QUÁ TRÌNH THIẾT bị sấy và CHUYỂN KHỐI

Contents
I) Mở đầu........................................................................................................................................... 2
II) Độ hòa tan cân bằng của chất khí trong chất lỏng.......................................................4
1) Hệ hai cấu tử........................................................................................................................... 4
2) Hệ nhiều cấu tử..................................................................................................................... 6
3) Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thụ...................................................................8
4) Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ...............................11
5) Tháp hấp thụ.........................................................................................................................12
a) Tháp mâm........................................................................................................................... 13
III) Ưng dụng trong quá trình xử ly nươc.............................................................................16
1) Gioi thiệu................................................................................................................................ 17
2) Vật liệu hấp phụ:................................................................................................................19
3) Cơ chế hấp thụ.......................................................................................................................22
a) Cơ sở khoa học của quá trình hấp phụ....................................................................22
b)Sự cân bằng hấp phụ........................................................................................................27
c) Cân bằng đẳng nhiệt Freundlich..............................................................................29
d) Động năng hấp phụ........................................................................................................32
e) Phương pháp giải cho công thức cơ bản..................................................................32
IV) Kết luận....................................................................................................................................... 35
V) Tài liệu tham khảo....................................................................................................................36

I)
M ở đ ầu
Hấp phụ là quá trình hút khí ( hơi ) hoặc l ỏng trên b ề m ặt v ật li ệu x ốp nh ờ các
lực bề mặt . Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ , chất khí ( h ơi ) ho ặc
một chất tan nào đó trong dung dịch có khả năng được làm giàu trên bề mặt
chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ . Còn chất bị hấp phụ khi đã được “ gắn ” và
bề mặt vật liệu xốp gọi là chất đã bị hấp phụ .
- Đối vơi khi , hấp phụ có tác dụng tương tự như hấp thụ . Tuy nhiên , hấp th ụ là
quá trình hút và hòa tan khi vào trong chất l ỏng , còn h ấp ph ụ thì chi hút trên b ề
mặt .

1


- Hấp phụ cũng được dùng rộng rãi để tách các chất tan ( ch ất đi ện li và không
điện li ) khỏi dung dịch . Trong trường hợp này nó có tách dụng như trích li ,
nhưng quá trình trích li là quá trình chuy ển chất tan từ dung d ịch đ ầu vào trong
lòng dung môi .
- Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong các mao qu ản
( lực Van der Waals , lực hóa trị ) . Mạnh nhất là các l ực hóa tr ị , gây nên h ấp ph ụ
hóa học tạo ra các hợp chất khá bền trên bề mặt , khó nhả g ọi là h ấp ph ụ hóa
học . Lực hấp phụ do lực hút phân tử Van der Waals tác dụng trong kho ảng
không gian gần sát bề mặt gọi là hấp phụ vật lí . M ột hi ện t ượng th ường x ảy ra
trong hấp phụ là từ pha khí ngưng tụ thành chất lỏng trong các mao qu ản nh ỏ ,
nó xảy ra dươi tác dụng của lực mao quản ,
- Mỗi phân tử khi đã bị hấp phụ ( dù ở pha khí hay pha l ỏng ) đều gi ảm đ ộ tự do
, nên hấp phụ luôn kèm theo sự toả nhiệt mạnh . Nếu hấp phụ một ch ất khí có
nhiệt toả ra cỡ bằng nhiệt ngưng tụ ( < 10 kcal / mol ) g ọi là h ấp ph ụ v ật lí . Ở
trạng thái có mức năng lượng như vậy thì sự biến đổi về cấu trúc điện tử của
chất bị hấp phụ và chất hấp phụ là không đáng kể . Do vậy hấp phụ vật lí là một
quá trình thuận nghịch .
Còn đối vơi các hệ xảy ra hiện tượng hấp phụ hoá h ọc thì c ấu trúc clectron c ủa
các chất tham gia quá trình có sự biến đổi sâu sắc , th ậm chí d ẫn đ ến các liên
kết hoá học . Khi đó năng lượng toả ra của hệ cao hơn nhi ều có th ể lên đ ến 100
đến 200 kcal / mol , ứng vơi mức năng lượng của các phản ứng hoá h ọc . Do
vậy , hấp phụ hoá học xảy ra mạnh và bất thuận nghịch .
- Quá trình chuyển chất trong hấp phụ được xem như gồm ba giai đoạn :
1 . Giai đoạn khuyếch tán chất bị hấp thụ từ môi tr ường ( khí hay l ồng ) đ ến b ề
mặt hạt chất hấp phụ . Gia đoạn này phụ thuộc vào tính chất v ật lí và thuy đ ộng
lực của môi trường
2 . Các chất bị hấp phụ khuyếch tán theo các mao quản đ ến b ề m ặt ch ất h ấp

phụ .
3 . Gia đoạn cuối cùng là tương tác hấp phụ . Hai giai đoạn sau phụ thuộc vào các
tính chất và cấu trúc chất hấp phụ .
- Qua trình hấp phụ được ứng dụng rộng rãi trong công ngh ệ hoá ch ất , th ực
phẩm và nhiều lĩnh vực chế biến khác ; từ việc tách tri ệt đ ể các chhát khi có
hàm lượng thấp , tẩy màu , tẩy mùi các dung dịch , đến hấp phụ các chất độc hại
trong nươc và khí thải . Ngày nay các chất hấp phụ đã được ch ế tạo đ ể tách các
đồng phân parafin , tách nhiều chất lỏng hữu cơ phân tử thấp thay cho quá trình
2


