: ssựự HP HP ccủủaa AC AC đđ/v/v COCO22, C, C22HH55OH,OH,……

Cơ sở quá trình hấp phụ

HP HP hohoùùaa hohoïïcc

NhôNhôøø llöïöïcc lieânlieân kekeáátt hohoùùaa hohoïïcc

HaHaáápp phuphuïï ññônôn lôlôùùpp

CaCaááuu trutruùùcc chachaáátt hahaáápp phuphuïï thay thay ññooååii

Khoâng thua Khoâng nghòch thuaäänn nghòch

TTíínhnh chochoïïnn loloïïcc caocao, t, t00 caocao

VD: VD: ssựự HP HP ccủủaa chchấấtt rrắắngng AgIAgI đđ/v/v AgAg++ trong

trong dddd

Cơ sở quá trình hấp phụ

KhaKhaûû naêng thuoääcc naêng hahaáápp phuphuïï phuphuïï thuo

DieDieäänn ttííchch bebeàà mamaëëtt chachaáátt hahaáápp phuphuïï (m(m22/g)/g)

NoNoààngng ññooää cucuûûaa chachaáátt bòbò hahaáápp phuphuïï

VaVaäänn totoáácc ttööôngông ññooááii gigiööõaõa haihai phapha

CôCô checheáá hhììnhnh thathaøønhnh lieânlieân kekeáátt: : hohoùùaa hay hay lylyùù hohoïïcc

Cơ sở quá trình hấp phụ

CaCaùùcc dadaïïngng lieânlieân kekeáátt

LK Van derder WaalsWaals LK Van

LK LK ttóónhnh ññieieäänn

LK Hydro LK Hydro

LK LK hohoùùaa hohoïïcc: : lklk ion, ion, ññooààngng hohoùùaa tròtrò, , phophoááii trtríí

Liên kết Van der Waals

Liên kết Hydro

Liên kết tĩnh điện

Nhiệt hấp phụ

(cid:123) Tỏa nhiệt

(cid:123) Độ hấp phụ tăng khi nhiệt độ giảm

(cid:123) Nhiệt HP vật lý nhỏ, nhiệt HP hóa học lớn

(cid:123) Nhiệt hấp phụ tích phân (cal/g): lượng nhiệt thoát

ra tính cho 1g chất hấp phụ

(cid:123) Nhiệt hấp phụ vi phân (cal/mol): là lượng nhiệt

thoát ra khi hấp phụ thêm một lượng nhỏ chất bị hấp phụ và quy về ứng với 1 mol

Tính chọn lọc định hướng

Quy tắc chọn lọc định hướng (cid:190) Những chất có t/c tương tự nhau dễ HP vào

nhau

(cid:190) Nếu là HP hóa học đ/v các ion

(cid:190) Ion có trong thành phần cấu tạo tinh thể ở bề mặt: bị

HP trước

(cid:190) Ion tương tự có khả năng hoàn thành cấu tạo mạng

lưới tinh thể ở bề mặt

(cid:190) Ưu tiên cho ion có điện trường lớn hơn (điện tích lớn,

solvat hóa ít hơn)

(cid:190) VD: AgI HP mạnh đ/v I- trong dd có KI, nhưng cũng có khả năng HP Cl- (hay SCN-) trong dd có NaCl hay NaSCN

Cơ sở quá trình hấp phụ

ÑÑooää hahaáápp phuphuïï (G)(G)

hay

G =

n m

n S

n S m

: số mol chất bị hấp phụ : diện tích bề mặt (m2) : khối lượng chất hấp phụ (g)

Laø löôïng chaát bò haáp phuï ñaõ bò haáp phuï treân 1 ñôn vò dieän tích beà maët hoaëc 1 ñôn vò khoái löôïng chaát haáp phuï (ôû traïng thaùi caân baèng haáp phuï).

Cơ sở quá trình hấp phụ

BaBaûûnn chachaáátt chachaáátt HP/ HP/ bòbò HPHP

G G phuphuïï thuoääcc thuo BeBeàà mamaëëtt chachaáátt HP HP

NoNoààngng ññooää ((aaùùpp suasuaáátt) ) chachaáátt bòbò HPHP

GGmaxmax –– lalaøø ññooää hahaáápp phuphuïï totoááii ññaa cucuûûaa chachaáátt HP HP öùöùngng vôvôùùii nonoààngng ññooää caâncaân babaèèngng cucuûûaa chachaáátt bòbò HPHP

Độ phủ bề mặt (θ)

%100

=θ

S p S r

Sr : diện tích bề mặt riêng, Sp: diện tích bề mặt của chất hấp phụ đã hấp phụ

0 < θ <100% θ > 100% θ = 100%

: HP đơn lớp không hoàn toàn : hấp phụ đa lớp : hấp phụ đơn lớp hoàn toàn

=θ

p =

G maxG

Độ phủ bề mặt (θ)

SNG 0.

