Hấp phụ

Hấp phụ là hiện tượng khi một chất khí hoặc lỏng bám vào bề mặt của một chất rắn xốp, hoặc khi nồng độ của chất đó gia tăng trên bề mặt chất khác. Chất khí hoặc hơi được hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), trong khi chất rắn xốp hút chất khí hoặc hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbent). Những khí không bị hấp phụ được gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại với hấp phụ là giải hấp phụ hoặc nhả hấp phụ.

Trong quá trình hấp phụ, một lượng nhiệt được giải phóng, gọi là nhiệt hấp phụ. Khi bề mặt chất hấp phụ lớn hoặc độ xốp của nó cao, lượng nhiệt hấp phụ giải phóng càng nhiều.

Hấp phụ có thể diễn ra theo hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

Việc phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học có thể gặp khó khăn, vì chúng có thể xảy ra đồng thời hoặc chỉ có một loại, tùy thuộc vào tính chất của bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, cũng như các điều kiện quá trình như nhiệt độ và áp suất.

Có thể phân biệt hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý qua các đặc điểm sau:

Nhiệt hấp phụ

• Nhiệt hấp phụ trong trường hợp hấp phụ hóa học thường khá cao, dao động từ 40 đến 800 kJ/mol, đôi khi gần bằng nhiệt lượng của một phản ứng hóa học. Điều này dẫn đến việc hình thành mối liên kết hấp phụ rất bền, và để loại bỏ chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt xúc tác cần phải đạt được nhiệt độ rất cao.

• Ngược lại, nhiệt hấp phụ trong hấp phụ vật lý thường thấp hơn nhiều, gần bằng nhiệt hóa lỏng hoặc bay hơi của chất bị hấp phụ trong điều kiện hấp phụ và thường nhỏ hơn 20 kJ/mol.

Số lượng chất bị hấp phụ

• Trong hấp phụ hóa học, quá trình xảy ra rất hạn chế, chỉ tạo thành một lớp mỏng trên bề mặt xúc tác (đơn lớp).

• Ngược lại, hấp phụ vật lý có khả năng hình thành nhiều lớp (đa lớp) trên bề mặt.

Đặc tính chọn lọc của quá trình hấp phụ

• Hấp phụ hóa học thường có tính chọn lọc cao, phụ thuộc vào đặc điểm của bề mặt chất rắn và tính chất của chất bị hấp phụ.

• Hấp phụ vật lý không có đặc tính chọn lọc; tất cả các bề mặt chất rắn đều có khả năng hấp phụ theo kiểu này.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Hấp phụ vật lý thường diễn ra ở nhiệt độ thấp và khi nhiệt độ tăng, lượng chất bị hấp phụ giảm dần.

• Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao hơn so với hấp phụ vật lý; ở nhiệt độ thấp, khả năng hấp phụ hóa học giảm và khi vượt quá nhiệt độ tối ưu, khả năng này cũng giảm.

Đặc điểm của các điểm hấp phụ

• Hấp phụ hóa học tạo ra các liên kết bền vững tương tự như liên kết hóa học, có thể là liên kết cộng hóa trị, ion, hay đồng hóa trị. Quá trình này bao gồm sự di chuyển điện tử giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ, tạo ra tác dụng điện tử giữa các phân tử và bề mặt chất rắn.

• Hấp phụ vật lý không tạo thành liên kết. Tương tác giữa phân tử bị hấp phụ và electron của chất rắn rất yếu, các phân tử bị hấp phụ và chất rắn vẫn tồn tại như hai hệ thống riêng biệt, không hợp nhất thành một hợp chất.

Năng lượng kích hoạt hấp phụ

• Hấp phụ hóa học diễn ra chậm và yêu cầu năng lượng kích hoạt khá cao, gần bằng năng lượng của các phản ứng hóa học. Năng lượng này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn.

• Hấp phụ vật lý xảy ra rất nhanh và không cần năng lượng kích hoạt.

Tính chất thuận nghịch của hấp phụ

• Hấp phụ vật lý luôn diễn ra theo hướng thuận nghịch, tức là quá trình cân bằng động giữa hấp phụ và giải hấp phụ.

• Hấp phụ hóa học không phải lúc nào cũng thuận nghịch. Tính chất thuận nghịch của quá trình này phụ thuộc vào loại liên kết hóa học hình thành. Một số quá trình hóa học rất bền vững, tạo thành hợp chất ổn định như sự hấp phụ oxy lên kim loại tạo thành oxit kim loại, hoặc sự hấp phụ CO₂, CO lên than.

Trạng thái của chất bị hấp phụ

• Trong hấp phụ vật lý, trạng thái và tính chất hóa lý của chất bị hấp phụ không thay đổi. Lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ chủ yếu là lực Van der Waals.