chung luyện trong những trường hợp khó khăn , tách không khi thành hai ph ần :
một phần giàu nitơ ( 99 % ) , một phần giàu oxy ( 95 % ) . Ngoài ra ch ất h ấp ph ụ
còn giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất chất xúc tác.
Trong công nghiệp hóa chất có rất nhiều nguyên liệu dạng khí đ ược dùng, cũng
như nhiều sản phẩm thu được ở dạng khí. Muốn tiếp tục gia công chế bi ến các
hỗn hợp khí, ta phải tách chúng thành từng cấu tử riêng bi ệt. Ví d ụ sau khi khí
hóa than ta thu được hỗn hợp khí gồm N2, H2, H2S, CO, CO2, ... Muốn sử dụng
hỗn hợp khí này vào mục đích tổng hợp NH3 để sản xuất ure, ta ph ải tách riêng
từng cấu tử ra. Hoặc quá trình hấp thụ tách butadien, acetylen trong phân đo ạn
hydrocacbon C4 trong quá trình chế biến khí.
Có 3 phương pháp tách hỗn hợp khí:
1. Phương pháp tách hút.
2. Phương pháp hóa lí.
3. Phương pháp hóa học.
Phương pháp hóa học (dựa vào phản ứng hóa học) sẽ được nghiên cứu ở ph ần
sau. Phương pháp hóa lí tiến hành qua khí hóa l ỏng (dựa vào nhi ệt đ ộ sôi khác
nhau). Phương pháp hút được hiểu là sự tiếp nhận của chất này vào một ch ất
khác qua bề mặt phân pha của chúng. Nếu dùng ch ất lỏng đ ể hút thì ta g ọi là
hấp thụ, còn dùng chất rắn đẻ hút thì gọi là hấp phụ.

Như vậy, quá trình hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất l ỏng, khí được hút g ọi
là chất bị hấp thụ, còn chất lỏng để hút gọi là dung môi (hay ch ất h ấp th ụ), khí
không bị hút gọi là khí trơ.
Quá trình hấp thụ được ứng dụng để:
- Thu hồi các cấu tử quí.
- Làm sạch khí.
- Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt.
Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc phải tiến hành quá trình nhã đ ể
tách các cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi và tái tạo lại dung 48 môi. Đ ể
thực hiện quá trình nhã có thể dùng các phương pháp như đun nóng hay tién
hành quá trình ở áp suất thấp.
Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần l ơn do tính ch ất của dung
môi quyết định. Một dung môi tốt cho quá trình hấp thụ cần:
3


1. Có tính hòa tan chọn lọc (có ái lực vơi khí cần h ấp th ụ), nghĩa là ch ỉ hòa tan
vơi một cấu tử, còn các cấu tử khác không có khả năng hòa tan ho ặc hòa tan ít.
2. Độ nhơt của dung môi phải bé, để giảm trở lực và tăng hệ số chuy ển khối.
3. Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi
4. Có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để d ễ dàng phân riêng
chúng khi tách (chưng luyện chẳng hạn).
5. Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc, nghẽn thi ết
bị. 6. Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tắc thi ết bị và dễ thu h ồi.
7. Ít bay hơi để tránh tổn thất.
8. Rẽ tiền, không độc, không gây ăn mòn thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chu ẩn đã nêu.
Vì vậy, khi chọn lựa dung môi cần phải dựa vào những đi ều ki ện cụ th ể của s ản
xuất, nhưng điều kiện thứ nhất không thể thiếu được.

II) Độ hòa tan cân bằng của chất khí trong chất lỏng
1) Hệ hai cấu tử
Nếu một lượng khí đơn chất được cho tiếp xúc vơi m ột dung môi tương đ ối
không bay hơi theo cách đã trình bày ỏ chương 4 thì n ồng đ ộ ch ất khí hòa tan
trong pha lỏng được gọi là độ hòa tan của chất khí tại nhi ệt đ ộ và áp su ất đã
cho( hình1)

4


hình 1: : Đường căn bàng cùa độ hòa tan chất kh í trong chất l ỏng.
Những chất khí và chất lỗng khác nhau sẽ cho các đường đ ộ hòa tan khác nhau
và được xác định bằng thực nghiệm cho mỗi hệ. Trên hình 6.1, nếu áp suất cân
bằng của chất khí tại nồng độ cho trươc là cao, nh ư đường cong B thì ch ất
khí tương đôi không hòa tan trong chất l ỏng, ngược l ại n ếu th ấp nh ư
đường cong c thì chất khí có độ hòa tan cao, đi ều này ch ỉ là t ương đ ối, vì
ta có thể tạo nên nồng độ khí trong lỏng như mong mu ốn n ếu tác đ ộng
lên hệ một áp suất tương ứng. Như vậy dạng khí hóa l ỏng sẽ hoàn toàn
hòa tan trong chất lỏng.Thường thì hòa tan chất khí vào trong l ỏng sẽ phát
nhiệt và độ hòa tan của chất khí sẽ giảm khi nhi ệt độ tăng. Đường cong A và E
trên hình 6.1 cho thấy độ hòa tan của NH3ở30°c và 10°c. Tạinhi ệt đ ộ sôi
của dung môi, độ hòa tan của chất khí sẽ bằng không.

5


hình 2: Độ hòa tan cửa amoniac trong nươc

hình 3: Độ hòa tan của CO2 trong nươc
2) Hệ nhiều cấu tử

Nếu một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc v ơi chất l ỏng, t ại đi ều ki ện xác
định độ hòa tan cân bằng của mỗi chất khí sẽ độc l ập v ơi các ch ất khí còn
lại và được biểư diễn theo áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí. Nếu ch ỉ cổ
một câu tử trong hỗn hợp khí hòa tan vào ch ất ỉỏng thì áp d ụng đ ược nh ư
trường hợp nguyên chất. Ví dụ, cũng trên hình 1 đường cong A trình bày đ ộ
hòa tan của NH3 từ trong hôn hợp không khí - NH3 vào trong n ươc, vì không
khí không hòa tan vào nươc nên trục tung ch ỉ bi ểu di ễn áp su ất riêng ph ần
của NH3. Trong trường hợp có nhiều câu tử hòa tan vào ch ất l ỏng, dung d ịch
được xem ly tưởng khi các cấu tử hòa tan có cùng b ản ch ất v ơi ch ất l ỏng. Ví
dụ như hỗn hợp khí propan và butan hòa tan vào d ầu paraffin không bay
hơi. Ngoài ra độ hòa tan của chất khí còn ch ịu ảnh h ưởng b ởi s ự hi ện di ện
6


của một dung chất không bay hơi trong chất l ỏng, chẳng hạn dung d ịch n ươc
muối, trong trường hợp này dung dịch là không ly tưởng.
a) Dung dịch lỏng lý tưởng

