quy trình nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt

QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ ĐẲNG NHIỆT
Cao Thế Hà, Vũ Ngọc Duy
I. Các khái niệm cơ bản
Hấp phụ là hiện tượng tích luỹ chất trên bề mặt phân cách pha.
Lưu ý: Phân biệt quá trình hấp phụ và quá trình hấp thụ
Chất hấp phụ: là chất thu hút phân tử (ion) lên bề mặt.
Chất bị hấp phụ: là chất được tích luỹ trên bề mặt phân cách pha (thường khảo sát là rắn -
lỏng).
Động học hấp phụ là diễn biến nồng độ chất bị hấp phụ (còn lại trong dung dịch) theo
thời gian. Đường cong biểu diễn nồng độ theo thời gian được gọi là đường động học hấp
phụ.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ theo nồng độ cân
bằng ở một nhiệt độ xác định.
Dung lượng hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị chất hấp phụ tại thời điểm
cân bằng.
II. Nghiên cứu hấp phụ
Bao gồm 2 nội dung: (1) khảo sát động học hấp phụ và (2) xây dựng đường đẳng nhiệt
hấp phụ.
II.1. Khảo sát động học hấp phụ
Việc khảo sát động học hấp phụ giúp chúng ta đánh giá được tốc độ quá trình hấp phụ là
nhanh hay chậm, xác định được thời gian đạt cân bằng để làm thí nghiệm xây dựng đường
đẳng nhiệt hấp phụ.
Quy trình thực nghiệm:
Tuỳ theo đặc điểm của hệ hấp phụ mà ta có thể tiến hành theo quy trình 1 hay 2.
Quy trình 1: Lấy 1 L dung dịch, khuấy đều (có thể bằng máy khuấy từ hoặc khuấy cơ),
thêm m (g) chất hấp phụ và tiếp tục khuấy trong 10 phút (mục đích là để bề mặt chất hấp
phụ thấm ướt hoàn toàn). Sau đó thêm V (ml) dung dịch chất hấp phụ gốc và bắt đầu tính
giờ. Sau các thời điểm 5, 10, 20, 40, 60, 120, 180 phút lấy mẫu và lọc nhanh qua giấy lọc
0,45 um (tốt nhất là lọc bằng thiết bị lọc cầm tay). Số lượng mẫu lấy khoảng 7 – 10 (lưu ý
phải xác định nồng độ tại thời điểm ban đầu (mẫu số “0”), mẫu này cần lấy lặp lại 2 – 3
lần). Mẫu sau lọc được bảo quản bằng chất bảo quản tương ứng.

Khối lượng chất hấp phụ m và thể tích chất gốc V phải được tính toán trước khi làm thí
nghiệm để có nồng độ mong muốn. Yêu cầu đối với chọn m và V là: phải hạn chế được sai
số trong quá trình phân tích, đo đạc; hiệu xuất hấp phụ khi cân bằng đạt khoảng 30 – 70 %.
Thời gian lấy mẫu có thể thay đổi tuỳ theo bản chất (cách tốt nhất để lựa chọn thời gian lấy
mẫu là tham khảo các nghiên cứu cùng loại đã được thực hiện).
Xác định thời gian cân bằng: Quá trình hấp phụ coi như đạt cân bằng khi ta có 3 số liệu sát
nhau dao động quanh 1 con số (hay sai lệch giữa 2 số liệu cuối cùng không quá 2 %).
Quy trình 2: Trong quy trình này, số lượng bình phản ứng (thường sử dụng bình tam giác
có nút cao su) bằng với số lượng mẫu lấy ( 7- 10). Với mỗi bình ta cho thể tích dung dịch
và lượng chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là như nhau. Các bước thí nghiệm được thực
hiện tương tự quy trình 1. Sau mỗi thời điểm, một bình được lấy ra lọc.
Đường động học hấp phụ:
Biểu diễn biến thiên nồng độ trên đồ thị C – t và xác định thời gian đạt cân bằng.
II.2. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ
Quy trình thực nghiệm:
Để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ, ta tiến hành thí nghiệm với 7- 10 nồng độ ban
đầu (C
0
) chất bị hấp phụ khác nhau, cùng 1 nồng độ chất hấp thụ. Các điều kiện khác (pH,
nhiệt độ, lực ion, thể tích, tốc độ khuấy như nhau trong mỗi thí nghiệm. Quá trình hấp phụ
với mỗi nồng độ ban đầu được tiến hành quá thời gian cân bằng hấp phụ (khoảng 5 – 10 %
để đảm bảo hấp phụ đạt cân bằng). Sau khi đạt cân bằng, các mẫu được lọc để xác định
nồng độ còn lại (chưa hấp phụ) sau khi cân bằng.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ:
Gọi: V là thể tích dung dịch phản ứng
m là khối lượng chất hấp phụ
C
0
là nồng độ chất hấp phụ ban đầu
C

