Hấp phụ ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước thải

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………………………1
Chương 1: Tổng quan về quá trình hấp phụ
I. Khái niệm……………………………………………………………………………………2
II. Vật liệu hấp phụ ……………………………………………………………………………4
III. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ………………………………………….9
Chương 2: Cơ chế hấp phụ
I. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt………………………………………………………..11
1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir…………………………………………..11
2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich…………………………………………13
Chương 3: Ứng dụng của hấp phụ trong xử lý nước thải
I. Cơ sở của quá trình hấp phụ trong xử lý nước thải: ………………………………….16
II. Hệ thống thiết bị hấp phụ…………………………………………………………………17
III. Sơ đồ một số loại tháp hấp phụ…………………………………………………………19
IV. Ứng dụng của một số vật liệu hấp phụ ………………………………………………..21
KẾT LUẬN…………………………………………………………………………………….23
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………………….24

1


MỞ ĐẦU
Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên
bề mặt một chất rắn xốp. Chất khí, hơi hay chất hòa tan được gọi là chất bị hấp phụ
(adsorbate), chất rắn xốp dùng để hút khí, hơi hay chất hòa tan gọi là chất hấp phụ
(adsorbent) và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ.
Các loại vật liệu hấp phụ như: than hoạt tính, silicagen, các polime hoạt tính, các
zeolit, đất sét hoạt tính, nhôm oxit. Cùng với cấu trúc xốp, mỗi loại có những đặc tính tạo
nên những vùng ứng dụng hiệu quả riêng từng loại.
Hiệu suất của quá trình hấp phụ ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiệt độ, pH, áp suất và bản
chất chất hấp phụ (diện tích bề mặt tiếp xúc, kích thước hạt ,độ tan của chất tan, tính chất

hóa học,…)
Để đánh giá khả năng hấp phụ của một hệ hấp phụ, người ta thường áp dụng phương
trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundich .Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich được
ứng dụng nhiều trong nghiên cứu mô hình hấp phụ đối với hệ rắn – lỏng, đặc biệt trong
các nghiên cứu hấp phụ chống ô nhiễm môi trường.

1


Chương 1: Tổng quan về quá trình hấp phụ
I. Khái niệm
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí –
lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, còn chất
được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta có thể chia hấp phụ thành 2 loại: hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1. Phân loại hấp phụ

 Hấp phụ vật lý:
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các
ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực Van der Walls yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại
lực khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng. Trong hấp phụ vật lý, các
phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không tạo
thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và
bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Do vậy, trong quá trình hấp phụ vật lý không có sự
biến đổi đáng kể cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Ở hấp phụ vật
lý, nhiệt hấp phụ không lớn, năng lượng tương tác thường ít khi vượt quá 10 kcal/mol,
phần nhiều từ 3 ÷ 5 kcal/mol và năng lượng hoạt hóa không vượt quá 1 kcal/mol.

 Hấp phụ hóa học:
Xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị
hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion,
cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học tương đương với nhiệt phản ứng
hóa học và có thể đạt tới giá trị 100 kcal/mol. Cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ đều có sự biến đổi sâu sắc, tạo thành liên kết hóa học.
Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối vì
ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả
2


hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
2. Quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
-

Di chuyển chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt hạt hấp phụ ( vùng khuếch tán
ngoài).

-

Thực hiện quá trình hấp phụ

-

Di chuyển chất bên trong hạt chất hấp phụ ( vùng khuếch tán trong).
Trong đó tốc độ của chính quá trình hấp phụ là lớn và không hạn định tốc độ chung

của quá trình. Do đó giai đoạn quyết định vận tốc quá trình ở đây có thể là giai đoạn
khuếch tán ngoài hoặc trong. Trong một số trường hợp, quá trình hấp phụ được hạn định