Khi pha lỏng được xem là ly tưởng ta có th ể tính đ ược áp su ất riêng ph ần
cân bằng của chất khí trong dung dịch v ơi ch ất l ỏng. H ỗn h ợp khí ly t ưởng
cân bằng vơi dung dịch ly tưdng thì thành ph ần của dung ch ất trong pha
khí và pha lỏng liên hệ vơi nhau theo đ ịnh lu ật Raoult t ại m ột nhi ệt đ ộ xác
định:
p*=Px

(1)

vơi: p* - áp suất riêng phần của dung ch ất trong pha khí cân b ằngv ơi pha
lỏng, mmHg hoặc atm.
X - phần mol của dung chất trong pha lỏng

p - áp suất hơi của dung chất, mmHg hoặc atm.
b) Dung dịch lỏng không lý tưởng
Đường D và E trên hình 1 cho thấy, các tr ường h ợp S02 và NH3 hòa tan
vào nươc được tính theo định luật Raoult ở 10°c không kh ơp v ơi s ố li ệu
thực nghiệm. Riêng đường E chỉ phù hợp vơi thực nghiệm tơi n ồng độ 0,06
phần moi NH3 trong pha lỏng. Trong khoảngnày phương trình của đường
thẳng tuân theo định luật Henrry.

(2)
vơi m là hằng số cho mỗi chất khí.
Tuy nhiên, định luật Henry không đúng cho m ột kho ảng r ộng n ồng đ ộ. V ơi
chất khí ít hòa tan trong nươc như nitrogen, oxygen, định luật Henry đúng t ơi
áp suất riêng phần cân bằng 1atm] vơi các chất khí d ạng h ơi (d ươi nhi ệt
độ tơi hạn) sẽ đúng tơi áp suất riêng ph ần b ằng 50% áp su ất bão hòa t ại
nhiệt độ cho trươc. Trong trường hợp bất kỳ, m được xác định bằng thực
nghiệm.
bảng 1: Hệ số Henry của một số chất khí trong dung dịchvơi nươc P.10^6
mmHg
7


3) Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thụ
Các phương trình cân bằng vật chất và bi ểu diễn các phương trình bàng đ ồ th ị
đã được trình bày trong chương 4 cho một quá trình truy ền kh ối b ất kỳ. ở đây
ta sẽ bổ sung cho quá trình hấp thu.
a) Quá trình nghịch dòng

hình 4:
hình 4 trình bày quá trình tiếp xúc nghịch dòng cho m ột tháp bất kỳ. G ọi G là
suất lượng mol tổng cộng/h.(m2tiết diện tháp), y là phần mol của dung ch ất

khuếch tán A, p là áp suất riêng ph ần và Y là t ỉ s ố mol, Gir là su ất l ượng mol
của cấu tử trơ/k. m2 . Ta có tại một vị trí bất kỳ trong tháp:

(3)

(4)

8


Tương tự cho pha lỏng:

(5)

(6)
Vì cấu tử trơ trong pha khí và trong pha lỏng có su ất l ượng kh ộng đ ổi
khi đi qua tháp nên ta viết phương trình cân b ằng v ật ch ất trên căn b ản
cấu tử trơ. Cân bằng dung chất cho phần dươi thặp đến vị trí b ất kỳ (bao bình
1) là:
(7)
Đây là phương trinh đường thẳng (đường làm vi ệc) trên tọp đ ộ X, Y, h ệ
số góc là Ltr/Gtr và đi qua đi ểm (X1,Y1). Nếu thay X, Yb ằng X 2,Y2 đ ường
biểu diễn cũng đi qua điểm (X 2,Y2). Đường làmvi ệc ch ỉ là đ ường th ẳng khi
vẽ theo tọa độ tỉ số’ mol X, Y hoặc tỉ s ố khối lượng . Nếu bi ểu di ễn theo
phần moi hoặc áp suất riêng phần, đường làm vi ệc sẽ là đường cong, ph ương
trình khi đó là

(8)

hình 5: Đường làm việc cho quá trình hấp thu - nhả khí

Theo hình 6a, đường làm việc phải đi qua điểm D và chấm dứt tại dường có tung
độ Yx. Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng vơi đường DE, n ồng đ ộ
9


pha lỏng trong dòng ra sẽ là X l . Nếu l ượng dung môi s ử d ụng ít h ơn, thành
phần pha lỏng đi ra sẽ lơn hơn (đi ểm F) nhưng đ ộng l ực khu ếch tán sẽ nh ỏ
hơn, quá trình thực hiện phải cao hơn. Đường làm việc ứng v ơi l ượng dung
mỏi tốỉ thiểu khi tiếp xúc vơi đường cân bằng tại p. Tại p đ ộng l ực
khuếch tán bằng khùng, thời gian tiếp xúc pha kh ống xáo đ ịnh và tháp có
chiều cao không xác định. điều này là điều kiện gi ơi hạn cho lượng đung môi
sử đụng.n khó hơn, thời gian tiếp xúc pha sẽ lâu h ơn, do đó thi ết b ị h ấp
thụ.

hình 6: Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu
Thường thì đường cân bằng lõm như hình 6.6b, đường làm việc ứng vơi lượng
đung môi tối thiểu tương ứng vơi nồng độ dòng lỏng ra cân bằng v ơi n ồng đ ộ
dòng khí vào. Như vậy ta có

