Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

Mục lục
MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 3
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................................ 3
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................... 4
TÓM TẮT CÔ ĐỌNG CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA TÁC GIẢ .................... 4
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................................... 5
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN.............................................................................................. 6
I.1. VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH ............................................................................... 7
I.1.1. Giới thiệu chung. ..................................................................................................... 7
I.1.2. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU MQTB .................................................... 8
Hai vật liệu tiền thân của vật liệu MQTB ........................................................... 8
I.1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU MQTB .................................................................................... 9
I.1.4. Giới thiệu một số vật liệu MQTB điển hình .......................................................... 10
Vật liệu MCM-41 (cấu trúc lục lăng) ................................................................ 10
Vật liệu SBA-16 (cấu trúc lập phƣơng) ............................................................ 10
Vật liệu SBA-15(cấu trúc lục lăng) ................................................................... 11
I.2. VẬT LIỆU CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH TRẬT TỰ (OMC) .................................... 12
I.2.1. Giới thiệu về vật liệu cacbon mao quản trung bình .............................................. 12
I.2.2. Ứng dụng của vật liệu cacbon mao quản trung bình ............................................ 14
I.2.2.1. Siêu tụ điện, pin Lithium-ion và các tế bào nhiên liệu ....................................... 14
I.2.2.2. Xúc tác, chất mang xúc tác ................................................................................. 15
I.2.2.3. Lƣu trữ hidro ....................................................................................................... 15
I.2.2.4. Hấp phụ các phân tử hữu cơ có kích thƣớc phân tử lớn ..................................... 16
I.2.3. Ph ng ph p t ng h p vật liệu cacbon mao quản trung bình .............................. 17
I.2.3.1. Phƣơng pháp khuôn mẫu mềm ........................................................................... 17
I.2.3.2. Phƣơng pháp khuôn mẫu cứng ........................................................................... 19

PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT (TGA-DTA) ................................................................. 36
PHỔ HẤP PHỤ ELECTRON (UV-VIS) .................................................................................. 38
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ........................................................................................ 40
CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 42
III.1 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MB ........................... 42
Ảnh h ởng của số lần tẩm đ ờng (b sung c cbon) ...................................................... 42
Ảnh h ởng của nhiệt độ than hóa ................................................................................... 45
III.2 ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU NANO CACBON (OMCS) ........................................................ 48
Vật liệu OMC đ c t ng h p trong điều kiện tối u tại nhiệt độ 700oC và tẩm hai lần
đ c đặc tr ng bằng c c ph ng ph p nh XRD, TEM, BET. ...................................... 48
Nhiễu xạ R nghen (XRD)................................................................................................ 48
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................................................................... 48
Đẳng nhiệt hấp phụ - nhả (khử) hấp phụ nit (BET) ...................................................... 49
III.3 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MẦU XANH METYLEN (MB) CỦA VẬT LIỆU
OMC ................................................................................................................................ 51
III.3.1 Xây dựng đ ờng chuẩn dung dịch MB................................................................. 51
III.3.2. Đ nh gi khả năng hấp phụ ................................................................................ 52
Ảnh h ởng của nồng độ MB ........................................................................................... 52
III.3.3. ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ .......................................................................................... 54
III.3.3.1. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................... 54
III.3.3.2. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ......................................................... 55
III.4.4. ĐỘNG HỌC HẤP PHỤ.............................................................................................. 58
III.4.4.1. Ph ng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất [12]: .............................. 58
III.4.4.2. Ph ng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai [9] .................................... 60
III.5. KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH TẨM
3%CU (OMC-CU3%). ..................................................................................................... 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 68

Đào Đức Cảnh

tách chất, năng lƣợng, xử lý môi trƣờng...
Trong đó, vật liệu cacbon mao quản trung bình trật tự (Ordered Mesoporous Carbon
- OMC) có cấu trúc mao quản đ ng đều, có thể đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp
khuôn mẫu mềm hoặc khuôn mẫu cứng. Phƣơng pháp khuôn mẫu mềm tạo ra vật
liệu có cấu trúc không đ ng đều. Trong khi, phƣơng pháp khuôn mẫu cứng cho
phép kiểm soát chính xác cấu trúc và kích thƣớc mao quản của vật liệu với cấu trúc
trật tự, đ ng nhất. Vì vậ , trong luận văn nà , chúng tôi tổng hợp vật liệu OMC
Đào Đức Cảnh