bởi cả hai giai đoạn này.
Trong vùng khuếch tán ngoài, tốc độ chuyển khối chủ yếu do cường độ xoáy của
dòng quyết định, nghĩa là trước hết phải phụ thuộc vận tốc dòng chất lỏng.
Trong vùng khuếch tán trong, cường độ chuyển khối phụ thuộc vào loại, kích thước mao
quản của chất hấp phụ, hình dạng, kích thước của nó, kích thước phân tử của chất hấp
phụ, hệ số dẫn khối.
Quá trình hấp phụ được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hóa chất, từ việc tách
triệt để các chất khí có hàm lượng thấp, tẩy màu, tẩy mùi các dung dịch, đến hấp phụ các
chất độc hại trong nước thải.
3. Giải hấp phụ:
Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá trình
này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ. Đây là
phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế.
4. Dung lượng hấp phụ
Dung lượng hấp phụ (q) là lượng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam chất hấp
phụ rắn được tính theo công thức:

Trong đó:
3


q: lượng chất bị hấp phụ (mg/g).
C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/l). V:
thể tích dung dịch (l).
m: khối lượng chất hấp phụ (g).
5. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và nồng độ
dung dịch ban đầu C0.

II. Vật liệu hấp phụ

1. Cấu trúc của vật liệu hấp phụ:
Vật liệu hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản
-

Có ái lực bề mặt đối với chất bị hấp phụ
Có bề mặt riêng lớn (: m2/g)
Có các mao quản đủ lớn để các phân tử bị hấp phụ đến được bề mặt, nhưng cũng

-

cần đủ nhỏ để các phân tử xâm nhập.
Bền năng lực hấp phụ, kéo dài thời gian làm việc.
Đủ bền cơ để chịu rung động và va đập.
Nhẹ, rẻ tiền.

Nhìn chung các chất hấp phụ dùng trong công nghiệp đều xốp, có bề mặt riêng lớn từ
vài trăm mét vuông đến gần 2000m2 trên 1g.
Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu hấp phụ như: than hoạt tính, silicagen, các polime
hoạt tính, các zeolit, đất sét hoạt tính, nhôm oxit. Cùng với cấu trúc xốp, mỗi loại có
những đặc tính tạo nên những vùng ứng dụng hiệu quả riêng từng loại.
2. Các loại vật liệu điển hình
- Than hoạt tính –một loại vật liệu giống như thân với diện tích bề mặt cao.

4


- Silica gel- cứng, dạng hạt, vật liệu xốp được làm kết tủa từ natri silicat được xử lý bằng
acid.
- Nhôm hoạt tính oxit hoạt tính ở nhiệt độ cao và sử dụng chủ yếu cho hấp phụ độ ẩm.
- Alumin silicat (rây phân tử) –zeolit tổng hợp xốp sử dụng chủ yếu trong các quá trình

tách.
 Than hoạt tính
Than hoạt tính được chế tạ từ các nguyên liệu giàu carbon như: than bùn, than đá, các
loại thực vật (gỗ, mùn cưa, bã mía,…), xương động vật.
Cấu trúc xốp và đọ hoạt động của than hoạt tính phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế
độ hoạt hóa. Do đó than có nhiều loại với phạm vi sử dụng khác nhau. Than hoạt tính
thường dùng ở 2 dạng:
-

Dạng bột thường dùng khi năng suất nhỏ, đem trộn vào dung dịch cần hấp phụ sau đó

lọc. Thường có kích thước 0,01-0,1mm, độ xốp khá lớn, bề mặt riêng 200 m2/g. Đặc
trưng hấp phụ là tốc độ chậm, nhiều tạp chất, sự cạnh tranh hấp phụ lớn, vì vậy để tăng
cường độ người ta khuấy và tiên hành ở nhiệt độ khá cao.
- Dạng viên thuận lợi cho việc hoàn nguyên than nên hay sử dụng cho hệ thống có năng
suất lớn.
Than hoạt tính có khối lượng riêng đặc 1,75-2,1 g/cm3; khối lượng riêng xốp
-

khoảng 0,1-1g/cm3.
Than hoạt tính được dùng rộng rãi và tính chọn lọc cao. Nhược điểm lớn nhất của
nó là dễ cháy, thậm chí gây nổ.