.

Sp =

N0 : số Avogadro

G : độ hấp phụ

S0 : độ phủ cơ bản (độ phủ nguyên tố) - là diện

tích tối thiểu của 1 phân tử hoặc 1 ion chiếm chỗ ở bề mặt chất hấp phụ

Ví dụ 1

10g 1 loại than củi có bề mặt riêng

Sr = 300m2.g-1 đã hấp phụ được 0,46g rượu C2H5OH ở 250C. Tính độ phủ của loại than này đối với C2H5OH? Biết S0(C2H5OH) = 21,6A0 2

Chất hấp phụ (Adsorbent)

Là chất rắn mà trên bề mặt xảy ra sự hấp phụ

Diện tích bề mặt riêng rất lớn

Tự nhiên hoặc tổng hợp

Độ phân tán cao

Cấu trúc vô định hình hoặc tinh thể nhỏ

Chất hấp phụ (Adsorbent)

Than hoạt tính (AC), (1000 – 1500m2/g)

Silicagel

Zeolites

Đất sét (50 - 200 m2/g)

Alumina hoạt tính (AlO4)

Hấp phụ bằng than hoạt tính (AC)

DDạạngng hhạạtt GAC (Granular GAC (Granular Activated Carbon) Activated Carbon)

DDạạngng bbộộtt PAC (Powder PAC (Powder Activated Carbon) Activated Carbon)

Than hoạt tính

Diện tích bề mặt lớn (1g AC có tổng S = 1000m2)

Độ rỗng (độ xốp) lớn

Hiệu quả hấp phụ cao (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, chất gây mùi)

Than hoạt tính

Loại vừa r = 1 – 25nm

Loại lớn r > 25nm

Loại nhỏ r < 1nm

Than hoạt tính

(cid:123) Than GAC: xử lý

(cid:123) Than PAC: xử lý

PAC

liên tục dạng mẻ

Than hoạt tính

Đặc tính của than hoạt tính

0.56-1.20 cm3/g 600-1600 m2/g 15-25 Å 100-140oC 150oC

Thể tích rỗng Diện tích bề mặt Đường kính lỗ rỗng (trung bình) Nhiệt độ nhả hấp phụ (bốc hơi) Nhiệt độ tối đa cho phép

Sản xuất than hoạt tính

Nhả hấp phụ

Tại sao nhả hấp phụ?

Chất hấp phụ

Tăng hiệu quả hấp phụ

Hiệu quả kinh tế

Phương pháp

Chất bị hấp phụ

Dùng nhiệt

Dùng các chất hóa học

Nhả hấp phụ than hoạt tính

(cid:123) Nhiệt phân – đốt cháy các chất bị hấp phụ (hữu

cơ)

(cid:123) Gia nhiệt đến 8000C, không có O2 (tránh than

hoạt tính bị cháy)

(cid:123) Tốn kém: lò đốt, lò nung,…

(cid:123) Tổn thất lớn: 7-10%

Dùng nhiệt

Nhả hấp phụ than hoạt tính

(cid:123) Kiềm hoặc dung môi

(cid:123) Thường thực hiện ở 1000C, pH cao

(cid:123) Hỗn hợp thu được: dung môi và chất bẩn.

(cid:123) Tổn thất ít, 1%

(cid:123) Thường dùng cho hấp phụ hóa học

Dùng tác nhân hóa học

Zeolites

Đường đẳng nhiệt hấp phụ (Adsorption Isotherms)

Freundlich Freundlich

Langmuir Langmuir

BETBET

Henry Henry

Đường đẳng nhiệt Langmuir

Giả thiết

Hấp phụ đơn lớp

Năng lượng HP của các phân tử đồng nhất

Sự có mặt của các ptử đã bị HP không a/h đến khả năng HP của những vị trí liền kề

Qt hấp phụ thuận nghịch

Đường đẳng nhiệt Langmuir

Phương trình lý thuyết

= max

C Ca +

(cid:190) a (cid:190) Gmax (cid:190) G (cid:190) C

: hằng số : độ HP cực đại (hằng số) – mol/g : độ HP : nồng độ chất bị HP (mol/l)

Đường đẳng nhiệt Langmuir

PT này chỉ phù hợp với thực nghiệm trong 2 trường hợp: (cid:190) C << a: G = (Gmax/a).C = k.C → dạng tuyến tính (1) (cid:190) C >> a: G = Gmax → dạng (2)

Trong khoảng (C1, C2): không phù hợp với đường cong thực nghiệm

(cid:190) Bề mặt chất HP không hoàn toàn đồng nhất (cid:190) HP vật lý có thể đa lớp

Đường đẳng nhiệt Langmuir

PT thực nghiệm

⇒

1 x

x m

1 += b

1 1 . Cba .