3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

theo phƣơng pháp khuôn mẫu cứng, đ ng thời, đánh giá khả năng hấp phụ của vật
liệu nà đối với xanh met len (Met lene Blue-MB), một loại chất màu độc hại kích
thƣớc phân tử lớn, khó phân hủ gâ ô nhiễm môi trƣờng nƣớc.
Vật liệu cacbon mao quản trung bình với những đặc điểm nổi trội nhƣ bề mặt riêng
lớn, dung lƣợng hấp phụ cao, cấu trúc mao quản đ ng đều lại là một lĩnh vực còn
khá mới mẻ và hứa hẹn sẽ chứa nhiều tính chất thú v , vì lý do trên mà tôi đã chọn
đề tài “
”.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Tổng hợp vật liệu c c on mao quản trung

nh

ng phư ng ph p khu n m u

 Khảo sát khả năng hấp phụ MB của vật liệu OMC và so sánh khả năng hấp
phụ của OMC với than hoạt tính thƣơng mại.
 Khảo sát động học hấp phụ, đẳng nhiệt hấp phụ, dung lƣợng hấp phụ MB
(Qmax) của OMC
 Bƣớc đầu khảo sát khả năng tái sinh vật liệu khi bổ sung thêm kim loại Đ ng
(Cu).

Đào Đức Cảnh

5


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

Chư ng 1 – TỔNG QUAN
Từ khi Terasaki và các cộng sự [31] tổng hợp thành công vật liệu cacbon mao quản
trung bình với cấu trúc lục lăng, đó là nhân tố tiên phong cho các nghiên cứu xung
quanh loại vật liệu nà . Vật liệu cacbon xốp có cấu trúc xác đ nh luôn là một trong
những lĩnh vực đƣợc quan tâm trong khoa học vật liệu, ngƣời ta không chỉ quan tâm
đến khoa học cơ bản của chúng, mà còn chú ý ứng dụng công nghệ hiện đại.

Hình 1.1. Cách hình thành OMCs từ SBA-15 [8]
Trong những năm gần đâ , một xu hƣớng nghiên cứu, tổng hợp và biến tính vật liệu
cacbon xốp mao quản trung bình ngà càng đƣợc quan tâm do tính độc đáo của loại
vật liệu nà nhƣ các mao quản sắp xếp trật tự, hệ thống mao quản đ ng đều, diện
tích bề mặt cao, độ xốp lớn, dung lƣợng hấp phụ cao. Hệ thống mao quản cacbon
xốp [17, 34] đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ lƣu trữ khí [24, 30], tách khí
[33], xúc tác [29, 32], tích trữ năng lƣợng điện [27], hoặc khử muối [18], tất cả kết

Phân loại vật liệu

Kích thước mao quản

Ví dụ

Mao quản nhỏ

< 2 nm

Zeolit

Mao quản trung bình

2-50 nm

M41S,
SBA-15, SBA-16

Mao quản lớn

>50 nm

Thủy tinh

Hình 1.2. Phân loại mao quản theo IUPAC
Vi mao quản (Micropore): kích thƣớc mao quản cỡ phân tử, bán kính hiệu
dụng nhỏ hơn 2 nm. Sự hấp phụ trong các mao quản nà xả ra theo cơ chế lấp đầ
thể tích, và không xả ra sự ngƣng tụ mao quản. Năng lƣợng hấp phụ trong các mao
quản nà lớn hơn rất nhiều so với mao quản trung bình ha bề mặt không xốp vì sự

+ Set pillar: Đâ là vật liệu sét tự nhiên có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Khoảng
cách giữa các lớp là 0-10Å, song do tính biến dạng của sét cao nên ngƣời ta có thể
chèn giữa các lớp (bằng kỹ thuật trao đổi ion) các kim loại vừa có tính chất xúc tác,
vừa có kích thƣớc đủ lớn để nới rộng khoảng cách giữa các lớp. Ví dụ nhƣ, từ sét
bentonit, ngƣời ta chế tạo các Me-pillar dạng Me-montmorillonit với khoảng cách
giữa lớp 15-20Å, (Me: Al, Zr, Ca, Cr, Ti, Fe..). Vật liệu nà có thời điểm là hi vọng
của nhiều nhà xúc tác, song do độ bền nhiệt và hoạt tính xúc tác vẫn thấp so với
eolit và đặc biệt không dễ dàng tạo ra vật liệu nano mao quản đ ng nhất nhƣ mong
đợi nên sét pillar vẫn chƣa trở thành các vật liệu xúc tác thƣơng mại quan trọng.
Đào Đức Cảnh