5


Hình 1.1: Than hoạt tính dạng bột
 Chất dẻo xốp

Hình 1.2: Than hoạt tính dạng viên

Than hoạt tính hấp phụ khá tốt nhiều chất hữu cơ. Tuy nhiên rất kém đối với các chất
hữu cơ phân tử thấp chứa các nhóm chức clo, amin, phenol,.. Việc tách các chất này và
rất nhiều chất khác ra khỏi dung dịch có thể dựa vào các chất dẻo xốp. Đó là các chất hấp
phụ từ các polime được tổng hợp nhân tạo như stylen, divinyl, benzen, polime, copolime,
fenolfomaldehyt-amin,…
Nói chung, nhựa xốp hấp phụ là các vật liệu có bề mặt kị nước, không có tính phân
cực, hoặc tính phân cực yếu, trương nhẹ trong các dung môi hữu cơ. Ái lực hấp phụ chủ
yếu là lực Vander Waals. Tuy nhiên chúng cũng được chế tạo chọn lọc, dùng tốt đối với
một số chất nào đó.

 Silica gel
Silica gel là chất hấp phụ ưa nước. Nó hấp phụ tốt nước và nhiều chất có cực, ứng
dụng lớn nhất của nó là để tách nước trong không khí, làm khô các khí O 2, CO2, H2, N2,
Cl2 cũng như trong bảo quản thực phẩm, thiết bị cơ khí, quang học, máy móc, không khí
và các khí công nghiệp khác, tách nước trong các chất lỏng ít tan trong nước,… Tuy vậy,
nó còn có thể được dùng tách các chất hữu cơ từ dung dịch (dùng trong sắt kí, công
nghiệp dầu mỏ, dược phẩm,…)

6


Hình 1.3. Silica gel
Silica gel bền cơ học ở nhiệt độ cao. Các tính chất hấp phụ không thay đổi xấu khi
silica gel được gia công nhiệt ở nhiệt độ 500 0C. Silicagen được sử dụng dưới dạng hạt có
kích thước 0,2-0,7 mm, khối lượng riêng đặc 2,1-2,3g/cm3, khối lượng riêng xốp 0,41,7g/cm3.

 Zeolit
Là dạng khoáng từ aluminosilicat được tổng hợp, có thành phần hóa học là
XmYpO2p.nH2O. Zeolit được gọi là “sàng phân tử”, nghĩa là tách được các chất dựa vào

sự khác nhau về kích thước phân tử. Đó là nhờ mạng tinh thể tạo ra cấu trúc giống như
các “lồng” được hình thành do chứa các tứ diện SiO2 và AlO4 được nối với nhau qua các
nguyên tử oxy, và trên đó có các “cửa sổ” có kích thước nhất định chỉ cho phép qua
những phân tử nhỏ hơn.
Zeolit thường được sử dụng dưới dạng viên được trộn thêm đất sét làm chất kết
dính, đồng thời làm tăng thêm bề mặt hấp phụ nhưng lại tăng trở lực khuếch tán.

7


Hình 1.4. Cấu tạo của zeolit

Hình 1.5 Zeolit dạng viên

 Nhôm oxyt hoạt tính
Nhôm oxyt hoạt tính còn được gọi là alumogen vì chúng được tạo theo cách tương
tự như silicagen, bao gồm việc tạo kết tủa Al(OH)3, ngậm nước dạng keo, sau đó sấy và
nung theo chế độ kĩ thuật nhất định, các phân tử nước sẽ bị bứt ra, các mạng cấu trúc bị
đứt đoạn dọc theo các liên kết yếu, tạo các mao quản và hoạt tính.

