Nhà xuất bản thống kê Hà Nội - 2002 nớc & nớc thải Lê Văn Cát Hấp ionphụ & trao đổi T rung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia Nhà xuất bản thống kê Hà Nội - 2002 trong kỹ thuật sử lý nớc & nớc thải Lê Văn Cát Hấp phụ & trao đổi ion T rung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia Mc lc 1 Phần I Cơ sở khoa học của phơng pháp Hấp phụ 1. Hấp phụ 1. 1. Hiện tợng hấp phụ Hấp phụ trong môi trờng nớc đợc hiểu là hiện tăng nồng độ của một chất tan (chất bị hấp phụ) lên bề mặt một chất rắn (chất hấp phụ). Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn, không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên nó còn đợc gọi là quá trình phân bố hai chiều , khác với quá trình hấp thụ mà trong đó chất tan sau khi đợc làm giàu phân bố đều khắp trong thể tích chất hấp thụ. Khi đã đợc hấp phụ lên bề mặt chất rắn, nếu tơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ không lớn, cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay đổi, nhiệt hấp phụ tỏa ra nhỏ thì ngời ta gọi nó là hấp phụ vật lý. Nếu tơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ lớn sẽ làm biến đổi cấu trúc điện tử của các nguyên tử dẫn tới sự hình thành liên kết hóa học, nhiệt tỏa ra lớn ngang với các phản ứng hóa học, quá trình đó gọi là hấp phụ hóa học. Khi bị hấp phụ lên bề mặt một chất rắn, chất bị hấp phụ chiếm chỗ của một cấu tử nào đó và đẩy nó ra khỏi vị trí mà nó đã gắn trên đó thì hiện tợng đó gọi là trao đổi ion. Do những đặc thù riêng về bản chất giữa cặp chất hấp phụ bị hấp phụ chúng có thể tạo ra các loại phức chất. Trong một phức chất nếu giữa khoảng cách của phối tử và nguyên tử trung tâm có tồn tại các phân tử nớc chen giữa gọi là phức ngoại, nếu không gọi là phức nội. Hiện tợng hấp phụ xảy ra do lực tơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ lực tơng tác giữa các phân tử gây ra hấp phụ vật lý, trao đổi ion, lực nội phân tử gây ra hấp phụ hóa học tạo ra các liên kết hóa học. Sau đây sẽ đề cập đến một số tơng tác gây ra hiện tợng hấp phụ vật lý. ở một khoảng cách nào đó, lực giữa các phân tử sẽ phát huy tác dụng, các phân tử vừa hút vừa đẩy nhau. Khoảng cách để lực tơng tác xuất hiện khá lớn và lực tơng tác yếu, chúng mạnh dần lên khi khoảng cách đợc rút ngắn lại. Các loại lực có đặc trng đó là lực vật lý hay lực Van de Waals và lực tơng tác tĩnh điện. Lực tơng tác dạng đó có thể phân ra thành: lực tán xạ, lực định hớng, lực moment. Lực tĩnh điện: theo Coulom hai điện tích trái dấu thì hút nhau và cùng dấu thì đẩy nhau. Giá trị của lực hút (đẩy) tỉ lệ thuận với điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách: 2 21 . . R qq kE tt = (1. 1) - E t : năng lợng tơng tác do tĩnh điện. - q 1 , q 2 : điện tích. Lờ Vn Cỏt 2 - k t : hằng số phụ thuộc vào điện môi. - R: khoảng cách giữa hai điện tích. Đối với các điểm điện tích có kích thớc nhất định thì lực tơng tác còn phụ thuộc vào kích thớc của điểm điện tích đó, tức là phụ thuộc vào mật độ điện tích, mật độ điện tích đợc định nghĩa là tỉ lệ giữa điện tích và bán kính của hạt mang điện. Mật độ điện tích lớn gây ra tơng tác tĩnh điện mạnh. Lực định hớng: Do độ âm điện khác nhau của các nguyên tố, trong một phân tử có sự phân bố điện tích không đều. Ví dụ trong phân tử H 2 O do độ âm điện của oxy lớn hơn hydro nên xung quanh nguyên tử oxy tích điện âm nhiều hơn so với hydro, vì vậy giữa các phân tử nớc xảy ra tơng tác định hớng giữa các nguyên tử chứa nhiều điện tích âm và nhiều điện tích dơng. Lực tơng tác đó đợc gọi là lực định hớng. Lực định hớng đợc tính theo biểu thức: E đ = 6 2 2 2 1 . . . 