8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

Vào những năm cuối của thế kỷ trƣớc, các nhà khoa học của tập đoàn dầu mỏ
Mobil đã phát minh ra một họ vật liệu mới có kích thƣớc mao quản từ 2 đến 20 nm
bằng việc sử dụng chất hoạt động bề mặt nhƣ những chất đ nh hƣớng cấu trúc, kí
hiệu là M41S. Tù theo điều kiện tổng hợp nhƣ: bản chất của chất hoạt động bề
mặt, bản chất của chất phản ứng, nhiệt độ tổng hợp, giá tr pH mà kích thƣớc và cấu
trúc mao quản khác nhau đƣợc hình thành nhƣ: cấu trúc lục lăng (MCM-41), cấu
trúc lập phƣơng (MCM-48), cấu trúc lớp (MCM-50). Nga sau đó, đã có một sự bùng
nổ các công trình nghiên cứu tổng hợp, biến tính và tìm kiếm khả năng ứng dụng của
họ vật liệu này.
Năm 2000, nhóm của Zhao và cộng sự sử dụng các pol mer trung hòa điện nhƣ
những chất đ nh hƣớng cấu trúc để tổng hợp vật liệu SBA-15 [42]. Vật liệu này có
đƣờng kính mao quản đ ng đều với kích thƣớc lớn hơn 3 đến 4 lần kích thƣớc mao

nhau nhƣ Al-MCM-41, Ti, Fe-SBA-15…
- Vật liệu MQTB không chứa silic: là nhóm vật liệu chứa các oxit kim loại
Al, Ga, Sn, Pb, kim loại chuyển tiếp Ti, V, Fe, Mn, Zn, Hf, Nb, Ta và đất hiếm.
I.1.4. Giới thiệu một số vật liệu MQTB điển h nh
Vật liệu MCM-41 (cấu trúc lục lăng)
Năm 1999, các nhà nghiên cứu của công t dầu mỏ Mobil lần đầu tiên đã sử
dụng chất tạo cấu trúc tinh thể lỏng để tổng hợp một họ vật liệu râ phân tử mới
mao quản trung bình. MCM-41 là một trong những loại vật liệu đƣợc nghiên cứu
nhiều nhất. Chúng là vật liệu mao quản hình trụ có đƣờng kính từ 1,5 – 8 nm. Nhóm
không gian của MCM-41 là P6mm (hình 1.4a), thành mao quản là vô đ nh hình và
tƣơng đối mỏng (0,6-1,2 nm). Sự phân bố kích thƣớc lỗ là rất hẹp chỉ ra sự trật tự
cao của cấu trúc. Do mao quản chỉ bao g m mao quản trung bình mà không có vi
mao quản bên trong thành nên quá trình khuếch tán là một chiều qua hệ thống kênh
mao quản. Chúng có diện tích bề mặt riêng lớn (1000-1200m2/g). Hạn chế quan
trọng nhất của vật liệu nà là độ bền thủ nhiệt chƣa cao do thành khá mỏng và vô
đ nh hình [6].
Vật liệu SBA-16 (cấu trúc lập ph

ng)

+ KIT-5 : là silica mao quản trung bình với tính chất tƣơng tự nhƣ SBA-16.
Hệ thống mao quản của KIT- 5 là các mao trung bình có trật tự với dạng cấu trúc
lập phƣơng tâm mặt Fm3m. Giống nhƣ SBA-16, KIT-5 có thể đƣợc tổng hợp trong
hệ bậc 3 g m nƣớc, butanol và chất hoạt động bề mặt F127. Khác với SBA-16,

Đào Đức Cảnh

10



mao quản thứ cấp bên trong thành, bao g m vi mao quản và mao quản

Đào Đức Cảnh

11


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

trung bình nhỏ hơn. Kênh mao quản chính song song của SBA-15 đƣợc kết nối
với nhau qua các vi lỗ và mao quản trung bình nhỏ hơn trong thành mao quản [1]
(hình 1.4).

a)

b)

Hình 1.4. Mô hình mao quản sắp xếp theo dạng lục lăng (a) và vòng xoá (b)

Hình 1.5. Sự kết nối các kênh mao quản sơ cấp qua mao quản thứ cấp của SBA-15
I.2. Vật liệu cac on mao quản trung

nh trật tự (OMC)

I.2.1. Giới thiệu về vật liệu cac on mao quản trung

nh


CMK-1 và CMK-3 (cấu trúc lập phƣơng và lục lăng tƣơng ứng) bằng ngu n cacbon
hóa là đƣờng mía (sucrose) với khung là MCM-48 cấu trúc lập phƣơng và SBA-16
cấu trúc lục lăng. Phân bố đƣờng kính mao quản của CMK-1 g m vi mao quản
(microporous) từ 0,5 đến 0,8 nm và mao quản trung bình (mesoporous) gần 3 nm.