cb
là nồng độ tại thời điểm cân bằng
Dung lượng hấp phụ được tính như sau:
0
cb0
C
C-C
=Γ
t
C
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Như vậy, với mỗi nồng độ ban đầu C
0
ta sẽ có một dung lượng hấp phụ ứng với nồng độ
cân bằng tương ứng, biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân bằng
ta thu được đồ thị có dạng như sau:

Xử lý số liệu thực nghiệm:
Số liệu thưc nghiệm có thể được xử lý theo một số mô hình hấp phụ đẳng nhiệt. Hai mô
hình phổ biến được sử dụng là: mô hình Langmuir và mô hình Frienlich.
Mô hình Langmuir:
.CK1

.CK
m
m
m
+
Γ=Γ

Trong đó : Γ : dung lượng hấp phụ ứng với nồng độ C.
Γ
m
: dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp.
C : nồng độ chất bị hấp phụ lúc cân bằng.
K
m
: hằng số cân bằng hấp phụ.
Để xác định Γ
m
, K
m
trong phương trình Langmuir ta tuyến tính hoá phương trình trên
thành:
mmm
11
K
11
Γ
+
Γ
=
Γ

C
Từ các số liệu nồng độ chất bị hấp phụ ở thời điểm ban đầu và thời điểm cân bằng, lượng
chất hấp phụ ta tính được các thông số trong bảng sau:
Số thí nghiệm C
cb
Γ 1/C
cb
1/ Γ
1
2
…
N

C
cb
Γ
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Biểu diễn sự phụ thuộc 1/T theo 1/C
cb
. Đường thu được sẽ là một đường thẳng với giao
điểm với trục tung là 1/ T
m

, độ dốc của đường thẳng là 1/ T
m
K
m
. Từ đó ta xác định được
các thông số trong phương trình Langmuir.
Mô hình Frienlich:
n1
K.C
=Γ
Trong đó: Γ : dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng.
C: là nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch ở trạng thái cân bằng μg/l.
K: là hằng số đẳng nhiệt Freundlich.
n: hệ số mũ đẳng nhiệt Freundlich, (n >1)
Để xác định K, n trong phương trình Frienlich, ta tuyến tính hoá phương trình trên thành:
ln(Γ) = ln(K) + ln(C)/n
Từ các số liệu khảo sát ta tính toán được như bảng số liệu sau:
Số thí nghiệm C
cb
Γ Ln(C
cb
) Ln( Γ)
1
2
…
N
Biểu diễn sự phụ thuộc ln(Γ) theo ln(C
cb
) ta sẽ thu được một đường thẳng. Từ độ dốc của
đường thẳng ta xác định được n, từ giao điểm với trục tung ta xác định được K.

Câu hỏi: mô hình nào mô tả tốt hơn quá trình hấp phụ?
Để trả lời câu hỏi này thông thường ta dựa vào các giá trị hệ số tương quan R
2
của các
đường tuyến tính, R
2
càng gần 1 thì mô hình tương ứng tốt hơn.
III. Những lưu ý khi làm thí nghiệm
Sự hấp phụ chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, pH, môi trường (lực ion, chất hấp phụ cạnh
tranh). Nên khi tiến hành thí nghiệm ta cần đo (theo dõi các yếu tố này). Các thông số này
cần ổn định trong suốt thí nghiệm.