3 2 R T k àà (1. 2) Đối với các phân tử cùng loại: E đ = 6 4 1 . . 3 2 R T k à (1. 3) - E đ: năng lợng tơng tác định hớng - à: moment - k: hằng số Boltzmann. Lực tơng tác định hớng phụ thuộc vào nhiệt độ, giảm khi nhiệt độ tăng do khi tăng nhiệt độ, khả năng chuyển động nhiệt (động năng tăng) tăng và làm giảm khả năng định hớng của tơng tác. Lực tán xạ: Các phân tử luôn tơng tác với nhau, ngay cả với các chất có phân bố điện tích đều nh khí trơ. Nguyên nhân gây tơng tác là sự phân bố điện tích không đều một cách tức thời trong phân tử, sự phân bố không đều tức thời đợc lan truyền và cộng hởng sang các phân tử xung quanh gây ra tơng tác. Loại lực này có tên gọi là lực London. Theo London lực này tỉ lệ nghịch với khoảng cách bậc mũ 6. E L = - 6 R A (1. 4) - E L : lực tán xạ London - A: hằng số Hằng số A có thể tính từ phơng pháp lợng tử, phơng pháp nhiễu loạn. Theo London, A có thể tính: A = 21 21 21 . 2 3 + h (1. 5) - : độ phân cực - 1 , 2 : tần số đặc trng - h: hằng số Planck. Mc lc 3 Vì h tơng ứng với năng lợng ion hóa I nên: A = 2 1 21 2 1 . 2 3 II II + (1. 6) Với cùng loại phân tử: A = I. 2 3 2 (1. 7) Bằng phơng pháp biến phân, Slate và Kirshwood tính đợc hằng số A và nó có dạng: A S L = 2211 21 5,0 // . .4 .3 NN m he + (1. 8) - e: điện tích của điện tử. - m: khối lợng của điện tử. - N 1 , N 2 : số điện tử ở lớp ngoài của phân tử tham gia tơng tác Lực cảm ứng (Lực Debye): một phân tử khi chịu tác động của một điện trờng khác sẽ bị phân cực tạo thành các moment cảm ứng và gây ra tơng tác. Tơng tác này phụ thuộc vào độ phân cực và cờng độ điện trờng tác dụng lên nó. Năng lợng tơng tác giữa hai dipol cảm ứng là: E C = 6 2 22 2 11 R àà + (1. 9) Tóm lại: lực tơng tác vật lý xảy ra giữa các phân tử là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hớng. Các loại lực này có đặc điểm cũng là phát huy tơng tác ở khoảng cách nhỏ R 6 (trừ trờng hợp lực tĩnh điện). Trong tr ờng hợp các phân tử tơng tác có chứa moment lỡng cực hay tứ cực thì lực tác dụng không tỉ lệ nghịch với khoảng cách theo hàm mũ bậc sáu mà theo bậc tám hoặc mời. Lực tơng tác tổng thể giữa hai phân tử là tổng đại số của các lực thành phần: E = E đ + E L + E C (1. 10) Đối với hai phân tử cùng chất: E = - 622 4 . 4 3 2 3 2 ++ RI kT à à (1. 11) Cho hai phân tử khác loại: E = - 6 21 21 21 2 22 2 11 2 2 2 1 . . . .2 3 . 3 2 + +++ R II II kT àà àà (1. 