Hình 1.6: Nhôm oxit hoạt tính
- Alumogen có bề mặt riêng 200-400 m2/g, thuộc loại ưa nước, bền cơ học, bền nhiệt
nên dùng tốt trong các lớp hấp phụ chuyển động.
- Có khả năng làm khô khí tốt cho đến điểm sương (-600C) và thấp hơn nữa. Khả
năng chịu nước tốt.
8


III. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ
1. Ảnh hưởng của áp suất đến hiệu suất hấp phụ

Áp suất của chất khí (nếu chất lỏng là áp suất thủy tĩnh ánh xạ tương đương là nồng
độ): Áp suất trong trường hợp này nên được hiểu tường minh chính là mật độ các phân tử
khí trên một đơn vị thể tích (trong một thể tích cố định mà nếu mật độ phân tử khí càng
cao thì áp suất càng lớn). Từ đó ta thấy khi số phân tử khí càng lớn thì sự tiếp xúc được
với bề mặt hấp phụ càng lớn.
Áp suất tăng hấp phụ tăng.



2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hấp phụ
Nhiệt độ: đây là yếu tố thường được duy trì ổn định để được áp dụng các phương trình
đẳng nhiệt hấp phụ (phương trình là quan hệ của lượng chất hấp phụ, bị hấp phụ và áp
suất (khí) hay nồng độ chất bị hấp phụ (lỏng)). Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự linh động của
các phân tử, phân tử càng linh động càng khó đẻ thực hiện hấp thu chúng (giữ vào bề mặt
hấp phụ (trong hấp thụ là bên trong)), ví như việc ở nhiệt độ tăng thì tăng khối khí nhẹ
hơn nên bay lên, hay bên ngoài bề mặt là sự chuyển động tăng rất khó cho các phân tử ở
bề mặt liên kết được với phân tử khí (các phân tử ở bề mặt chưa cân bằng được lực nên
có xu hướng liên kết với các phân tử khác, nên để liên kết được thì lực này phải lớn hơn
lực được tao ra do sự di chuyển của các phân tử). hay việc nhiệt độ tăng thì bề mật chất
hấp phụ cũng tăng (chắc chắn là không nhiều) điều này có lợi cho cả hấp phụ và nhả hấp
phụ.
 Nhiệt độ tăng hấp phụ giảm (để tính toán ảnh hưởng cụ thể có thể sử dụng biểu thức
Dubinin)
3. Bản chất chất hấp phụ ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ
-

Diện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ :diện tích lớn bao hàm một khả năng hấp phụ

cao hơn.
- Kích thước hạt của vật liệu hấp phụ: kích thước hạt nhỏ hơn làm giảm sự khuếch tán

nội bộ và truyền khối hạn chế để sự xâm nhập của các chất bị hấp phụ bên trong vật liệu
hấp phụ (ví dụ, trạng thái cân bằng được dễ dàng đạt được và khả năng hấp thụ gần như
9


đầy đủ có thể đạt được). Ngoài ra bột vật liệu hấp phụ phải được tuân thủ bằng cách loại
bỏ.
- Thời gian tiếp xúc và thời gian lưu:thời gian càng lâu hiệu quả càng cao tuy nhiên các
thiết bị sẽ lớn hơn.
- Độ tan của chất tan ( chất bị hấp phụ) trong chất lỏng (nước thải): chất ít tan trong
nước sẽ được dễ dàng tách ra khỏi nước hơn so với các chất có khả năng hòa tan cao.
Ngoài ra, các chất không phân cực sẽ được loại bỏ dễ dàng hơn chất phân cực kể từ sau
có ái lực lớn hơn cho nước.
- Tính chất hóa học của chất bị hấp phụ:
+ Các chất kị nước sẽ hấp phụ tốt hơn sơ với những chất ưa nước, các chất không phân
ly bị hấp phụ như nhau với bất kỳ giá trị nào của pH trong môi trường.
+ Nói chung đa số các chất bẩn khi hấp phụ có thể xác định được giá trị pH tối ưu.
+ Nếu không tạo được điều kiện tối ưu cho từng loại chất hữu cơ phân ly trong nước thì
sẽ tốn nhiều lượng vật liệu hấp phụ mà hiệu quả sẽ không đạt được như mong muốn.
- Mối quan hệ của các chất tan trong vật liệu hấp phụ (carbon): bề mặt của than hoạt
tính chỉ là hơi phân cực. Do đó các chất không phân cực sẽdễ dàng chọn carbon hơn so
với những chất phân cực (nước phân cực).
- Số lượng của các nguyên tử carbon: đối lượng lớn các nguyên tử cacbon liên kết với
độ phân cực thấp và đó một tiềm năng lớn để được hấp phụ (ví dụ, mức độ hấp thụ tăng
trong chuỗi formic, axit propionic acetic-butyric).
- Kích thước của các phân tử liên quan đến kích thước của các lỗ rỗng: các phân tử lớn
có thể quá lớn để vào lỗ rỗng. Điều này có thể làm khả năng giảm hấp phụ.
- Mức độ ion hóa của phân tử chất bị hấp phụ: các phân tử bị ion hóa được hấp thụ ở
một mức độ nhỏ hơn so với các phân tử trung tính.

