Chất hấp phụ

Chất hấp phụ là một chất rắn được sử dụng để thu giữ các phân tử chất tan từ chất lỏng hoặc khí. Chất hấp phụ là vật liệu xốp liên kết các phân tử chất lỏng hoặc khí với bề mặt của chúng.

Các vật liệu xốp theo cấu trúc của chúng được chia thành hai nhóm chính: dạng hạt và xốp. Vật liệu nhóm thứ nhất được cấu thành từ các hạt có cùng hình dạng, phần lớn ở dạng xếp chặt không trật tự. Độ cứng của vật liệu được tạo nên bởi lực liên kết vật lý hoặc hóa học giữa các hạt. Phần lớn cấu trúc bền vững được hình thành khi các hạt mọc xen lẫn nhau do quá trình khuếch tán bề mặt hoặc thể tích hoặc do lắng đọng của vật liệu từ pha khác tại điểm tiếp xúc của các hạt. Kích thước và hình dạng của vật liệu này phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và mật độ xếp chặt của các hạt. Các hạt càng to và xếp càng xốp, kích thước lỗ xốp càng lớn. Các hạt vô định hình thường có dạng hình cầu. Các hạt tinh thể có hình dạng rất khác nhau phụ thuộc vào kết cấu tinh thể và khuyết tật cấu trúc. Vật liệu cấu trúc xốp có lỗ xốp dạng kênh, hốc hoặc khoang rỗng trong vật liệu rắn đặc. Phần lớn cấu trúc này có kết cấu tổ ong, trong đó các tổ ong rỗng liên kết với nhau bằng các họng liên thông hẹp (lỗ xốp hình chai). Mỗi lỗ xốp trong cấu trúc này có một hay vài họng nối vào các lỗ xốp xung quanh. Cấu trúc xốp tạo thành nhờ sự tương tác hóa học của các tác chất với vật liệu rắn không xốp. Khi loại bỏ chọn lọc một phần tác chất này, lỗ xốp trong vật liệu được tạo thành. Thí dụ, hoạt hóa carbon trong môi trường oxi hóa ở nhiệt độ thấp hơn 1300 K một phần carbon bị cháy và tạo thành hệ thống lỗ xốp phân nhánh. Xử lý thủy tinh natri-borosilicat bằng axit sẽ loại bỏ nguyên tố natribor và còn lại các đảo oxit silic liên thông bằng các lỗ xốp hình chai. Tương tự điều chế nickel Renea bằng cách khử kiềm oxit nhôm trong hợp kim nickel-nhôm. Các hạt ban đầu có thể tạo thành các hạt thứ cấp có kích thước hạt lớn hơn.

Để chọn chất hấp phụ trước tiên xem xét chúng có phù hợp cho đặc điểm của quá trình hấp phụ. Sự hấp phụ liên quan chặt chẽ với các tính chất của chất hấp phụ như: hình dạng, độ xốp, diện tích bề mặt, độ phân cực, năng lượng bề mặt và số lượng tâm hấp phụ. Trong đó, sự ảnh hưởng của độ xốp lên sự hấp phụ được nghiên cứu nhiều nhất. Các chất hấp phụ có diện tích bề mặt riêng lớn thường là vật liệu xốp. Đối với sự hấp phụ kích thước lỗ xốp, thể tích trung bình của lỗ xốp và hình dạng lỗ xốp là yếu tố quan trọng. IUPAC chia lỗ xốp dựa vào chiều rộng của nó thành các nhóm: đại xốp (macropore) (> 50 nm); xốp trung bình (mesopore) (2-50 nm) và vi xốp (micropore) (< 2 nm). Các chất hấp phụ thương mại thường là vật liệu vi mao quản (micropore), có phân bố lỗ xốp xác định.