12) Khi hai phân tử tiến sát gần nhau đến một khoảng cách nào đó sẽ xuất hiện lực đẩy. Về mặt lý thuyết rất khó thực hiện các phép tính toán cho loại lực này do khi gần nhau sự phân bố điện tử trong phân tử đã bị biến dạng nhiều nên không thể dùng các thông số của phân tử độc lập để tính toán. Khi tính toán lực đẩy ngời ta thờng phải dùng các công thức kinh nghiệm, bán kinh nghiệm. Một trong những công thức hay sử dụng là lực đẩy tỉ lệ với R - m với m có giá trị từ 9 đến 14, thờng là 12. Lờ Vn Cỏt 4 Trong một hệ hấp phụ khi ở trạng thái cân bằng tổng năng lợng tơng tác đạt giá trị cực tiểu. Sự tham gia tơng tác không chỉ xảy ra giữa hai phân tử mà là của cả một tập hợp phân tử nằm trong phạm vi chịu tơng tác. Tất cả các tơng tác hút, đẩy, ảnh hởng của phạm vi tác dụng đợc mô tả qua phơng trình thế năng Lenard Jones: E LJ = + 1 26 ii rBrA (1. 13) - A, B: hằng số đặc trng lực hút, đẩy - r i : khoảng cách giữa các điểm tơng tác. 1. 2. Hấp phụ trong môi trờng nớc. Trong nớc, tơng tác giữa một chất hấp phụ và bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tơng tác: nớc chất hấp phụ chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tơng tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tơng tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nớc, tính a hoặc kị nớc của chất hấp phụ, mức độ kỵ nớc của các chất bị hấp phụ trong môi trờng nớc. Nớc là một dung môi phân cực, trong trạng thái lỏng các phân tử không tồn tại ở trạng thái biệt lập mà chúng tơng tác, gắn kết với nhau thông qua cầu liên kết hydro. Năng lợng liên kết cầu hydro trong nớc đá và chất lỏng khoảng 23 kJ/mol, tuy nhỏ hơn nhiều so với liên kết OH ( 450 kJ/mol) nhng lớn hơn nhiều so với lực tơng tác vật lý Van de Waals ( 4 5 kJ/mol) [1]. Nớc trong trạng thái lỏng có cấu trúc trung gian giữa nớc đá và hơi nớc và thay đổi theo nhiệt độ. Cấu trúc của nớc ở trạng thái lỏng đợc coi là dễ chấp nhận là mô hình tập hợp mỏng (flickering cluster) của Frank và Went. Theo mô hình này một tập hợp các phân tử nớc (vài chục phân tử) cụm lại với nhau do cầu liên kết hydro với thời gian tồn tại khoảng 10 - 10 giây, chúng đợc hình thành và phá hủy liên tục do chuyển động nhiệt của các phân tử, tuy vậy thời gian sống của các tập hợp mỏng còn cao hơn ngàn lần so với thời gian dao động phân tử (10 - 13 giây). Vì vậy có thể cho rằng sự tồn tại của tập hợp mỏng là có thực mặc dù khá chóng tàn. Theo qui tắc: những chất có bản chất hóa học giống nhau thì hòa tan lẫn nhau (like disolves the likes) thì những chất phân cực dễ hòa tan trong dung môi phân cực và ngợc lại. Các loại rợu chứa nhóm OH phân cực dễ hòa tan trong nớc, các hydrocarbon dễ hòa tan trong dầu. Độ hòa tan giảm khi phân tử lợng cao, ví dụ loại rợu chứa một hay hai nguyên tử carbon tan vô hạn trong nớc, trong khi rợu mạch dài (C 4 , C 5 ) chỉ có độ tan giới hạn. Tơng tự nh vậy các chất hấp phụ tơng tác với chất tan và dung môi cũng theo đặc thù trên thể hiện qua tính thấm ớt bề mặt. Trong nớc, bề mặt chất rắn có độ phân cực cao (silicagel chứa nhiều nhóm OH) tơng tác tốt với nớc và có góc thấm nớc nhỏ hơn 90 o (không tạo thành giọt trên bề Mc lc 5 mặt chất rắn), các chất rắn có độ phân cực thấp (than muội) có tính thấm ớt kém, góc thấm ớt lớn hơn 90 o do độ phân cực thấp, vì vậy nó đợc coi là kị nớc. Khả năng hấp phụ của chất tan (bị hấp phụ) lên chất hấp phụ vì thế trớc hết phụ thuộc vào tính tơng đồng giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ về độ phân cực: chất không phân cực (chất hữu cơ) hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực (than hoạt tính) và ngợc lại. Một chất tan có độ phân cực cao hơn nớc có thể hấp phụ tốt trên chất hấp phụ phân cực (quy tắc Trauben). Cùng bản chất hóa học mà có phân tử lợng khác nhau thì cấu tử có phân tử lợng lớn sẽ hấp phụ tốt hơn nếu không bị ràng buộc bởi hiệu ứng rây phân tử. Hấp phụ các phân tử trung hòa vì vậy không chỉ phụ thuộc vào tơng tác giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ mà còn phụ thuộc vào tơng tác của dung môi với chất hấp phụ, cặp tơng tác nào mạnh hơn thì cặp khác ít có khả năng hấp phụ. Đặc điểm này không chỉ xảy ra giữa dung môi với chất bị hấp phụ mà còn đối với giữa các chất bị hấp phụ với nhau nhất là trong nớc tự nhiên luôn tồn tại đồng thời nhiều chất bị hấp phụ [2]. Với một số chất bị hấp phụ có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion (SO 4 2- , PO 4 3- , CrO 4 2- ) quá trình hấp phụ xảy ra do tơng tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép thì hình ảnh tơng tác khác hơn. Trên bề mặt chất hấp phụ hình thành các lớp điện kép hay lớp khuếch tán chứa điện tích xắp xếp lần lợt của loại trái dấu nhau. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực lớn bị bao bọc bởi một lớp vỏ của các phân tử nớc, bán kính (độ lớn) của các chất bị hấp phụ này ảnh hởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tơng tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị thì loại có kích thớc lớn sẽ hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn. Lớp vỏ hydrat là yếu tố cản trở tơng tác tĩnh điện. Theo đó, có thể xắp xếp thứ tự về khả năng hấp phụ: Li + < Na + < K + < Rb + < Cs + và Mg 2+ < Ca 2+ < Sr 2+ < Ba 2+ ; Cl - < Br - < NO 3 - < I - < NCS - . Khả năng hấp phụ của các ion có hóa trị cao tốt hơn nhiều so với ion hóa trị thấp: K + << Ca 2+ << Al 3+ << Th 4+ phù hợp với dãy Hofmeister [3]. Bản thân chất hấp phụ trong môi trờng nớc cũng mang điện tích, điện tích thay đổi dấu khi thay đổi pH của môi trờng. Tại pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất rắn bằng không, trên đó bề mặt tích điện âm và dới đó tích điện dơng. Mật độ tích điện càng lớn khi điểm pH của hệ càng cách xa điểm đẳng điện. Với các chất bị hấp phụ có tính axit hay bazơ yếu, phụ thuộc vào pH nó có thể tồn tại ở trạng thái mang điện tích hay trung hòa. Với các axit yếu khi pH > pK thì nó tích điện âm, pH < pK thì nó ở trạng thái trung hòa. Với bazơ yếu ta có hình ảnh ngợc lại. Trong quá trình hấp phụ các chất có độ phân cực lớn, ngời ta nhận thấy khả năng hấp phụ của hệ tốt ở trạng thái trung hòa điện tích và kém ở các vùng có điện tích cao. Điều đó nói lên rằng lực hấp phụ của một hệ chủ yếu do lực tơng tác khác với lực tĩnh điện và hệ hấp phụ đợc gây ra bởi lực tĩnh điện có khả năng hấp phụ thấp (lực Van de Waals đợc gọi là lực không đặc thù). Lờ Vn Cỏt 6 Với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do các chủng loại chất trao đổi ion đa dạng: tính axit (cationit), bazơ (anionit), cờng độ axit, bazơ của các nhóm chức có chức năng trao đổi, khả