10


Chương 2. Cơ chế hấp phụ
I.

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của

nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f(T, P hoặc C)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn q = f T(P hoặc C) được gọi là đường
hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng
hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời
điểm đó ở một nhiệt độ xác định.
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp phụ
đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich,
Langmuir…
Người ta còn có thể sử dụng nhiều các dạng phương trình đẳng nhiệt khác nhau để mô
tả cân bằng hấp phụ như: Dubinin, Frumkin, Tempkin t-y thuộc vào bản chất của hệ và
các điều kiện tiến hành quá trình hấp phụ.
1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Khi thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đã xuất phát từ các giả thuyết sau:
-

Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.

-

Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.

-

Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là
như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các
trung tâm bên cạnh.

Phương trình Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhưng cũng có thể áp
dụng cho hấp phụ trong môi trường nước để phân tích các số liệu thực nghiệm. Trong pha
lỏng phương trình có dạng:

11


Trong đó:

KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir
q: dung lượng hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/1 đơn vị chất hấp phụ)
qmax: dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lượng chất bị hấp
phụ/1 đơn vị chất hấp phụ)
C: nồng độ dung dịch hấp phụ

Phương trình (1.3) có thể viết dưới dạng:

Hình 2.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Hình 2.2. Đồ thị sự phục thuộc của
C/q vào C

Để xác định các hệ số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, người ta

chuyển phương trình về dạng tuyến tính:

Từ đồ thị (hình 1.4) biểu diễn sự phụ thuộc của C/q vào C ta sẽ tính được KL và qmax:

12


Từ giá trị KL có thể xác định được tham số cân bằng RL

Trong đó:

RL: tham số cân bằng
C0: Nồng độ ban đầu (mg/l)
KL: Hằng số Langmuir (l/mg)

Mối tương quan giữa các giá trị của K R và các dạng của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
Langmuir thực nghiệm được thể hiện trong bảng 1.5.
Bảng 2.1. Mối tương quan của RL và dạng mô hình
Giá trị RL

Dạng mô hình

RL > 1

Không phù hợp

RL = 1

Tuyến tính

0 < RL < 1

Phù hợp

RL = 0

Không thuận nghịch

Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và mối tương quan
giữa quá trình hấp phụ và giải hấp phụ thông qua hằng số Langmuir K L, sự phù hợp của
mô hình với thực nghiệm, do vậy đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ
hấp phụ.
2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Khi nghiên cứu về khả năng hấp phụ trong pha lỏng, trong trường hợp chất hấp phụ có
lỗ xốp, Freundlich thiết lập được phương trình đẳng nhiệt trên cơ sở số liệu thực nghiệm.
q = KF.C1/n
Trong đó:
KF là hằng số hấp phụ Freundlich. Nếu C = 1 đơn vị thì a = KF tức là KF chính là
dung lượng hấp phụ tại C = 1, vậy nó là đại lượng có thể d ng để đặc trưng cho khả
13


