Hấp thụ

1.    Khái niệm hấp phụ

Hấp phụ là quá trình hút khí (hơi) hay chất lỏng bằng bề mặt chất rắn xốp. Chất khí hay hơi bị hút gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ.

Tùy theo đặc trưng của quá trình mà chúng ta phân biệt các loại hấp phụ sau đây:

Hấp phụ hoá học là hấp phụ có kèm theo phản ứng hoá học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

Trong phạm vi giáo trình này chúng ta không xét đến hấp phụ hoá học.

Hấp phụ không kèm theo phản ứng hoá học bao gồm hấp phụ lý học và hấp phụ kích động.

Hấp phụ lý học có những đặc điểm sau:

Lực hấp phụ là lực Vandecvan, tức là lực kéo tương hỗ giữa các phân tử. Vì thế hấp phụ lý học còn được gọi là hấp phụ Vandecvan; Quá trình là thuận nghịch hoàn toàn, cân bằng đạt tức thời; Nhiệt tỏa ra không đáng kể; Có thể là hấp phụ một lớp hay hấp phụ nhiều lớp.

Hấp phụ kích động có những đặc điểm sau:

Tạo thành hợp chất đặc biệt trên bề mặt chất hấp phụ gọi là hợp chất bề mặt; Quá trình xảy ra rất chậm, để đạt được cân bằng phải có thời gian lâu có khi cần đến hành ngày; Cần kích thích để tăng tốc độ (ánh sáng, nhiệt); Tỏa nhiệt lớn tương đương với nhiệt phản ứng; Rất khó nhả;

Ngoài các loại hấp phụ trên còn có ngưng tụ mao quản. Trong trường hợp này hơi ngưng tụ vào các lỗ nhỏ của chất hấp phụ xốp.

Chú ý rằng trong thực tế tất cả các loại hấp phụ trên đều có thể xảy ra đồng thời, nhưng tuỳ điều kiện thực tế mà loại này hay loại khác chiếm ưu thế hơn.

Qúa trình hấp phụ được ứng dụng để:

Làm sạch và sấy khí. Khi làm sạch và sấy khí thường chất bị hấp phụ thường không có giá trị. Ví dụ làm sạch amoniac trước khi oxy hoá, làm sạch H2 trước khi hyđrôhoá, làm sạch không khí trong bộ phận chống khí độc, làm sạch không khí để khử mùi. Tách những hỗn hợp khí hay hơi thành những cấu tử. Khi tách các hỗn hợp thì chất bị hấp phụ thường là chất quý. Muốn thu được các khí đó thì sau khi hấp phụ ta phải tiến hành qúa trình nhả và tiếp theo là ngưng tụ. Ví dụ như thu hồi dung môi dể bay hơi, lấy hơn xăng ra khỏi khí tự nhiên, tách hỗn hợp cacbuahyđrô từ các chất riêng biệt. Tiến hành quá trình xúc tác không đồng thề trên bề mặt phân chia ph. Trong trường hợp này chất hấp phụ là chất xúc tác. Ví dụ qúa trình oxy hóa NH3 thành oxytnitơ trên bề mặt bạch kim, oxy hóa SO2 thành SO3 trên bề mặt bạch kim hay oxyt vanađium.

Như vậy, ta thấy rằng trừ mục đích thứ 3, hai mục đích đầu giống như mục đích của hấp thụ nhưng phạm vi sử dụng hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ khác nhau.

2.    Chất hấp phụ

Yêu cầu căn bản của chất hấp phụ là bề mặt riêng phải lớn. Hiện tại người ta hay dùng than hoạt tính và silicagel để làm chất hấp phụ.

a. Than hoạt tính.

Nguyên liệu để làm than hoạt tính là những vật liệu có chứa cacbon, than bùn, xương động vật…

Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu đầu vào, điều kiện hoạt hóa.Than hoạt tính có thể dùng ở dạng bột (50¸200m) hay dạng hạt kích thước 1-7mm. Bề mặt hoạt động biểu diễn bằng m2/g. Một gam than hoạt tính có thể đạt từ 600¸1700m2.