(9)
vơi X1max là nồng độ ra của pha ỉỏng cực đại ứng vởi lượng dung môit ối thi ểu
hay nồng độ ra của pha lỏng cân bằng vơi nồng độ vào của pha khí.
Trong thực tế lượng dung môi sử đụng luôn lơn hơn lượng đung môi tối thi ểu
và nồng .độ ra của pha lỏng nhỏ hơn nổng đ ộ cực đại.Nguyên tắc này cũng áp
đụng cho quá trình nhả khí khi đường làm việc tiếp xúc vơi đường cân bằng sẽ
cho tỉ số lỏng/khí cực đại và nồng độ dòng khí ra ỉà cực đại.
10


b) Quá trình cùng chiều:

Khi pha khí và pha lỏng chuyến dộng cùng chi ều nh ư hình 7, đ ường làm
việc có hệ số góc âm –L tr/Gtr. Tỉ số này không có giơi hạn nhưng chiều cao tháp
sẽ không xác định khi nồng độ hai pha ra đ ạt cân b ằng (Xe,Ye),Tháp có hai
pha chuyển động cùng chiều được sử dụng khi tháp quá cao và đ ược phân
thành hai tháp đê tiết kiệm đường ống dẫn khí thường có đường kính khá
ỉơn. Nó cũng có thể được dùng cho cấu tử hòa tan là nguyên ch ất/

hình 7: : Tháp hấp thu: hai pha chuyển động cùng chi ều

hình 8; Tháp nghịch chiều cùng chiều cho trường hợptháp khá cao.
4) Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố quan tr ọng ảnh hưởng lên quá trình h ấp
thụ, mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.

11


hình 9; : Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ.
(a) ảnh hưởng của nhiệt độ t1Từ phương trình Henry ta thấy khi nhiệt độ tăng thì h ệ s ố Henry tăng, đ ường
cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung (hình 9a). Vì v ậy, n ếu đ ường n ồng đ ộ
làm việc AB không đổi thì động lực trung bình giảm, do đó cường độ truyền chất
cũng giảm theo. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t3 thì không nh ững đ ộng
lực trung bình giảm mà ngay cả quá trình cũng không 54 th ể thực hi ện đ ược (vì
đường cân bằng và đường làm việc cắt nhau, nên không th ể đạt được n ồng đ ộ
cuối Xc). Đó là sự ảnh hưởng xấu của nhiệt độ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng thì
độ nhơt của dung dịch giảm (có lợi vơi trường hợp trở lực chủ yếu trong pha
lỏng), vận tốc khí tăng, cường độ truyền chất cũng tăng theo. Đó là s ự ảnh
hưởng tốt của nhiệt độ.
Trong trường hợp tăng áp suất, ta thấy hệ số cân bằng sẽ giảm, do đó d ường

cân bằng sẽ dịch chuyển dần về phía trục hoành, tức đ ộng l ực trung bình sẽ
tăng, quá trình truyền chất sẽ tốt hơn Nhưng sự tăng áp suất luôn luôn kèm theo
sự tăng nhiệt độ, nên nó cũng gây ảnh hưởng xấu đến quá trình h ấp th ụ. M ặt
khác, tăng áp suất cũng gây khó khăn về mặt thi ết b ị. Do v ậy, ch ỉ s ử d ụng quá
trình hấp thụ ở áp cao đối vơi những khí khó hòa tan, ví dụ hấp th ụ CO2 b ằng
nươc tiến hành ở áp suất khoảng 17at, hoặc thu hồi CO ở áp suất 120atm, ...
5) Tháp hấp thụ
12


Trong sản xuất có thể dùng nhiều loại thi ết bị khác nhau đ ể th ực hi ện quá
trình hấp thu. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản của thi ết bị vẫn là di ện tích b ề m ặt
tiếp xúc pha phải lơn để tăng hiệu suất của quá trình. Sau dây ta xét hai lo ại
tháp hấp thu là tháp mâm và tháp chêm.
a) Tháp mâm
Để xác định số mâm ly thuyết cần thi ết cho quá trình h ấp thu, đ ường làm
việc và dường cân bằng thường được vẽ theo tọa độ X, Y và s ố mâm ly thuy ết
được xác định như hình 10. Vơi tháp nhả khí, xác định tương tự v ơi đường
làm việc nằm dươi đường cân bằng.

hình 10: Xác định sổ mâm ly thuyết cho tháp hấp thu
Hỗn hợp khí có nồng độ thấp
Trong trường hợp đường làm việc và đường cân bằng là đ ường th ẳng, s ố
mâm ly thuyết có thể được xác định bằng giải tích mà không dùng đ ến đ ồ th ị.
Điều này xảy ra cho trường hợp pha khí và pha l ỏng có n ồng đ ộ dung ch ất
khá thấp. Nếu lượng dung chất hâ'p thu là nh ỏ, su ất l ượng pha l ỏng vào và
ra khỏi tháp xem như không đổi L0 = Ln = L, và tương tự suất lượng pha khí
cũng không đổi G. Do đó, đường làm vi ệc vẽ trên tọa đ ộ ph ần moi v ơi h ệ
số’ góc L/G sẽ là đường thẳng, trong trường hợp này áp dụng các ph ương
trình Kremser .Nếu A biến đổi ít từ đầu này đ ến đ ầu kia c ủa tháp do s ự