Đào Đức Cảnh

13


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

Hình 1.7. Đƣờng hấp phụ/giải hấp và phân bố mao quản của vật liệu cacbon với hệ
thống vi mao quản và mao quản trung bình.
Kai và cộng sự [11] tổng hợp vật liệu cácbon mao quản trung bình với hỗn
hợp composit của MCM-48 silica/chất hoạt động bề mặt nhƣ là chất tạo cấu trúc.
I.2.2. Ứng dụng của vật liệu cac on mao quản trung

nh

Vật liệu cacbon mao quản trung bình đã thu hút sự quan tâm rất lớn ở các ứng
dụng nhƣ: làm siêu tụ điện, pin lithium-ion và các tế bào nhiên liệu, chất xúc tác,
chất mang xúc tác, lƣu trữ hidro, chất hấp phụ... do những tính chất đặc biệt của vật
liệu cacbon mao quản trung bình nhƣ: diện tích bề mặt riêng và độ xốp lớn, hóa tính
cao và ổn đ nh nhiệt [4, 7, 10, 18, 20, 26].
I.2.2.1. Siêu tụ điện, pin Lithium-ion và c c tế ào nhiên liệu
Vật liệu cacbon mao quản trung bình đƣợc dùng làm điện cực mới cho siêu tụ
điện do diện tích bề mặt cao OMC cung cấp một không gian lớn bên trong các mao

hoạt tính ban đầu của nó sau ít nhất 5 chu kỳ xúc tác liên tục [40].
Vật liệu cacbon mao quản trung bình chứa hạt Fe hoặc lƣỡng kim loại MnRh (Mn đƣợc dùng làm chất trợ xúc tác cho pha hoạt động chính là Rh) trong quá
trình tổng hợp ethanol từ khí tổng hợp (CO và H2) [35].
Vật liệu cacbon mao quản trung bình chứa kim loại Cu đƣợc chú ý nhiều với nhiều
ứng dụng nhƣ để khử NO, làm sensơ sinh học, làm xúc tác h dro hóa[45],..trong
khuôn khổ luận án nà thi nghiên cứu việc thêm đ ng vào OMC nhằm nghiên cứu
khả năng tái sinh của vật liệu OMC.
I.2.2.3. Lưu trữ hidro
Do cấu trúc rỗng xốp và đƣờng kính cỡ nano mét nên vật liệu có thể tích trữ
chất lỏng hoặc khí trong khung màng trơ thông qua hiệu ứng mao dẫn. Hấp phụ
theo cách nà gọi là hấp phụ vật lý. Hấp phụ vật lý hidro trong vật liệu xốp cacbon
Đào Đức Cảnh

15


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

là phƣơng pháp tối ƣu nhất để lƣu trữ hidro do động học và khả năng hoàn ngu ên
nhanh và lực hấp phụ cao, chi phí thấp hơn so với các phƣơng pháp khác (nén
hidro, hidro hóa lỏng ha hấp phụ hóa học dƣới dạng các hidrua kim loại). Để tăng
hiệu suất hấp phụ hidro, ngƣời ta có thể tha thế một số ngu ên tử cacbon bằng các
ngu ên tố nhƣ Bo, N, P hoặc pha kim loại quý nhƣ Paladi, bạch kim trên cacbon
xốp làm tăng quá trình vận chu ển hidro hoạt động từ hạt nano kim loại lên trên bề
mặt liền kề của vật liệu thông qua sự lan tỏa và khuếch tán bề mặt, quá trình nà gọi
là sự lan tỏa hidro [5, 23, 39].
I.2.2.4. Hấp phụ c c phân tử hữu c có kích thước phân tử lớn
OMC đƣợc sử dụng làm chất hấp phụ các phân tử c ng kềnh nhƣ phân tử hữu

cation [15,16, 22, 36, 41].
I.2.3. Phư ng ph p tổng hợp vật liệu cac on mao quản trung