năng hấp phụ của hệ, giá trị KF lớn đồng nghĩa với hệ có khả năng hấp phụ cao.
1/ n (n > 1) là bậc mũ của C luôn nhỏ hơn 1, nó đặc trưng định tính cho bản chất lực
tương tác của hệ, nếu 1/n nhỏ (n lớn) thì hấp phụ thiên về dạng hóa học và ngược lại, nếu
1/n lớn (n nhỏ) thì bản chất lực hấp phụ thiên về dạng vật lý, lực hấp phụ yếu.

Hình 2.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt hấp

Hình 2.4. Đồ thị để tìm các hằng số trong

phụ Freundlich

phương trình Frendlich

Với hệ hấp phụ lỏng – rắn, n có giá trị nằm trong khoảng từ 1÷ 10 thể hiện sự thuận lợi
của mô hình. Như vậy, n cũng là một trong các giá trị đánh giá được sự ph ù hợp của mô
hình với thực nghiệm.
Vì 1/n luôn nhỏ hơn 1 nên đường biểu diễn của phương trình là một nhánh của đường
parabol, và được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich.
Để xác định các hằng số trong phương trình Freundlich, người ta cũng sử dụng phương
pháp đồ thị. Phương trình Freundlich có thể viết dưới dạng:
lg q = lg KF + 1/n lg C
Như vậy lg a tỉ lệ bậc nhất với lg C. Đường biểu diễn trên hệ toạ độ lg q-lg C sẽ c
Ta có:

ON = lg KF;

tg = 1/n

Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu mô
hình hấp phụ đối với hệ rắn – lỏng, đặc biệt trong các nghiên cứu hấp phụ chống ô nhiễm
14


môi trường

15

Chương 3: Ứng dụng của quá trình hấp phụ trong xử lý nước thải
I.

Cơ sở của quá trình hấp phụ trong xử lý nước thải:
Trong xử lý nước thải, khi các chất được hấp phụ tốt bằng than hoạt tính, đường hấp

phụ đẳng nhiệt của hệ thống có dạng lồi, còn khi các chất hấp phụ kém đường này có
dạng lõm. Các đường hấp phụ đẳng nhiệt của các chất nằm trong nước thải thường được
xác định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên cũng có thể tính gần đúng theo công thức:

Trong đó:
a. Độ hấp phụ riêng, Mmol/g
a∞- Độ hấp phụ riêng cực đại, Mmol/l
Kw- Tích số ion của nước

Ka- Hằng số cân bằng của quá trình hấp phụ
V*H2O, V*i- thể tích mol của nước và chất bị hấp phụ;
Cp- Nồng độ cân bằng, Mmol/l
Nếu trong nước thải có một số cấu tử thì để xác định khả năng hấp phụ chúng cùng một
lúc, người ta sẽ xác định năng lượng tự do vi phân chuẩn ∆F o và xác định hiệu số giữa giá
trị cực đại và cực tiểu của nó:
-

Khi ∆Fomax-∆Fmin ≤ 10,5 kJ/mol có khả năng hấp phụ đồng thời tất cả các cấu tử
Khi điều kiện trên không được đảm bảo thì phải tiến hành làm sạch theo nhiều bậc
nối tiếp nhau.

Tốc độ quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ, bản chất và cấu trúc của các chất tan,
nhiệt độ của nước, loại và tính chất của các chất hấp phụ.

16


II.

Hệ thống thiết bị hấp phụ

Quá trình làm sạch bằng hấp phụ được tiến hành ở điều kiện khuấy trộn mãnh liệt chất
hấp phụ với nước, hoặc lọc nước thải qua lớp chất hấp phụ hay trong lớp lỏng giả trong
các hệ thống thiết bị làm việc gián đoạn và liên tục. Khi tiến hành quá trình này có sự
khuấy trộn chất hấp phụ với nước, người ta thường sử dụng than hoạt tính ở dạng hạt có
kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 mm.
Quá trình hấp phụ có thể tiến hành một bậc hoặc nhiều bậc. Hấp phụ một bậc được tiến
hành ở trạng thái tĩnh được ứng dụng trong trường hợp khi chất hấp phụ có giá thành thấp
hoặc là chất thải sản xuất. Tuy nhiên khi quá trình tiến hành trong hệ thống nhiều bậc sẽ
có hiệu quả cao hơn.