Để lựa chọn chất hấp phụ có khả năng hấp phụ cao, cần có những thông tin về chất bị hấp phụ như: độ hòa tan, nghĩa là tính ưa nước hay kị nước; bản chất của chất bị hấp phụ, như tính axit, base hay lưỡng tính; kích thước của chất bị hấp phụ; hoạt tính của hợp chất với dung môi hoặc chất hấp phụ; hoạt tính hóa học của chất bị hấp phụ với chất kết dính. Một chất hấp phụ lý tưởng cần đáp ứng các yêu cầu sau: không hòa tan trong pha động, trơ với chất tan, kích thước hạt phù hợp để dễ tách. Các chất hấp phụ phải đồng thời vừa có khả năng hấp phụ cao vừa dễ giải hấp để tái sử dụng.

Hầu hết các chất hấp phụ công nghiệp thuộc một trong ba loại: 1) Các hợp chất chứa oxy - thường ưa nước và phân cực, như silica gel và zeolite; 2) Các hợp chất dựa trên carbon - thường là kỵ nước và không phân cực, như than hoạt tính và than chì; 3) Các hợp chất trên cơ sở polymer - phân cực hoặc không phân cực, tùy thuộc vào các nhóm chức trong ma trận polymer. Có ba nhóm chất hấp phụ: vô cơ, tổng hợp và composite (là kết hợp của hai loại trên). Chất hấp phụ vô cơ thường không đặc trưng, có khả năng hấp phụ thấp và khó hoàn nguyên (than hoạt tính, silica, calcium phosphate). Chất hấp phụ tổng hợp thường chứa các mạch polymer liên kết ngang. Chất hấp phụ composite kết hợp được các tính chất bền cơ học của chất hấp phụ vô cơ với khả năng hấp phụ cao của chất hấp phụ polymer.

Chất hấp phụ thường được sử dụng ở dạng viên, hình que, dạng khuôn hoặc khối có bán kính thủy lực trong khoảng 0,25 đến 5 mm. Chúng phải có khả năng chống mài mòn cao, ổn định nhiệt cao và đường kính lỗ xốp nhỏ, dẫn đến diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và do đó khả năng hấp phụ cao. Các chất hấp phụ cũng phải có cấu trúc lỗ xốp đặc biệt cho phép vận chuyển nhanh các khí.

Một số chất hấp phụ thường được sử dụng: than hoạt tính là một chất hấp phụ tốt vì có diện tích bề mặt rất lớn. Mặc dù số lượng ion/nguyên tử/phân tử hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt than hoạt tính không cao, nhưng do diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng rất lớn, nên đại lượng hấp phụ trên một đơn vị khối lượng lớn. Silica gel là dạng SiO₂ vô định hình, không độc, phân cực và ổn định nhiệt (< 400°C hoặc 750°F). Nó được điều chế bằng phản ứng giữa natri silicat và axit axetic, sau đó được xử lý khác nhau dẫn đến sự phân bố kích thước lỗ xốp khác nhau. Silica được sử dụng để làm khan khí công nghệ (như oxy, khí thiên nhiên) và hấp phụ hydrocarbon nặng phân cực từ khí thiên nhiên. Zeolit là aluminosilicat tinh thể tự nhiên hoặc tổng hợp, có mạng lưới lỗ xốp đều và phân cực, diện tích bề mặt cao, được ứng dụng trong làm khan không khí công nghệ, loại bỏ CO₂ khỏi khí thiên nhiên, loại bỏ CO khỏi khí reforming, tách không khí, xúc tác cho các quá trình cracking xúc tác và reforming xúc tác.

Tài liệu tham khảo

• Г. К Боресков, Гетерогенный катализ, Изд. “Наука”, Moskva, 1988, c.76

• "Absorption (chemistry)". Memidex (WordNet) Dictionary/Thesaurus. Retrieved 2010-11-02.

• Foo, K. Y.; Hameed, B. H. (2010). "Insights into the modeling of adsorption isotherm systems". Chemical Engineering Journal. 156 (1): pp.2–10.