CHƢƠNG 1 : MỞ ĐẦU
2.2.2. Phƣơng pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolites
2.2.2.2. Quá trình hấp phụ
a) Các định nghĩa về hấp phụ
Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt. Các vật liệu xốp đƣợc gọi là chất hấp phụ, chất bị hút đƣợc gọi là chất bị hấp phụ.
Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và ở gần sát bề mặt trong các mao quản. + Hấp phụ hóa học: Lực hấp phụ mạnh nhất là lực hóa trị gây lên hấp phụ hóa học, tạo lên các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả hấp phụ hoặc chuyển các phân tử thành các nguyên tử.
+ Hấp phụ vật lý: Lực hấp phụ là lực vật lý Vanderwall tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt.
Một hiện tƣợng thƣờng xảy ra trong bề mặt khí – rắn là pha khí ngƣng tụ thành chất lỏng trong mao quản nhỏ, điều này xảy ra dƣới tác dụng của lực mao quản.
Mỗi phân tử đã bị hấp phụ (dù dạng khí hay lỏng) đều giảm độ tự do, do đó quá trình hấp phụ ln kèm theo sự tỏa nhiệt.
+ Hấp phụ vật lý: Nhiệt hấp phụ nhỏ.
+ Hấp phụ hóa học: Nhiệt hấp phụ lớn hơn, có thể bằng nhiệt phản ứng. Do sự tỏa nhiệt, trong q trình hấp phụ vấn đề tách nhiệt ln đƣợc đề ra.
Động học của quá trình hấp phụ:
Quá trình hấp phụ từ pha lỏng hoặc pha khí lên bề mặt xốp của chất hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
+ Chuyển chất từ lịng pha lỏng đến bề mặt ngồi của hạt chất hấp phụ + Khuyếch tán vào các mao quản của hạt.
+ Hấp phụ: Quá trình hấp phụ làm bão hịa dần từng phần khơng gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, kèm theo sự tỏa nhiệt.
- Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ: + Có bề mặt riêng lớn.
+ Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt, nhƣng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc.
+ Có thể hồn ngun dễ dàng.
+ Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc. + Đủ bền cơ để chịu đƣợc rung động và va đập.
Sự thay đổi nồng độ trong pha rắn và pha khí theo thời gian và chiều cao lớp chất hấp phụ.
Biểu diễn sơ đồ sự thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ theo chiều cao của lớp chất hấp phụ và theo thời gian khi hấp phụ gián đoạn có lớp hấp phụ đứng yên nhƣ sau:
Hình 2.9: Sơ đồ của quá trình và trƣờng nồng độ trong lớp chất hấp phụ đứng yên Trong đó: Trong đó:
Y1: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí đi vào thiết bị, kg khí bị hấp phụ/kg khí trơ.
Yc: Nồng độ tối thiểu của chất khí mà ta có thể tách đƣợc, kg chất bị hấp phụ/kg khí trơ.
Xc: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn, Tƣơng ứng với Yc, kg chất bị hấp phụ/kg chất hấp phụ.
Xbh: Nồng độ bão hoà của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg chất bị hấp phụ/kg chất hất phụ.
Quá trình làm việc nhƣ sau:
+ Hỗn hợp khí có nồng độ Yd đi vào thiết bị. Trƣớc khi làm việc chất hấp phụ trong thiết bị đã có nồng độ X ≤ Xc. Sau thời gian hấp phụ nồng độ chất hấp phụ ở mặt cắt a - a đạt đƣợc X1, còn ở độ cao H1 thì đạt đƣợc nồng độ Xc. Trong thời gian đó nồng độ khí thay đổi từ Yd đến Yc.
Thời gian để chất hấp phụ ở mặt cắt a – a đạt đƣợc nồng độ bão hồ là bh, khi đó nồng độ đạt tới giá trị Yc và chất hấp phụ đạt tới Xc tƣơng ứng với độ cao Hbh.
Trƣớc thời điểm bh các đƣờng cong biểu diễn U = f(H) và K = f(H) thay đổi liên tục theo chiều cao.
Ở thời điểm bh trong lớp hấp phụ thực tế đã tạo thành những mặt đồng nồng độ, chúng dịch chuyển lên với vận tốc không đổi khi tăng thời gian hấp phụ.
Ở một thời điểm nhất định chỉ có một lớp chất hấp phụ làm việc, lớp này nằm giữa hai mặt phẳng có nồng độ Xc và Xbh.