Hình 3.1a: Trình bày hệ thống hấp phụ khi cho chất hấp phụ vào nối tiếp nhau
Trong sơ đồ này lượng chất hấp phụ cần thiết cho vào bậc thứ nhất để giảm nồng độ
chất gây nhiễm bẩn từ Cđ đến Cl, sau đó tách chất hấp phụ ra bằng thiết bị lắng hay lọc 2,
còn nước thải được chuyển tiếp sang bậc thứ 2. Ở đây người ta cho chất hấp phụ mới vào.
Kết thúc quá trình hấp phụ ở bậc 2, nồng độ chất gây nhiễm bẩn trong nước giảm từ C 1
đến C2,..

17


Hình 3.1b. Trình bày sơ đồ ngược chiều
Chất hấp phụ được đưa vào một lần ở bậc cuối cùng và chuyển động ngược chiều với
dòng thải. Theo sơ đồ này người ta tiến hành quá trình liên tục với tiêu tốn chất hấp phụ ít

hơn nhiều so với theo sơ đồ cấp nối tiếp. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị này đắt hơn và vận
hành phức tạp hơn.

Hình 3.1 c. Trình bày hệ thống hấp phụ trong quá trình liên tục
Khi tiến hành quá trình làm sạch nước thải trong tháp với lớp than cố định thường theo
phương pháp gián đoạn.Còn trong quá trình liên tục người ta sử dụng một số tháp như
hình 1.7c. Trong sơ đồ này hai tháp đầu làm việc nối tiếp nhau , còn tháp thứ 3 dùng để
tái sinh chất hấp phụ

18


 Tái sinh chất hấp phụ
Tái sinh chất hấp phụ là một giai đoạn rất quan trọng trong quá trình hấp phụ. Các chất
hấp phụ có thể bị tách ra khỏi than hoạt tính bằng quá trình nhả nhờ hơi nước bão hòa
bay hơi quá nhiệt hoặc bằng khí trơ nóng. Nhiệt độ hơi quá nhiệt để tái sinh thường vào
khoảng 200 đến 300oC ( ở áp suất dư 0,3 đến 0,6 MPa), còn trong khí trơ ở nhiệt độ vào
khoảng 120 đến 140oC. Lượng hơi tiêu tốn để đuổi các chất dễ bay hơi bằng khoảng 2,5
đến 3 kg/1 kg chất được tách.
Trong một số trường hợp để tái sinh các chất hấp phụ được chuyển hóa bằng con đường
hóa học thành một chất khác dễ tách từ chất hấp phụ hơn. Trong trường hợp các chất bị
hấp phụ không có giá trị thì có thể phá vỡ cấu trúc của chúng bằng các tác nhân hóa học.
Tái sinh nhiệt thường được tiến hành trong các lò nung ở nhiệt độ 700 đến 800oC trong
môi trường không có oxy. Ngoài ra, các phương pháp sinh học để tái sinh than hoạt tính
cũng đã được nghiên cứu trong trường hợp các chất bị hấp phụ là các chất có thể bị oxy
hóa sinh hóa. Phương pháp tái sinh này kéo dài được thời hạn sử dụng chất hấp phụ một
cách đáng kể.
III.
Sơ đồ một số loại tháp hấp phụ
1. Tháp hấp phụ 1 tầng