Than hoạt tính là một chất hấp phụ rất tốt, nó được ứng dụng chủ yếu trong thu hồi dung môi hữu cơ và để làm sạch khí.

Nhược điểm của than hoạt tính là dể cháy ở nhiệt độ cao, thường không dùng than hoạt tính ở nhiệt độ lớn hơn 2000C. Để khắc phục nhược điểm đó người ta trộn silicaghen với than hoạt tính của than.

b.  Silicaghen:

Silicaghen là axit xilic kết tủa khi cho tác dụng H2SO4, hay HCl hay là muối của chúng với silicat natơri kết tủa đó đem rửa sạch và sấy ở nhiệt độ 115¸1300C đến độ ẩm 5¸7%. Silicaghen được ứng dụng ở dạng hạt kích thước từ 0,2¸7mm. Bề mặt riêng đạt đến 600m2/g. Ứng dụng chủ yếu của silicaghen là để sấy khí (hút hơi nước trong hỗn hợp khí).

c.  Hoạt độ và chất hấp phụ.

Hoạt độ là đặc trưng căn bản của của chất hấp phụ. Ta phân biệt hai loại hoạt độ: hoạt độ tĩnh và hoạt độ động.

a)       Hoạt độ tĩnh. Hoạt độ tĩnh là lượng chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được ở nhiệt độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ cho đến khi đạt được cân bằng.

b)       Hoạt độ động. Hoạt độ động thường tính bằng thời gian hơn là tính bằng lượng vật chất thu được. Đó là khoảng thời gian kể từ khi cho hỗn hợp khi đi qua lớp chất hấp phụ đến khi phía đằng sau lớp hấp phụ có xuất hiện chất bị hấp phụ trong pha khí đi ra.

Đối với than hoạt tính thì hoạt độ động bằng 85¸95% hoạt độ tỉnh, đối với silicaghen thì hoạt độ động bằng 60¸70% hoạt độ tĩnh.

1.    Thiết bị hấp phụ

a. Hấp phụ gián đoạn.

Hấp phụ gián có thể tiến hành theo 3 phương thức sau:

Phương pháp 4 giai đọan: Hấp phụ - Nhả bằng hơi nước - Sấy chất hấp phụ bằng không khí nóng - Làm lạnh chất hấp phụ bằng không khí lạnh .

Phương pháp 3 giai đọan: Hấp phụ - Nhả bằng cách đót nóng than bằng khí trơ (khí bị hấp thụ đi vào thiết bị ngưng tụ) sau đó cho hơi nước đi qua - Làm lạnh chất hấp phụ bằng không khí lạnh.

Phương pháp 2 giai đọan: Cho hỗn hợp và không khí nóng đi qua chất hấp phụ ẩm và nóng (quá trình hấp phụ với quá trình sấy đồng thời tiến hành), tiếp theo là cho không khí lạnh vào - Nhả bằng hơi nước than trở nên ẩm và nóng. Phương pháp này năng lượng tiêu tốn ít và năng suất cao.

b. Thiết bị tầng sôi

Trong thời gian gần đây tầng sôi được áp dụng trong hấp phụ so vơi hấp phụ có lớp chất hấp phụ đứng yên thì hấp phụ tầng sôi có ưu điểm .

Vì chuyển động mạnh và trộn lẫn nên không có sự phân lớp chất hấp phụ giữa các hạt đã làm việc và các hạt chưa làm việc nghĩa là không có khu vực chết.

-       Cũng do khuấy trộn mạnh nên nhiệt độ phân bố đều trong lớp chất hấp phụ do đó tránh được hiện tượng quá nhiệt

-       Trở lực nhỏ, năng suất lớn.

-       Dễ vận chuyển trong dây truyền sản xuất.

-       Đồng thời hấp phụ tầng sôi có nhược điểm sau:

-       Vì có sự trộn lẫn các hạt chưa làm việc và các hạt đã hấp phụ rồi nên động lực của quá trình giảm. Hạt chóng mòn, đòi hỏi hạt có độ bền cơ học cao.