Cba .. Ca 1 . +

(mg) : : llööôôïïngng chachaáátt bòbò hahaáápp phuphuïï (mg)

-- x x -- mm : : khokhoááii llööôôïïngng chachaáátt hahaáápp phuphuïï (mg) (mg) -- C C

: : nonoààngng ññooää chachaáátt bòbò HP HP cocoøønn trgtrg dddd sausau khikhi qt HP qt HP

(mg/L) kekeáátt thuthuùùcc (mg/L)

-- a, ba, b : : hahaèèngng sosoáá

Đường đẳng nhiệt Freundlich

Giả thiết Quá trình hấp phụ đa lớp

log

Dạng 1

x

bp n

=

1 n

: độ hấp phụ : áp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ

Đường đẳng nhiệt Freundlich

x p b, n : các hằng số

log

KC n

x m

1 n

x m

Dạng 2

: : llööôôïïngng chachaáátt bòbò hahaáápp phuphuïï ban

ban đđầầuu (mg) (mg)

-- x x -- mm : : khokhoááii llööôôïïngng chachaáátt hahaáápp phuphuïï (mg) (mg) -- C C

: : nonoààngng ññooää chachaáátt bòbò HP HP cocoøønn trgtrg dddd sausau khikhi qt HP qt HP

(mg/L) kekeáátt thuthuùùcc (mg/L)

-- n, Kn, K : : hahaèèngng sosoáá

Đường đẳng nhiệt Freundlich

log(x/m)

log

x m

1 n

log C

Phương trình BET (Brunaoe, Emet, Tenle)

(

)

1 . cv

p ( 0 pv −

)1 c − cpv m

vm : thể tích khí bị HP khi toàn bộ bề mặt chất HP bị phủ

1 lớp đơn phân tử

v : thể tích tổng cộng của khí bị HP ở áp suất cân bằng p p0 : áp suất hơi bão hòa của chất bị HP c : hằng số

(cid:190) HP vật lý đa lớp của chất HP rắn đ/v chất khí (cid:190) Áp dụng xđ bề mặt riêng của chất xúc tác và chất HP rắn

Ví dụ 2

Phương trình HP trong dung dịch

)

( VCC 0 − m

(cid:190) G : độ hấp phụ (mol/g) (cid:190) C0 và C: nồng độ đầu và nồng độ cân bằng

của dd chất bị HP (mol/l)

(cid:190) V : thể tích dung dịch trong đó xảy ra HP (l)

(cid:190) m : khối lượng chất HP (g)

Để che phủ 1g Silicagel (SiO2.H2O) bằng 1 lớp đơn phân tử cần thể tích khí Nitơ là 129ml (vm), ở 1atm và 00C. Tính diện tích bề mặt của Silicagel , nếu độ phủ cơ bản của Nitơ là 16,2 A02

Ví dụ 3

Cho 5g bột TiO2 vào 100ml dung dịch Natri Dodecylsulfat (viết tắt: NaDS) C12H25SO4Na nồng độ 0,002M. Sau một thời gian, nồng độ NaDS là 0,0014M. Tính độ phủ của TiO2? Biết bề mặt riêng của TiO2 là 7,8m2.g-1 và S0,NaDS = 27,3A02

Cơ sở quá trình hấp phụ

Ứng dụng

KhKhửử ccáácc CHC CHC nhưnhư thuthuốốcc nhunhuộộmm, , ccáácc h/ch/c thơmthơm

Khử thủy ngân, xử lý bổ sung (SX nước uống tinh khiết), XL khí độc

XL các chất gây mùi, thuốc trừ sâu, diệt cỏ

Kim loại nặng, các chất có hoạt tính bề mặt

Khử COD còn lại sau quá trình XL sinh học

Ứng dụng PP hấp phụ

Bài tập 1

Một nghiên cứu hấp phụ được thực hiện trong phòng thí nghiệm bằng cách cho thêm 1 lượng than hoạt tính xác định vào 6 bình tam giác chứa 200mL nước thải công nghiệp. Một bình tam giác nữa chứa 200mL nước thải không cho thêm than được dùng làm mẫu trắng. Vẽ đường cân bằng hấp phụ và xác định các hệ số