13


biến đổi L/G hay do sự biến đổi của độ hòa tan theo n ồng độ hay nhi ệt đ ộ ta sẽ
dùng giá trị trung bình của giá trị A tại đ ỉnh và đáy tháp. N ếu A bi ến đ ổi
nhiều, ta phải tính bằng dồ thị hoặc thực hiện phép tính cho t ừng
mâm.Thừa số hấp thu A
Thừa số hấp thu A
- L/mG là tỉ sô" giữa hệ số góc đường làm việc v ơi hệ s ố góc đ ường cân
bằng. Giá trị A nhỏ hơn 1 cho thấy mức độ h ấp thu b ị gi ơi h ạn. V ơi giá tr ị A
lơn hơn 1, ta có thể đạt được mức độ hấp thu nhất đ ịnh n ếu tháp có đ ủ
mâm. Vơi một ĩĩìức độ hấp thu xác định từ l ượng khí cố định, khi A tăng l ượng
lỏng sử dụng nhiều hơn, do đó, làm dung dịch ra khỏi tháp có n ồng đ ộ loãng.
Cùng lúc đó, số mâm giảm, chi phí cho thi ết b ị gi ảm. Từ nh ững giá tr ị ngh ịch
biến này, ta thấy trong tất cả các trường hợp sẽ có m ột giá tr ị c ủa A, hay
LIG, cho ta quá trình hấp thu kinh tế nhất.
Qúa trình không đẳng nhiệt
Nhiều tháp hấp thu và nhả khí hoạt động vơi điều kiện nồng độ của dung chất
trong hai pha là thấp, diều này phù hợp vơi gi ả sử là quá trình đ ẳng nhi ệt.
Nhưng trong thực tế quá trình hấp thu thường phát nhiệt, và khi m ột sô' l ượng
lơn dung chất khí bị hấp thu vào pha lỏng tạo nên một dung dịch đ ậm đ ặc,
khi đó không thể bỏ qua hiệu ứng nhiệt. Nếu quá trình hấp thu làm tầng
nhiệt độ pha lỏng đáng kể, độ hòa tan cân b ằng c ủa pha l ỏng sẽ b ị gi ảm
vằ năng suất của tháp hấp thu bị gỉẳm (hay ph ải s ử dụng su ất l ượng pha
lỏng lơn hơn). Nếu nhiệt phát ra quá nhiều, phải tiến hành làm ngu ội trong
tháp hoặc đưa pha lỏng ra ngoài để làm ngu ội r ồi đưa tr ở vào tháp. Tr ường
hợp nhả khí, quá trình thu nhiệt làm giầm nhi ệt độ pha l ỏng.
Xét tháp mâm như hình 11. Nếu Qt (kJ/h) là l ượng nhi ệt l ấy ra ở toàn b ộ tháp
thì cân bằng enthalpy cho toàn bộ tháp là:
(10)

vơi H là enthalpy (kj/mol) của mỗi dòng ở nồng độ và nhi ệt đ ộ xácđ ịnh so
vơi cùng một nhiệt độ chuẩn:
(11)
Công thức (11) biểu diễn enthalpy của dung d ịch l ỏng có n ồng đ ộ X phân
mol và nhiệt độ so vơi nhiệt độ chuẩn t 0.∆H s là nhiệt hòatan của dung
dịch ứng vơi nồng độ và nhiệt độ của đung dịch. Nếu phát nhi ệt ∆Hs < 0. N ếu
dung chất là chẫt khí ở 0,1 atm thì enthalpy của pha khí ch ỉ có s ố h ạng Cq. và t .
14


Vơi dung dịch ly tưởng ∆Hs =0 và enthalpy của dung dịch là tổng enthalpy c ủa
các cấu tử riêng biệt. Nếu dung dịch l ỏng ly tưởng được t ạo nên t ừ dung
chất khí thì nhiệt phát ra bằng nhiệt lượng riêng ngưng tụ của dung chất h ấp
thu.
Nếu quá trình là đoạn nhiệt Q( trong (10) bằng không, nhiệt đ ộ dòng l ỏng ra
sẽ cao hơn nhiệt độ vào do nhiệt dung dịch. Thiết kế tháp hấp thu trong
trường hợp này phải được tính từng mâm từ đáy đến đ ỉnh. Cân b ằng v ật
chất tổng cộng và dung chất từ đáy cho tơi mâm thứ n là:
(12)
(13)
Tháp tiếp xức pha liên tục
Tháp chêm, tháp phun... cho sự tiếp xúc pha liên tục gi ữa hai dòng l ỏng, khí
chuyển động nghịch chiều. Như vậy, trong tháp thành phần pha l ộng và pha khí
thay đối liên tục theo chiều cao tháp, mỗi đi ểm trên đ ường làm vi ệc bi ểu di ễii
điốu kiện làm việc tại một vi trí nào đó trong tháp.
Chiều cao tương đương một mâm ly thuyết
Phương pháp đơn giản để thiết kế tháp chêm là b ỏ qua s ự khác bi ệt gi ữa
quá trình tiếp xúc pha theo bậc và quá trình ti ếp xúc pha liên tục. S ố mâm ly
thuyết xác định cho một sự thay dổi nồng độ cho tr ươc dược tính theo hình
10, sau đó nhân vơi đại lượng gọi là chi ều cao tương đương v ơi m ột mâm

]y thuyết Htd để được chiều cao cần thiết của tháp chêm. Htđ đ ược xác
định bằng thực nghiệm cho từng trường hợp riêng bi ệt và thay đổi theo
điều kiện tiếp xúc giữa hai pha (kích thươc, tính ch ất c ủa v ật chêm, su ất
lượng và nồng độ mỗi dòng). Tuy nhiên, vì phương pháp này không gi ải
thích được sự khác biệt cơ bản trong hoạt động giữa tháp mâm và tháp
chêm nên thường không được sử dụng.
Phương trình thiết kế cho quá trình hấp thu mật cẩu tử
Xét một tháp chêm có tiết di ện bằng một đ ơn v ị di ện tích nh ư hình 11.
Vơi quá trình truyền khối ổn định, cân bằng v ật châ't qua m ột kho ảng
chiều cao ví cấp của tháp chêm là;
dG = dL

(14)

cân bằng vật chất cho cấu tử khuếch tán
15


d(Gy) = d(Lx)

(15)

vơi quá trình khuếch tán của một câu tử qua cấu tử không khu ếch tán (h ấp
thu, trích ly, hấp phụ và trao đổi ion), cả hai pha sẽ có su ất l ượng thay đ ổi
do sự truyền dung chất từ pha này sang pha kia, suất l ượng c ấu t ử tr ơ
không đổi và bằng:

(16)

hình 11: Tháp chêm

ta có :
tốc độ biến đổi suất lượng của dung chất trong một pha bằng tốc đ ộ truy ền
khối đến pha kia, do đó ta có:
(17)
III) Ưng dụng trong quá trình xử ly nươc.
Xử ly nươc thải và nươc cấp có tầm quan trọng rất lơn không ch ỉ đối v ơi môi
trường tự nhiên mà còn đối vơi sức khỏe con người. Mức sống người dân ngày
một tăng đồi hỏi chất lượng nươc được xử ly cũng tăng theo. Đặc bi ệt là từ khi
có các luật , quy định về chất lượng nươc thải. Các doanh nghi ệp, xưởng công
nghiệp cũng đã đầu tư các hệ thống xử ly nươc thải đạt tiêu chuẩn theo quy
định. Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi m ột ch ất khí hay ch ất l ỏng
bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp. Chất khí, hơi hay ch ất hòa tan đ ược g ọi là
chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn xốp dùng để hút khí, hơi hay ch ất hòa tan
gọi là chất hấp phụ (adsorbent) và những khí không bị hấp phụ g ọi là khí tr ơ.
16


Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nh ả h ấp phụ.
Các chất hấp phụ như là than hoạt tính , zeolite, silicagel được s ử d ụng nhi ều
trong các công nghệ xử ly nươc cấp và nươc thải. Giai đoạn lọc thường là giai
đoạn ứng dụng hấp phụ để lọc đi các tạp chất , chất bẩn , ch ất ô nhi ểm sau khi
nươc đã được xử ly cấp một và cấp hai. Hấp phụ không chỉ được ứng dụng trong
các công trình xử ly nươc cho thành phố hay công ty xí nghiệp mà còn đ ược s ử
dụng cho lọc nươc trong nhà dân như vòi lọc , bình lọc. Thông qua chuyên đ ề “
Ưng dụng của hấp phụ trong xử ly nươc” , chúng tôi sẻ gi ơi thi ệu v ề c ơ ch ế hấp
phụ cũng như là ứng dụng của hấp phụ trong xử ly nươc cấp và nươc thải , đánh
giá hiệu quả của hấp phụ trong xử ly nươc. Chuyên để này được thực hiện qua
việc tổng hợp các tài liệu trong nươc cũng như là tài liệu quốc tế.
1) Gioi thiệu.
Nươc chứa những chất hữu cơ hòa tan không thể bị loại bỏ bằng tạo bông

cặn hay lọc cát. Các hợp chất hữu cơ hòa tan này bao gồm :
-

Các hợp chất tạo mùi, vị , màu.

-

Các chất ô nhiễm ( thuốc bảo vệ thực vật, hợp chất hydrocarbon).

Carbon hoạt tính hấp phụ ( 1 phần ) chất hữu cơ và chủ yếu được sử dụng xử
ly nươc uống từ nươc mặt.
Trong quá khứ, nươc uống sản xuất từ nươc mặt phải đi qua các bươc : k ết
bông, loại bỏ bông cặn ( lắng và lọc ) và khử trùng vơi chlorine.
Điều này đủ để đáp ứng yêu cầu nươc uống cho độ đục , mùi , vị…
Do sự phát hiện thuốc bảo vệ thực vật trong nươc uống dẫn đến việc xử ly
nươc truyền thống không còn đáp ứng tiêu chuẩn nữa. Ngoài ra chlorine có th ể
tác dụng vơi các chất hữu cơ và hình thành THMs là chất độc.
Các chất độc này có thể bị loại bỏ bởi carbon hoạt tính. V ấn đ ề là các carbon
hoạt tính liên tục bị bão hòa bởi THMs và cần được tái sinh thường xuyên.
Tốt nhất là nên ngăn chặn sự hình thành THMs bằng cách gi ảm n ồng đ ộ ch ất
hữu cơ trươc khi cho chlorine vào Carbon hoạt tính là một ch ất có n ồng đ ộ
carbon cao.
Dươi nhiệt độ cao, một phần carbon trong vật liệu này chuyển hóa thành CO
và nươc. Đó là ly do tại sao carbon có cấu trúc mở.

17


Hình 12.Cấu trúc mở của carbon hoạt tính
Bề mặt phía trong của carbon hoạt tính lơn gấp nhiều l ần so v ơi b ề m ặt bên

ngoài. Vì vậy phần lơn chất bị hấp phụ ở phía trong carbon.
Các chất hữu cơ hòa tan có thể bị loại bỏ bằng cách cho l ọc qua các l ơp
carbon hoạt tính.
Các chất hữu cơ chuyển từ pha lỏng sang bề mặt của carbon. Các h ợp ch ất
hữu cơ được vận chuyển sâu hơn vào carbon để gắn vào các lỗ rổng.
Sự hấp phụ chất hữu cơ không phải là vô hạn. Có sự cân bằng giữa n ồng đ ộ
các hợp chất hòa tan trong nươc và lượng của chất bị hấp phụ vào carbon. Khi
có các hợp chất hữu cơ khác nhau hiện diện trong nươc, sự cạnh tranh xảy ra.
Các hợp chất đã được hấp phụ tốt sẽ chiếm các vị trí h ấp phụ mà không th ể s ử
dụng bởi các chất bị hấp phụ kém hơn. Các phân tử hữu cơ l ơn có th ể ch ặn các
lỗ nhỏ, từ đó chặn các phân tử hữu cơ nhỏ hơn đi vào các lỗ rổng nhỏ này.
Sau một khoảng thời gian thì carbon hoạt tính bị bảo hòa v ơi các ch ất hữu c ơ
bị hấp phụ và cần được làm sạch ( tái sinh ) bằng cách tháo l ơp carbon kh ỏi ch ổ
đặt và nung nóng nó đến 1000oC. Tái sinh thường được thực hiện sau nhi ều l ần
sử dụng.
Lọc carbon hoạt tính vận hành như là lọc cát. Chủ y ếu là dòng ch ảy xu ống.
Lọc mở được áp dụng để tránh các hạt carbon mịn bị rửa trôi đi.
Vì thơi gian tiếp xúc là yếu tố quan tr ọng đ ể quy ết định hi ệu qu ả lo ại b ỏ, b ể
lọc thường được thiết kế vơi lơp lọc dầy để giảm diện tích xây dựng. Vì vậy ,
lọc carbon hoạt tính không thể hoạt động nhờ trọng lực được mà cần phải có
thêm công đoạn bơm.
18