• Trong hấp phụ hóa học, trạng thái của chất bị hấp phụ hoàn toàn thay đổi. Nhiệt lượng hấp phụ được tính bằng công thức: Qhp = nϕ - mD

Trong đó: D: năng lượng tạo liên kết ϕ: năng lượng phá vỡ liên kết m, n: số liên kết hình thành và bị phá vỡ tương ứng

Đường đẳng nhiệt của hấp phụ

Quá trình hấp phụ thường được thể hiện qua đường đẳng nhiệt, mô tả mối quan hệ giữa lượng chất bị hấp phụ (adsorbate) và áp suất (nếu ở dạng khí) hoặc nồng độ (nếu ở dạng lỏng) tại một nhiệt độ cố định.

Phương trình đầu tiên mô tả quá trình hấp phụ đẳng nhiệt của khí được Freundlich và Küster công bố vào năm 1894

$\frac{x}{m}=k{P}^{\frac{1}{n}}$

Trong đó: $x$ là lượng chất bị hấp phụ (adsorbate), $m$ là khối lượng chất hấp phụ (adsorbent), $P$ là áp suất của chất bị hấp phụ (adsorbate), $k$ và $n$ là các hằng số đặc trưng cho từng cặp adsorbent-adsorbat ở một nhiệt độ nhất định.

Các loại chất hấp phụ

Đặc điểm và yêu cầu chung

Các chất hấp phụ thường có dạng hạt nhỏ, thanh, bùn, hoặc khối đá nguyên chất với đường kính khoảng 0,5 đến 10 mm. Chúng cần có khả năng chống mài mòn tốt, ổn định với nhiệt độ cao và có lỗ nhỏ để tăng diện tích bề mặt, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ. Những chất hấp phụ cũng phải có cấu trúc lỗ xốp riêng biệt để giúp khí thoát ra nhanh chóng.

Các chất hấp phụ công nghiệp thường thuộc một trong ba nhóm sau đây:

• Hợp chất chứa Oxy – thường là thân nước và phân cực, như silica gel và zeolites.
• Hợp chất từ Carbon – thường là thân dầu và ít phân cực, ví dụ như carbon hoạt tính và graphite.
• Hợp chất từ polymer – có thể phân cực hoặc không phân cực tùy thuộc vào nhóm chức trong cấu trúc polymer.

Silica gel

Silica gel là một chất hóa học trơ, không độc, phân cực, ổn định (dưới 400 °C hoặc 750 °F) và được cấu tạo từ SiO₂ ở dạng vô định hình. Nó được tạo ra từ phản ứng giữa sodium silicate và acetic acid, trải qua các bước như ngưng kết và tẩy trôi, dẫn đến hình thành hàng triệu lỗ xốp với nhiều kích cỡ khác nhau.

Silica được áp dụng trong việc làm khô khí (như oxy và khí thiên nhiên) và hấp phụ các hydrocarbon nặng (phân cực) từ khí thiên nhiên.

Các Zeolite

Zeolite là các tinh thể aluminosilicate chứa silica và nhôm, có thể là tự nhiên hoặc tổng hợp, với cấu trúc lỗ xốp liên tục và khả năng thoát nước ở nhiệt độ cao. Zeolites tự nhiên có tính phân cực.

Chúng được chế tạo qua phương pháp thủy nhiệt từ Natri aluminosilicate hoặc nguồn silica khác trong nồi hấp, sau đó thực hiện trao đổi ion với các cation như Na, Li, Ca, K, và NH₄. Đường kính lỗ xốp của zeolite thường từ 2 đến 9 Å (200 đến 900 pm). Quá trình trao đổi ion giúp làm khô tinh thể, có thể pellet hóa với chất kết dính.

Zeolites được dùng để làm khô khí, loại bỏ CO₂ khỏi khí thiên nhiên, tách CO khỏi gas tinh lọc, xử lý khí và xúc tác phản ứng cracking.

Than hoạt tính

• Cussler, E.L. (1997). Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems, ấn bản lần 2, trang 308–330.
• Narayan, R.L. và T.S. King (1998). 'Các trạng thái hấp phụ hydrogen trên các xúc tác bimetallic Ru-Ag và Ru-Cu hỗ trợ silica được nghiên cứu qua microcalorimetry', Thermochimica Acta, tập 312, số 1-2, trang 105–114.
• VanderWiel, D.P., M. Pruski và T.S. King (1999). 'Nghiên cứu động học về hấp phụ và phản ứng của hydrogen trên các xúc tác Ruthenium hỗ trợ silica và Silver-Ruthenium bimetallic trong quá trình hydro hóa carbon monoxide', Journal of Catalysis, tập 188, số 1, trang 186–202.
• Zupanc, C., A. Hornung, O. Hinrichsen và M. Muhler (2002). 'Sự tương tác của hydrogen với các xúc tác Ru/MgO', Journal of Catalysis, tập 209, trang 501–514.
• 'Handbook of Physics and Chemistry', Ấn bản lần 56, trang F201-F206, CRC Press, Boca Raton, FL, USA
• 'Adsorption Analysis: Equilibria and Kinetics' Duong D. Do, Imperial College Press

• Hấp phụ hóa học
• Hấp phụ vật lý

Liên kết ngoài

• Derivation of Langmuir and BET isotherms
• Hấp phụ với than hoạt tính Lưu trữ 2016-10-12 tại Wayback Machine