năng phân li của các nhóm chức cũng nh của các cấu tử trao đổi phụ thuộc và pH môi trờng, đồng thời xảy ra cả quá trình hấp phụ các phân tử trung hòa, quá trình tạo phức chất. So với quá trình hấp phụ trong pha khí, tốc độ hấp phụ trong nớc xảy ra chậm hơn nhiều chủ yếu do quá trình chuyển khối, khuếch tán chậm. Do đó trong thực tiễn công nghệ, dung lợng hấp phụ của một hệ rất ít khi đợc sử dụng triệt để, nhất là đối với các chất hấp phụ có dung lợng cao (diện tích bề mặt lớn, độ lớn của mao quản nhỏ). Kết quả sử dụng ngoài thực tiễn vì vậy đôi lúc có điều trái ngợc: chất hấp phụ có dung lợng cao có kết quả sử dụng kém hơn loại có chất lợng thấp, chất bị hấp phụ có tính chọn lọc cao hấp phụ kém chất có độ chọn lọc thấp. Đó là kết quả của sự tơng tác giữa yếu tố động học và cân bằng hấp phụ trong môi trờng nớc. Trong nớc không chỉ tồn tại các quá trình hóa học, vật lý mà xen lẫn là các quá trình vi sinh, chúng có tác động và ảnh hởng lên tổng thể quá trình xử lý nớc. Ví dụ khi sử dụng cột than để xử lý (loại bỏ) chất hữu cơ trong nớc, trên bề mặt than phát triển một số loại vi sinh, chúng tiêu thụ nguồn chất hữu cơ đã hấp phụ trên than cho quá trình sinh sôi, phát triển và trao đổi chất. Kết quả là than hấp phụ đợc nhiều chất hữu cơ hơn khả năng của nó (thật ra là quá trình tái sinh than bằng vi sinh), mặt khác nếu chúng phát triển quá mạnh tạo thành các lớp màng bao bọc quanh hạt than làm ngăn cản quá trình chuyển khối hoặc làm mất tác dụng hấp phụ của than [4, 5, 6]. Tóm lại, khác với hấp phụ trong pha khí, hấp phụ trong môi trờng nớc có cơ chế phức tạp hơn do yếu tố hấp phụ hỗn hợp, do sự biến động mạnh về bản chất hóa học của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ, do quá trình động học chậm và các quá trình tồn tại song song khác. 2. Chất hấp phụ 2. 1. Chế tạo chất hấp phụ. Một hệ hấp phụ có dung lợng cao hay thấp trớc hết phụ thuộc vào lực tơng tác giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Ngoài lực tơng tác do bản chất của hệ quyết định có thể dễ dạng nhận thấy là một chất hấp phụ có diện tích bề mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ cao hơn so với chất hấp phụ cùng bản chất nhng có diện tích bề mặt thấp hơn. Diện tích bề mặt của chất hấp phụ tăng theo độ phân tán, độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính theo đơn vị khối lợng (diện tích riêng) càng cao. Thí dụ một khối lập phơng có các cạnh là 1 cm thì diện tích của nó là 6 cm 2 , nếu chia nhỏ khối đó thành các khối lập phơng có độ dài các cạnh là 0,1 cm sẽ nhận đợc một ngàn khối lập phơng nhỏ, mỗi khối có diện tích 0,06 cm 2 và tổng diện tích khi đó là 60 cm 2 , nghĩa là diện tích tăng thêm 10 lần. Với các biện pháp cơ học (đập, nghiền) chỉ có thể tạo đợc một mức độ phân tán hay diện tích bề mặt hạn chế, thờng ít vợt quá 1 m 2 /g. Muốn có Mc lc 7 độ phân tán cao phải dựa vào các biện pháp hóa học, hóa lý. Các chất rắn xốp là hệ phân tán cao, thậm chí đạt tới mức phân tán của phân tử nên có diện tích lớn, có thể tới trên ngàn m 2 /g. Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của việc chế tạo chất hấp phụ là kiểm soát đợc độ xốp và phân bố độ xốp theo kích thớc của chất hấp phụ. Các biện pháp áp dụng để chế tạo chất hấp phụ có độ phân tán cao có nhiều và thay đổi theo mục tiêu sử dụng, trình độ khoa học, công nghệ của các nhà sản xuất. Tuy nhiên nguyên tắc chế tạo chất hấp phụ xốp đều dựa trên các phơng pháp [7]: - Phơng pháp kết tụ. - Phơng pháp ăn mòn (leaching). - Kết tinh thủy nhiệt (hydrothermal crystalization). - Phân hủy nhiệt. Phơng pháp kết tụ là tạo ra một cấu trúc xốp từ vật liệu có kích thớc nhỏ hơn, khác với tạo viên bằng phơng pháp cơ học, vật liệu để tạo cấu trúc xốp trong trờng hợp này có kích thớc rất nhỏ, ví dụ ở dạng keo phân tán trong một chất lỏng. Bằng các tác nhân vật lý, hóa học làm cho chúng co cụm, liên kết với nhau. Khi sấy khô khoảng cách giữa chúng giảm đi tăng độ bền liên kết giữa các hạt. Diện tích bề mặt của vật liệu chính là tổng diện tích của các hạt nhỏ. Phơng pháp ăn mòn là phơng pháp đi từ một vật liệu đặc, dùng các tác nhân hóa học cho phản ứng với khối chất đó tạo ra các sản phẩm có tính tan tốt, sản phẩm tạo thành mang theo một phần nguyên liệu ra ngoài tạo ra độ xốp. Ví dụ để tạo ra thủy tinh xốp ngời ta dùng tác nhân xút để ăn mòn. Kết tinh thủy nhiệt là từ một khối phản ứng vô định hình ban đầu, dùng nhiệt để ủ và các tinh thể hình thành trong chất lỏng. Cấu trúc vật liệu tinh thể có độ xốp và diện tích do bản chất của nó quyết định. Phân hủy nhiệt cũng tơng tự nh phơng pháp ăn mòn, tác nhân chính là dùng nhiệt. Nó đợc phân ra hai trờng hợp là có và không dùng thêm tác nhân phân hủy. Sản phẩm của quá trình là các chất bay hơi. Nếu trong nguyên liệu có sinh ra các chất bay hơi thì không cần bổ xung tác nhân phân hủy, ví dụ dehydrat nhôm hydroxit thành nhôm oxit, luyện than cốc. Trong trờng hợp hoạt hóa chế tạo than hoạt tính ngời ta phải đa thêm oxy, hơi nớc hay CO 2 làm tác nhân phản ứng. Ngoài các phơng pháp chế tạo trên, một số chất hấp phụ polymer đợc chế tạo theo các nguyên lý của polymer, một số chất hấp phụ khoáng tự nhiên và chất hấp phụ có nguồn gốc sinh học (biosorbent) Các chất hấp phụ nhân tạo, tự nhiên (không kể chất hấp phụ sinh học) có nguồn gốc hay thành phần hóa học chủ yếu sau: - Dạng oxit kim loại hay silic (SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgO ) - Hỗn hợp các ôxit kim loại (Zeolit, khoáng sét, than bùn, diatomit, vermiculit, perlit. Sau đây chúng ta điểm qua phơng pháp chế tạo một số chất. Lờ Vn Cỏt 8 2. 1. 1. Than hoạt tính Than hoạt tính đợc chế tạo theo phơng pháp loại trừ với nguyên liệu ban đầu có chứa thành phần cacbon: than, xenlulose, gỗ, sọ dừa, bã mía, tre, nứa, mùn ca. Trong nguyên liệu ngoài thành phần cacbon còn tồn tại một số thành phần hợp chất vô cơ, tạp chất gây ra thành phần tro khi đốt cháy (oxit kim loại), trong đó Ca, Mg, K, Na có trong đó gây tính kiềm ví dụ K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , CaCO 3 , vì vậy sản phẩm cuối nếu không rửa sạch có tính kiềm. Có thể xuất phát từ những nguyên liệu có nguồn gốc rất khác nhau, khi chế tạo ngời ta có thể qui về hai phơng pháp chính trong giai đoạn hoạt hóa - giai đoạn phát triển độ xốp của than: hoạt