hình 13: Mặt cắt ngang và dọc của một bể lọc cacbon
Khi bể lọc bị chặn bởi các chất lơ lửng hay các sinh kh ối có đ ộ ch ống ch ịu cao,
bể lọc cần được rửa lọc.
Nươc rửa lọc được thu bằng hệ thống ống phía trên bể lọc.
Tắc nghẽn bởi chất lơ lửng có thể dẫn đến việc tái sinh thường xuyên hơn. Vì
thế lọc carbon hoạt tính thường đặt sau tạo bông , loại bông cặn và l ọc bằng cát.

hình 14: Vị trí của bộ lọc than hoạt tính trong qui trình xử ly nươc đóng chai
2) Vật liệu hấp phụ:

19


-

Than hoạt tính - một loại vật liệu giống như than vơi di ện tích b ề m ặt
cao.

-

Silica gel - cứng, dạng hạt, vật liệu xốp được làm kết tủa từ natri silicat
được xử ly bằng acid.

-

Nhôm hoạt tính - nhôm oxit hoạt tính ở nhi ệt độ cao và s ử d ụng ch ủ y ếu
cho hấp phụ độ ẩm.

-

Alumin silicat (rây phân tử) - zeolit tổng hợp xốp sử dụng ch ủ y ếu trong
các quá trình tách.

Than hoạt tính đến nay là hấp phụ phổ biến nhất được sử dụng trong xử ly
nươc thải.
Than hoạt tính (Activated Carbon): là sự lựa chọn ly tưởng cho mục đích hấp

phụ, bởi nó có một diện tích bề mặt rất lơn ( từ 500 đến 1500 m2/ g ).
Than hoạt tính lọc nươc qua hai quá trình song song:
-

Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ.

-

Hấp phụ các tạp chất hòa tan trong nươc bằng cơ chế hấp phụ bề mặt
hoặc trao đổi ion.

Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều l ỗ l ơn nhỏ. Dươi kính hi ển vi
điện tử, một hạt than trông giống như một tổ kiến. Vì thế, di ện tích ti ếp xúc b ề
mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất. (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng di ện
tích bề mặt của ½ kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá)
 Sản xuất than hoạt tính.
Nguyên liệu: than củi, vỏ đâu, vỏ dừa,…
Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau
đó được hoạt tính hóa bằng các khí có tính oxi hóa ở nhi ệt đ ộ cực cao. Quá trình
này tạo nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất.
 Cấu trúc lỗ rỗng trong than hoạt tính.
-

Lỗ rỗng trong than hoạt tính có đường kính thường dao động từ 10 đến
10.000 Å.

-

Lỗ rỗng có đường kính không nhỏ hơn 1000 Å được gọi là lỗ rỗng lơn.

-

Lỗ rỗng có đường kính nhỏ hơn 1.000 Å được gọi là vi lỗ.
20


-

Vi lỗ chịu trách nhiệm chính cho các đặc tính hấp phụ của than hoạt tính.

-

Diện tích bề mặt đặc trưng trong than hoạt tính khoảng 500-1.500 m2 / g
carbon.

 Kích thước của các hạt than hoạt tính.
-

Than hoạt tính được sản xuất trong các kích cỡ hạt đến vài µm.

-

Tổng diện tích bề mặt sẵn để hấp phụ không bị ảnh hưởng đáng kể bởi
kích thươc hạt từ cấu trúc vi lỗ chịu trách nhiệm hấp th ụ không thay đổi
đáng kể vơi kích thươc hạt.

-

Điều này có nghĩa rằng tổng khả năng hấp thụ của các hạt nhỏ và lơn
không phải là quá khác nhau mặc dù th ời gian để đạt được tr ạng thái cân

bằng có thể thay đổi đáng kể do hiệu ứng khuếch tán.

-

Carbon có kích thươc hạt lơn (từ1 mm trở lên) được gọi là "hạt". V ật li ệu
này có thể được đóng gói trong các cột thông qua đó một chất l ỏng có th ể
được thông qua, và có thể được tái sinh sau khi sử dụng.

-

Carbon có kích thươc hạt nhỏ hơn (vài chục µm) được gọi là “bột”. Vật
liệu này chỉ có thể được sử dụng bằng cách bổ sung trực tiếp chất lỏng và
phải được loại bỏ sau khi sử dụng (ví dụ, bằng cách lọc) và xử ly.

-

Dạng khối đặc (Extruded Solid Block –SB) là loại hi ệu qu ả nhất đ ể l ọc
cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử mầu và khử mùi clorine. Lo ại này
được làm từ nguyên một thỏi than, được ép định dạng dươi áp xu ất tơi
800 tấn nên rất chắc chắn.

