Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI Chương 5: Quá trình hấp phụ ADSORPTION Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nguyen.com Chương 5: Quá trình hấp phụ 1. Các khái niệm chung - Hấp phụ là quá trình hút các chất lên bề mặt các vật liệu nhờ các ái lực trên bề mặt - Các vật liệu được gọi là chất hấp phụ (adsorbent) - Chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate) Chương 5: Quá trình hấp phụ 1. Các khái niệm chung - Trong trường hợp chất bị hấp phụ ở pha khí, hấp phụ có tác dụng tương tự như hấp thụ. Tuy nhiên, hấp thụ là quá trình hút và hoà tan vào lòng chất lỏng, còn hấp phụ thì chỉ hút lên bề mặt Chương 5: Quá trình hấp phụ 1.
Các khái niệm chung - Trong trường hợp chất bị hấp phụ ở pha khí, hấp phụ có tác dụng tương tự như hấp thụ. Tuy nhiên, hấp thụ là quá trình hút và hoà tan vào lòng chất lỏng, còn hấp phụ thì chỉ hút lên bề mặt Chương 5: Quá trình hấp phụ 1. Các khái niệm chung ứng dụng của hấp phụ - Tách triệt để các chất khí có hàm lượng thấp - Tảy màu, tảy mùi các dung dịch - Hấp phụ các chất độc hại trong nước và khí thải - Tách các đồng phân parafin, tách nhiều chất lỏng hữu cơ phân tử thấp thay cho quá trình chưng luyện trong những trường hợp khó khăn (tháp rất cao , tốn kém), tách không khí thành hai phần: 1 phần giàu oxy (95%) và 1 phần giàu N2 (99%) - Chất hấp phụ còn giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất chất xúc tác Chương 5: Quá trình hấp phụ 1. Các khái niệm chung Đặc điểm của quá trình hấp phụ - Hấp phụ xảy ra do trường lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt: - Mạnh nhất là các lực hoá trị, gây nên hấp phụ hoá học, tạo ra các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả hoặc phá phân tử thành các nguyên tử hoặc gốc - Lực hấp phụ do lực hút phân tử Vanderwalls tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt gọi là hấp phụ vật lý - Mỗi phân tử bị hấp phụ (dù ở pha khí hay lỏng) đều giảm độ tự do.
Nên hấp phụ luôn kèm theo sự toả nhiệt. - Nhiệt hấp phụ vật lý của một chất khí cỡ bằng nhiệt ngưng tụ. - Nhiệt hấp phụ hoá học có thể bằng nhiệt phản ứng - Trong quá trình hấp phụ việc tách nhiệt luôn được đặt ra. - Quá trình chuyển chất trong hấp phụ được xem như gồm 3 giai đoạn: - Khuếch tán từ môi trường lỏng đến bề mặt hạt chất hấp phụ, phụ thuộc tính chất vật lý và thuỷ động lực của chất lỏng - Khuếch tán theo các pore đến bề mặt - Tương tác hấp phụ - Hai giai đoạn sau phụ thuộc vào các tính chất và cấu trúc chất hấp phụ.
Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Cấu trúc xốp của chất hấp phụ Các chất hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản sau: - Có bề mặt riêng lớn - Có các pores đủ lớn để các phân tử hấp phụ đến được bề mặt , nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử không muốn hấp phụ - Có thể hoàn nguyên dễ dàng. - Năng lực hấp phụ không giảm nhanh theo thời gian, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc hiệu quả. - Đủ bền cơ để chịu được rung động và các tác động trong nhiều công đoạn của mỗi chu trình.
Những yêu cầu trên chứng tỏ chất hấp phụ không những phải có bề mặt riêng lớn mà còn cần có một số tính chất khác về cấu trúc Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Cấu trúc xốp của chất hấp phụ Macropore: kích thước lớn hơn 1000 - 2000Ao. Các mao quản này chỉ tạo ra 0,5- 2 m2/g bề mặt nhưng đã tạo ra hệ thống vận tải chất rất tốt, làm tăng tốc độ hấp phụ Medopore: kích thước từ 15Ao đến 1000Ao, cực đại đến 2000Ao. Loại này chiếm nhiều nhất, tạo ra phần chính bề mặt hấp phụ.
Trong các pore loại này diễn ra cả hấp phụ và ngưng tụ mao quản. Micropore: kích thước từ 5-10 Ao, cực đại 15 Ao. Loại này như là không gian giữa các phân tử, chưa hình thành dạng hình học của mao quản. Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.
Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính Than hoạt tính được chế từ các nguyên liệu giàu carbon như than bùn, than đá, các thực vật (gỗ, mùn cưa , bã mía ,.), xương động vật. Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn chính: than hoá và hoạt hoá: - Than hoá nhờ quá trình nhiệt phân, nhằm giải phóng carbon khỏi các liên kết với các nguyên tử khác và các liên kết bền trước đây giữa chúng, loại các nguyên tố khác đồng thời nâng cao hàm lượng carbon. Quá trình nhiệt phân các vật liệu thực vật kết thúc ở 400 - 4500C trong điều kiện không có chất oxy hoá Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.
Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính - Trong giai đoạn thứ hai, than được oxy hoá chọn lọc ở 800 - 10000C trong môi trường chứa hơi nước hoặc khí CO2, xảy ra các phản ứng: Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính - Trong giai đoạn thứ hai, than được oxy hoá chọn lọc ở 800 - 10000C trong môi trường chứa hơi nước hoặc khí CO2, xảy ra các phản ứng: C + CO2 → 2CO Hoặc khi dùng hơi nước: C + H2O → CO + H2 Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính - Các phản ứng trên (đốt cháy một phần than đá) đã tạo nên độ xốp với bề mặt chứa các nhóm chức hoạt động và rất lớn, từ 600 đến 1700m2/g - Cấu trúc xốp và độ hoạt động phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ hoạt hoá - Có nhiều loại với phạm vi sử dụng rất khác nhau: - Loại giàu pore nhỏ (phần bề mặt ứng với pore nhỏ nhiều) dùng tốt cho hấp phụ khí, kém hiệu quả khi dùng hấp phụ các chất hữu cơ - Than hoạt tính dùng hấp phụ trong dung dịch cần giàu medopore Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính - Than hoạt tính thường được dùng ở hai dạng: - Dạng bột thường dùng khi năng suất nhỏ, đem trộn vào dung dịch cần hấp phụ sau đó lọc - Dạng viên (có thể ép bột lại) thuận lợi cho việc hoàn nguyên than và dùng lại nên hay sử dụng cho các hệ thống có năng suất lớn Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.
Các chất hấp phụ công nghiệp Than hoạt tính Than hoạt tính có khối lượng riêng thực 1,75 – 2,1 g/cm3; khối lượng riêng xốp khoảng 0,1 - 1 g/cm3, khối lượng riêng đống khoảng 0,2 - 0,6 g/cm3. Được dùng rất sớm và rộng rãi nhờ hoạt tính lớn và tính chọn lọc. Nhược điểm lớn nhất của nó chỉ là dễ cháy (thậm chí với 1 hàm lượng thích hợp có thể gây nổ). Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.
Các chất hấp phụ công nghiệp Silicagel Chế tạo silicagel có thể theo nguyên tắc sau : + Tạo thành H2SiO3 bằng cách tác dụng muối silicat, như Na2SiO3 với axit mạnh. H2SiO3 kết tủa dưới dạng keo polymer tổ hợp từ các hạt rất nhỏ, chứa rất nhiều nước. + Sấy ở 120 - 1500C làm hết nước tự do, còn độ ẩm 5 - 7% , giải phóng không gian giữa các vi hạt, hình thành các pore với bề mặt riêng phát triển , cỡ 300 - 750 m2/g. Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.
Các chất hấp phụ công nghiệp Silicagel - Silicagel là chất hấp phụ mà bề mặt ưa nước - Nó hấp phụ tốt nước và nhiều chất có cực - ứng dụng lớn nhất để tách nước trong không khí và các khí công nghiệp khác, tách nước trong các chất lỏng ít tan trong nước, tách các chất hữu cơ từ dung dịch (dùng trong sắc ký , công nghiệp dầu mỏ , dược phẩm ,. - Silicagel bền cơ học ở nhiệt độ cao - Các tính chất hấp phụ không thay đổi xấu khi silicagel được gia công nhiệt ở t > 5000C - Thường chúng có kích thước 0,2 - 7 mm , khối lượng riêng thực 2,1 – 2,3 g/cm3 , khối lượng riêng xốp 0,4 - 1,7 g/cm3 , khối lượng riêng đông 0,1 - 0,8 g/cm3 Chương 5: Quá trình hấp phụ 2. Các chất hấp phụ công nghiệp Nhựa xốp hấp phụ - Việc tách các chất hữu cơ phân tử thấp chứa các nhóm chức clor , amin , fenol , .và rất nhiều chất khác ra khỏi dung dịch có thể dựa vào các chất dẻo xốp ra đời cách đây không lâu - Đó là các chất hấp phụ từ các polymer được tổng hợp nhân tạo như styren divinyl benzen polymer, copolymer, fenolformaldehyd - amin ,. - Nhựa xốp hấp phụ là các vật liệu bề mặt kỵ nước , không có cực hoặc có cực yếu, trương nhẹ trong các dung môi hữu cơ, ái lực hấp phụ chủ yếu như lực Vanderwall - Loại kích thước (trung bình) của pore lớn như loại XAD - 8 với dtb = 250 A0, có bề mặt riêng chỉ 140 m2/g - Loại kích thước (trung bình) của pore nhỏ như XAD - 4 , có dtb = 50A0 , với bề mặt riêng lớn đến 750 m2/g Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.
Các chất hấp phụ công nghiệp Zeolite - Là dạng khoáng từ Aluminosilicat (khoáng tự nhiên, hoặc được tổng hợp) - Zêolit được gọi là "sàng phân tử" , nghĩa là tách được các chất dựa vào sự khác nhau về kích thước phân tử nhờ mạng tinh thể tạo ra cấu trúc giông như các "lồng”, trên đó có các "cửa sổ” với kích thước nhất định chỉ cho phép qua những phân tử nhỏ hơn - Những nguồn khoáng khác nhau cùng những điều kiện chế tác khác nhau đã cho ra hàng loạt sàng phân tử với kích thước cửa sổ khác nhau từ 3A0 - 10A0 - Các thương phẩm Zêolit dưới dạng viên tạo ra do trộn thêm đất sét làm chất kết dính - Trong các viên cũng thêm các pore giữa các tinh thể Zêolit và giữa các chất kết dính, làm tăng thêm bề mặt hấp phụ nhưng cũng tăng trở lực khuếch tán Chương 5: Quá trình hấp phụ 2.