nh

Đầu năm 1992, các nhà khoa học thuộc tâp đoàn dầu mỏ Mobil đã tổng hợp
đƣợc họ silic mao quản trung bình kí hiệu là M41S, hình thành phƣơng pháp mới
“Khuôn mẫu mềm-soft-templating method”. Trong đó, sử dụng các phân tử hữu cơ
là chất tạo cấu trúc tinh thể lỏng nhằm cung cấp không gian cho việc hình thành vật
liệu silic mao quản trung bình [2, 13, 14, 21].
Năm 2001, Ryoo và các cộng sự tha vì sử dụng các chất hoạt động bề mặt là
phân tử hữu cơ để tạo cấu trúc tinh thể lỏng thì vật liệu silic mao quản trung bình có
trật tự cao đƣợc sử dụng nhƣ khuôn mẫu cứng gọi là phƣơng pháp “khuôn mẫu
cứng-hard template method ” [26, 37].
I.2.3.1. Phư ng ph p khu n m u mềm
Cơ chế đ nh hƣớng theo tinh thể lỏng (Liquid Cr stal Templating) đƣợc các
nhà khoa học của tập đoàn dầu mỏ Mobil đƣa ra để giải thích sự hình thành họ vật
liệu silic mao quản trung bình M41S.
Theo hƣớng (a), Trong dung d ch các chất hoạt động bề mặt(HĐBM) tự sắp
xếp thành các pha tinh thể nhƣ các ống mixen, đầu ƣa nƣớc của phân tử chất hƣớng
ra ngoài tạo thành ống, đuôi mạch h drocacbon dài kỵ nƣớc hƣớng vào trong.
Những mixen ống nà đóng vai trò chất tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tinh
thể dạng lục lăng.
Sau khi thêm tiền chất silic vào dung d ch, các phần tử chứa silic tƣơng tác với các
đầu ƣa nƣớc của phân tử chất HĐBM thông qua các tƣơng tác tĩnh điện (S-I+, S+Itrong đó S là chất HĐBM, I là tiền chất vô cơ) hoặc tƣơng tác h dro SoIo và hình
thành nên lớp màng silicat xung quanh ống mixen ống. Sau quá trình pol mer hóa
ngƣng tụ silicat sẽ tạo nên tƣờng vô đ nh hình của vật liệu ox t silic MQTB.

Đào Đức Cảnh



Đào Đức Cảnh

18


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

trơ về mặt hóa học - một êu cầu để ch u đƣợc giai đoạn xử lý axit mạnh
trong bƣớc loại bỏ mẫu.
I.2.3.2. Phư ng ph p khu n m u cứng
 Ngu ên liệu tổng hợp:
 Chất tạo cấu trúc: là vật liệu rắn xốp với hệ thống mao quản trung bình cứng
nhắc, kích thƣớc mao quản trung bình, sắp xếp trật tự nhƣ MCM-41, MCM50, SBA-15…
 Tiền chất cacbon (ngu n cacbon) đƣợc sử dụng có thể là: saccarozơ, rƣợu
furfur l, nhựa phenol, pol divin l ben en, acrylonitrile, pyrrole và
polystyrene,..
 Chất xúc tác của quá trình cacbon hóa là H2SO4 và dung môi là H2O.
 Ngu ên tắc tổng hợp:

Hình 1.9. Mô tả phƣơng pháp khuôn mẫu cứng
 Giai đoạn 1: Cacbon hóa
Đầu tiên, sự xâm nhập của các tiền chất cacbon (ngu n cacbon) vào bên trong
hệ thống mao quản của chất tạo cấu trúc, dẫn đến sự tạo thành hỗn hợp silic-cacbon.
Hỗn hợp đƣợc sấ ở 100oC trong 6 giờ, tiếp tục tăng nhiệt độ lên 160oC trong 6 giờ
tiếp theo.
 Giai đoạn 2: Than hóa (hoạt hóa)
Hỗn hợp trên đƣợc than hóa trong dòng khí nitơ ở 600-900oC trong 6 giờ tạo

những vùng bất thƣờng với những vết gấp, khe nứt… không đ ng nhất hình học.
Những vùng nà thƣờng t n tại những trƣờng lực dƣ. Đặc biệt, các nguyên tử bề
mặt của chất rắn có thể hấp dẫn các nguyên tử hay phân tử trong pha khí hay pha
lỏng ở môi trƣờng xung quanh. Tƣơng tự nhƣ thế, bề mặt của tinh thể hoàn thiện
cũng t n tại những trƣờng lực không đ ng nhất do cấu trúc nguyên tử trong tinh thể.
Những bề mặt nhƣ thế t n tại những trung tâm hay tâm hoạt tính có khả năng hấp
phụ cao.

