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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 giảngRÂY 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 ĐẦUChương 1. Những vấn đề chung về phương pháp hấp phụI. HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤI.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 phụKết 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 hợ ...