Bảng 2. Đặc điểm của vật liệu hấp phụ thương mại.
Độ cao cột chứa

3- 9m(10- 30ft)

Kích thươc hạt
Tải thủy lực

8- 40mesh

1.4- 6.8L/m2s(2-10gpm/ft2)

Thời gian lưu

10- 60phút( điển hình20-30phút )

21


Các yêu cầu carbon điễn hình: (trong g carbon / m3 nươc thải)
- Tiền xử ly

60 – 200/25 - 50

- Xử ly cấp ba
Áp suất hoạt động

<20KPa/mcủa lơp

3) Cơ chế hấp thụ
a) Cơ sở khoa học của quá trình hấp phụ
Hấp phụ là hiện tượng tăng bề mặt chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha.
Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giơi giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha
lỏng và rắn.
Trong công nghệ xử ly nươc thải khi nói về phương pháp hấp phụ tức là nói v ề
hấp phụ chất bẩn hòa tan ở bề mặt biên giơi giữa pha lỏng và rắn.
Khi xử ly nươc bằng hấp phụ chất bẩn trong nươc chịu tác dụng của 2 lực:
-

Lực tác dụng qua lại của các phân tử chất tan vơi các phân tử chất lỏng

-

Lực tác dụng qua lại của các phân tử chất tan vơi các phân tử của v ật li ệu
hấp phụ

Sự hấp phụ xảy ra khi các lực hấp dẫn tại bề mặt carbon vượt qua l ực hút c ủa
chất lỏng.Động lực cho hấp phụ là giảm bề (bề mặt) căng gi ữa ch ất l ỏng và
chất rắn hấp phụ là kết quả của sự hấp thụ của chất bị hấp phụ trên bề mặt
của chất rắn.
Trong quá trình hấp phụ, hai chất có liên quan. Một là chất rắn hay chất lỏng mà
hấp phụ xảy ra và nó được gọi là vật liệu hấp phụ. Thứ hai là chất bị hấp phụ,
đó là khí hoặc chất lỏng hoặc chất tan từ một gi ải pháp mà được h ấp thụ trên
bề mặt.

22


Sự khuếch tán giữa các
hạt

Khối chất
lỏng

Màn truyền khối
ngoài giữa các hạt

Hấp phụ
Lỗ

Hạt carbon

Hình 15. Cơ chế hấp phụ trên bề mặt.

Vật liệu hấp phụ: Các chất trên có bề mặt hấp phụ xảy ra được gọi là v ật li ệu
hấp phụ.
Chất hấp phụ (adsorbent) : Các chất có phân tử được hấp th ụ trên b ề m ặt của
các vật liệu hấp phụ (tức là rắn, lỏng).
Sự hấp phụ là khác so vơi hấp thụ. Trong hấp thụ, các phân tử của một chất
được khuếch tán phân bố đều trong phần lơn các khác, trong khi các phân tử
hấp phụ của một chất có mặt ở nồng độ cao hơn trên bề mặt của các ch ất khác,
bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp.
Hấp phụ
Chất bị hấp phụ + Vật liệu hấp phụ

H ấp phụ

Giải hấp phụ

A

+

B

AB

23

Hấp phụ của phân tử
phản ứng

Phân tử phản
ứng

Hấp phụ của phân tử
phản ứng

Chất hấp phụ

Giải hấp phụ của
những phân tử
Phân tử được tách
Chất hấp phụ

Lớp trung gian

Hình 16. Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ.

Các ví dụ bao gồm:
-

Khí-rắn (như trong sự hấp thụ của một VOC trên than hoạt tính);

-

Lỏng-rắn(như trong sự hấp thụ của một chất gây ô nhiễm hữu c ơ trên
than hoạt tính).

-

Chất bị hấp phụ hoặc chất tan: chất bị hấp phụ (ví dụ, 2,4,6trichlorophenol).

-

Chất hấp phụ: vật liệu rắn được sử dụng để hấp phụ các chất cần hấp
phụ (ví dụ, than hoạt tính).

Tùy thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ và chất
hấp phụ, hấp phụ có thể được phân thành hai loại:

24


 Hấp phụ vật lý (physisorption):
Nếu lực hấp dẫn hiện tại giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ là lực lượng
Vander Waal, sự hấp phụ được gọi là hấp phụ vật ly. Nó còn được gọi là hấp phụ
Vander Waal. Trong hấp phụ vật ly lực hấp dẫn giữa chất bị hấp phụ và vật li ệu
hấp phụ rất yếu, do đó loại hình này có thể dễ dàng đảo ngược hấp phụ.
Trong bất kỳ quá trình hấp phụ của chất được hấp phụ (ví dụ, một ch ất gây ô
nhiễm) chỉ đơn giản nhưng hiệu quả loại bỏ từ một pha (ví dụ, pha lỏng-nươc
thải) và chuyển sang một pha khác (ví dụ, pha rắn-than hoạt tính).
Điều này có nghĩa rằng hấp phụ là một quá trình tách vật ly, trong đó các ch ất b ị
hấp phụ không thay đổi về mặt hóa học.
 Vì tính chất hoá học của chất bị hấp phụ không thay đổi nên việc s ử d ụng
hấp phụ trong xử ly nươc thải có liên quan đến việc loại bỏ các ch ất đ ộc
hại từ nươc thải và chuyển nó cho than hoạt tính.
Điều này có nghĩa rằng than hoạt tính bây giờ chứa các ch ất độc h ại. Vì v ậy,
hành động thích hợp sau đó phải được thực hiện để xử ly than hoạt tính dành

vào cuối của một chu kỳ. Các carbon có thể là:
-

Tái sinh (tức là, các chất độc hại có thể được loại bỏ thông qua tẩy rữa).

-

Vứt bỏ (cùng vơi các chất ô nhiễm trong nó) trong một bãi rác.

-

Phá hủy (cùng vơi các chất ô nhiễm trong nó) trong lò đốt.

 Hấp phụ hóa học (chemisorption):
Trong trường hợp giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tạo ra một liên kết hóa
học thì hiện tượng này được gọi là hấp phụ hóa học. Nó còn được gọi là hấp
phụ Langmuir. Trong hấp phụ hóa học các lực hấp dẫn rất mạnh, do đó khả
năng hấp phụ không thể dễ dàng đảo ngược.

Bảng 3.So sánh giữa hấp phụ vật ly và hấp phụ hóa học.
hấp phụ vật lý

hấp phụ hóa học

1. Nhiệt độ hấp phụ thấp thường trong Nhiệt độ hấp thụ cao trong
khoảng 20-40 kJ mol -1
khoảng 40-400 kJ mol -1
2. Lực hấp dẫn là lực Vander Waal

25

Lực có bản chất hóa học