Đào Đức Cảnh

20


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

Rõ ràng, chất hấp phụ có bề mặt càng phát triển thì khả năng hấp phụ càng tốt.
Với chất hấp phụ có bề mặt càng phân cực thì khả năng hấp phụ các chất phân cực
tốt hơn trong trƣờng hợp chất đó có bề mặt kém phân cực. Để có thể so sánh khả
năng hấp phụ giữa các chất ngƣời ta sử dụng khái niệm bề mặt riêng, đó là diện tích
bề mặt của chất hấp phụ tính cho một gam chất hấp phụ (m2/g). Ví dụ: bề mặt riêng
của silicagel có thể từ 200-700 m2/g, zeolit từ 500-800 m2/g…
Trong hấp phụ, các phân tử (nguyên tử hoặc ion) của chất b hấp phụ liên kết
với bề mặt chất hấp phụ bằng các lực tƣơng tác khác nhau. Tuỳ thuộc vào kiểu lực
hấp phụ, ngƣời ta chia thành 2 dạng hấp phụ sau: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá
học.
I.3.2. Phân loại c c dạng hấp phụ
I.3.2.1. Hấp phụ vật lý (HPVL)
Sự hấp phụ vật lý do các lực Van der Walls tƣơng tác giữa các phân tử (hoặc các

liên kết hoá học) so với trong HPVL. Theo những công trình nghiên cứu đầu tiên
của Langmuir, các phân tử b hấp phụ và đƣợc giữ lại trên bề mặt bằng lực hoá tr
giống nhƣ loại lực tƣơng tác xẩy ra giữa các nguyên tử trong phân tử.
Có hai loại HPHH: HPHH hoạt động (Activated chemisorption) và ít phổ biến
hơn là HPHH không hoạt động (Nonactivated chemisorption). Trong HPHH hoạt
động, tốc độ biến đổi theo nhiệt độ với năng lƣợng hoạt hoá tuân theo phƣơng trình
Arrhenius. Tuy nhiên trong một vài hệ, hấp phụ hoá học xảy ra vô cùng nhanh, nên giả
thiết rằng năng lƣợng hoạt hoá bằng không, trƣờng hợp này gọi là HPHH không hoạt
động. Loại hấp phụ nà thƣờng đƣợc tìm thấy trong quá trình hấp phụ pha khí và rắn ở
giai đoạn đầu của quá trình, trong khi đó giai đoạn sau thì chậm và phụ thuộc vào nhiệt
độ (HPHH hoạt động).

L-îng chÊt bÞ hÊp phô

C©n b»ng HPHH ho¹t ®éng

C©n b»ng HPVL

NhiÖt ®é

Hình 1.10. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên HPVL và HPHH hoạt động.

Đào Đức Cảnh

22


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hóa học

2014

Hấp phụ vật lý

Hấp phụ hóa học

Chất hấp phụ

Tất cả vật rắn

Chất b hấp phụ

Tất cả các chất khí dƣới nhiệt Một vài chất khí hoạt tính hoá

Khoảng nhiệt độ

Một vài loại vật rắn

độ tới hạn

học, chất lỏng.

Nhiệt độ thấp

Thông thƣờng nhiệt độ cao hơn
HPVL

Thấp (khoảng 20 kJ/mol và Khá lớn, khoảng từ 40÷80
Nhiệt hấp phụ

~ΔHconst), thƣờng gần bằng kJ/mol, gần bằng nhiệt của
nhiệt hoá hỏng ha ba hơi của phản ứng hoá học

đổi (lực van der Walls)

hấp phụ O2 trên kim loại

Không có sự chọn lọc, tất cả bề Có tính chọn lọc cao, phụ thuộc
Sự chọn lọc hấp phụ

mặt rắn đều có khả năng hấp vào tính chất bề mặt của xúc
phụ.

Ý nghĩa

tác và tính chất chất b hấp phụ.

Xác đ nh tính chất bề mặt, độ Xác đ nh tâm xúc tác và đánh
“xốp” (rỗng)

giá động học phản ứng bề mặt.

I.3.3.1. Sự hấp phụ trong m i trường nước
Vật liệu cacbon có tính hấp phụ đƣợc phát hiện sớm và sử dụng phổ biến nhất
là than hoạt tính. Tuy nhiên, cấu trúc của than hoạt tính chủ yếu là vi mao quản (
Đào Đức Cảnh

25