hóa với hóa chất và hoạt hóa với khí, hơi. Hai quá trình này còn đợc gọi là hoạt hóa hóa học và vật lý. Quá trình hoạt hóa với hóa chất là đa thêm một số tác nhân hóa học vào nguyên liệu hay những tác nhân này đã tồn tại sẵn trong đó, chúng có tác dụng phân hủy hoặc dehydrat các phân tử chất hữu cơ trong quá trình than hóa hoặc thiêu đốt. Tác nhân hóa học đa vào là các chất vô cơ: kiềm, muối cacbonat, sunfat, sunfid kiềm, cacbonat, clorua, sunfat, photphat của kiềm thổ, kẽm clorua, axit sunfuric, photphoric. Chúng đợc dùng riêng lẻ hay phối hợp với nhau theo tỉ lệ nào đó để tạo các hiệu ứng cần thiết. Một số nguyên liệu nh xơng, vỏ trấu chứa khá nhiều hợp chất vô cơ, những thành phần này tác động tốt lên hoạt tính hấp phụ của than (carbon) khi than hóa trong môi trờng yếm khí. Ví dụ khi đốt than từ xơng tại 750 950 o C yếm khí, thành phần carbon trong đó chỉ chiếm 8 12%, CaCO 3 3 8% còn phần lớn là canxi photphat (70 80% Ca 3 (PO 4 ) 2 ), tuy hàm lợng carbon thấp nhng khả năng hấp phụ vẫn khá cao do carbon đợc phân bố kiểu một màng rất mỏng trên nền vật liệu vô cơ xốp. Tơng tự nh vậy than sản xuất từ vỏ trấu cũng có tác dụng hấp phụ do carbon đợc phân tán đều trên bề mặt silic oxit, thành phần chiếm tới 90% trong tro [7, 8]. Thông thờng than đợc sản xuất theo phơng pháp hoạt hóa hóa học bằng cách trộn hay tẩm nguyên liệu với các hóa chất và đốt yếm khí từ 500 900 o C. Các hóa chất vô cơ khi đốt sẽ phân hủy ra các khí có tính oxy hóa hoặc phân hủy các phân tử chất hữu cơ qua phản ứng dehydrat hóa [9]. Than sản xuất theo phơng pháp hóa học có diện tích bề mặt không cao, độ xốp lớn thích hợp cho hấp phụ các phân tử lớn trong chất lỏng (tảy màu) ít thích hợp cho hấp phụ khí. Tuy nhiên, quá trình nhiệt phân hay than hóa một số nguyên liệu đặc thù nh polyme PVC, polyvinylacetat, polyacryllonville cho ra các sản phẩm có diện tích bề mặt lớn tới trên ngàn m 2 /g. Tuy vậy các nguyên liệu đó đắt không thích hợp cho sản xuất đại trà. Phơng pháp hoạt hóa vật lý thờng tiến hành theo hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa. Giai đoạn than hóa là giai đoạn đốt yếm khí tại 400 500 o C nhằm loại bỏ các thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đa nguyên liệu trở về dạng carbon. [...]... sử dụng làm chất trao đổi ion, đôi khi có lợi thế hơn về một số mặt so với nhựa trao đổi: dung l ợng trao đổi lớn và độ chọn lọc cao đối với các ion kim loại, độ tr ơng nở trong n ớc thấp, những đặc tính này rất có ích trong công nghệ Tuy vậy nó chỉ là các cationit và độ bền đối với môi tr ờng kém, nó chỉ chịu đ ợc trong khoảng pH từ 5 12 trừ một vài loại đặc thù Dung l ợng trao đổi ion của zeolit A... pH, các ion, hợp chất lạ trong đó nên bản chất hóa học của nó có thể biến động rất lớn Muốn vận dụng tốt kỹ thuật hấp phụ, xúc tác để xử lý n ớc và n ớc thải cần phải hiểu rõ bản chất và sự biến đổi của chúng trong các điều kiện khác nhau cũng nh của chất hấp phụ (trình bày trong phần cấu trúc bề mặt của chất hấp phụ) Không những chúng có thể thay đổi bản chất hóa học mà đôi khi chúng thay đổi cả vai... này có thể sử dụng xử lý n ớc thải chứa kim loại