Hình 3.2a: Tháp hấp phụ 1 tầng
1-Tháp hấp phụ

2-Phễu nạp chất hấp phụ

19

3- Ống dẫn chất hấp phụ


4- Lưới ( d=5÷10 mm) 5- Bình chứa
2. Tháp hấp phụ 3 tầng

Hình 3.2b. Tháp hấp phụ 3 tầng
1-Tháp 2- Lưới 3- Ống chảy chuyền chất hấp phụ

4- Thùng chứa

Nguyên tắc làm việc của hệ thống:
Than hoạt tính được đưa liên tục vào tháp qua phễu 2 xuống dưới đĩa phân phối.
Nước thải đi từ dưới lên cuốn theo các than hoạt tính qua lưới 4 tạo thành lớp lỏng giả
trên lưới. Tại đây xảy ra quá trình làm sạch. Than thừa được thu gom ở bình chứa 5 rồi
qua tái sinh. Nước sạch theo máng ở phía trên được dẫn ra ngoài, còn các hạt than bị
cuốn theo sẽ được tách ra và đưa vào bình 5.
Trong các tháp hấp phụ, lớp hạt hoạt tính lỏng giả được tạo thành giữa các đĩa. Giữa
hai khoang này được nối với nhau bằng các ống hình côn.
IV.

Ứng dụng của một số vật liệu hấp phụ

Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, kẹo
nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất như xỉ tro, xỉ mạt sắt,…Trong
20


số này than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng: dạng bột
và dạng hạt đều được dùng để hấp phụ. Lượng chất hấp phụ tùy thuộc vào khả năng hấp
phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có khả năng
hấp phụ 58 ÷ 95% các chất hữu cơ và màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính
đến là phenol, ankylbenzen, sulfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm.
-

Zeolit: được sử dụng để tách các ion kim loại nặng, amoni, các hợp chất hữu cơ độc

hại trong nước thải và nước thải sinh hoạt
- Betonit: Khử trùng nước, nhất là những nguồn nước có độ đục cao mà phương pháp
khử trùng khác không hiệu quả. Làm sạch nước khỏi các chất hữu cơ, các chất cao phân
tử, những hóa chất độc hại của nhà máy, xí nghiệp, các kim loại nặng và phóng xạ. Ngoài
ra còn dùng như một vật liệu phân loại dầu, tẩy sạch dầu mỡ,…
- Bột than hoạt tính: bột than hoạt tính và nước thải (thường là nước thải sau xử lý sinh
học) được cho vào một bể tiếp xúc, sau một thời gian nhất định bột than hoạt tính được
cho lắng, hoặc lọc. Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử dụng thêm các chất trợ lắng
polyelectrolyte. Bột than hoạt tính còn được cho vào bể aeroten để loại bỏ các chất hữu
cơ hòa tan trong nước thải. Than hoạt tính sau khi sử dụng thường được tái sinh để xử
dụng lại, phương pháp hữu hiệu để tái sinh bột than hoạt tính chưa được tìm ra, đối với
than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên
bề mặt của chúng, trong quá trình tái sinh 5  10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế
bằng các hạt mới.

21


KẾT LUẬN
Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để các chất hữu cơ hòa
tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm
lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này không phân hủy bằng con đường sinh học và
thường có độc tính cao. Nếu các chất cần khử bị hấp phụ tốt và khi chi phí riêng lượng
chất hấp phụ không lớn thì việc ứng dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả.
Các chất hấp phụ như là than hoạt tính , zeolite, silicagel,.. được sử dụng nhiều trong
các công nghệ xử lý nước cấp và nước thải. Giai đoạn lọc thường là giai đoạn ứng dụng
hấp phụ để lọc đi các tạp chất , chất bẩn , chất ô nhiểm sau khi nước đã được xử lý cấp
một và cấp hai. Hấp phụ không chỉ được ứng dụng trong các công trình xử lý nước cho
thành phố hay công ty xí nghiệp mà còn được sử dụng cho lọc nước trong nhà dân như
vòi lọc , bình lọc.

22


Tài liệu tham khảo
1. Giáo trình công nghệ xử lý nước thải
2. />3. />
23