nặng, phóng xạ và một số tạp chất khác 2 1 5 Sắt oxit Trong công nghệ xử lý n ớc và n ớc thải, một trong những nguyên tố hay gặp là sắt ở dạng ion 2 Sắt (II) có nồng độ tới 70 80 mg/l tại một số nguồn n ớc ngầm, trong một số ngành công nghiệp mạ, gia công bề mặt kim loại sắt (II) trong n ớc thải có thể tới 150 g/l, ví dụ trong n ớc thải quá trình tráng... khoáng montmorillonit và vermiculit các cation này có thể trao đổi đ ợc với các cation khác ngoài dung dịch Trong khoảng không gian giữa các lớp còn tồn tại n ớc và n ớc có xu h ớng tạo vỏ hydrat với cation trong đó N ớc của lớp vỏ hydrat đ ợc sắp xếp trong không gian giữa các lớp theo từng lớp nguyên (số nguyên) phụ thuộc vào độ ẩm và bản chất cation trong đó Ví dụ đối với các ion kiềm kích th ớc nhỏ... và l u huỳnh Than bùn là loại vật liệu hỗn hợp của nhiều loại hợp chất hữu cơ, chứa nhiều nhóm chức phân cực (oxy) nên có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ phân cực và các kim loại chuyển tiếp (theo cơ chế trao đổi ion và tạo phức) Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào pH của môi tr ờng Khi pH > 8,5 than không bền (tan axit humic, fulvic) và nếu pH < 3 nó sẽ nhả ra phần lớn kim loại chứa trong nó Vì lý. .. các hợp chất có độ phân cực khác nhau, vì thế chúng đ ợc sử dụng khá rộng rãi trong kỹ thuật tinh chế nhiều loại chất lỏng, chất khí, tách oxy và nitơ của không khí, trong kỹ thuật chân không, và phân tích kể cả hấp phụ chất phóng xạ 18 Lờ V n Cỏt Zeolit đ ợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật xúc tác với chức năng là chất hấp phụ nhằm loại bỏ những tác nhân gây hại cho xúc tác, là xúc tác trực tiếp... phù hợp cho hấp phụ ở khoảng pH = 3 8,5 2 1 8 Chất hấp phụ polyme Cùng với sự đòi hỏi về nhu cầu đa dạng của các chất hấp phụ trong kỹ thuật, ng ời ta cố gắng chế tạo các chất hấp phụ trên cơ sở vật liệu polyme tổng hợp có những đặc tr ng tính chất có thể đ ợc ấn định cho từng mục đích cụ thể [109, 110] Chất hấp phụ polyme có cấu trúc và cách chế tạo t ơng tự nh các loại nhựa trao đổi ion (xem 11... tính Bảng sau liệt kê một số loại than th ơng phẩm của một vài n ớc dùng trong xử lý n ớc và n ớc thải nhằm mục đích loại bỏ chất hữu cơ Lờ V n Cỏt 10 Bảng 1: Than dùng để xử lý n ớc, n ớc thải [10] Tên Nhà sản xuất Nguyên liệu Ph ơng pháp hoạt hóa ứng dụng trong công nghệ TW1, TW2, TW3 Tr Bắc, Tr Vinh, Sọ dừa Việt Nam Hơi n ớc N ớc cấp, n ớc thải, đồ uống CAL 12x40 Calgon, Pitts- burg Than non USA... thuộc vào điều kiện tổng hợp của nó Ng ời ta có thể biến tính sắt oxit bằng cách cấy một số nguyên tố vào mạng (Cr, Ga, Zn, Co, Ag) bằng cách nung hỗn hợp hydroxit t ơng ứng hoặc xử lý cơ học sau đó nung tiếp tục [29, 30, 31] và có thể tạo ra vật liệu composit dạng nanocluster [32] Trong kỹ thuật xử lý n ớc ng ời ta chế tạo các vật liệu lọc bằng cách phủ một lớp sắt oxit lên cát thạch anh dùng để hấp. .. mặt phân cực của chất bị hấp phụ Chất hấp phụ có độ phân cực vừa phải hay không phân cực có thể t ơng tác với đuôi không phân cực hoặc các đuôi phân cực của phân tử chất bị hấp phụ Các chất hấp phụ dạng này có thể hấp phụ các chất bị hấp phụ không phân cực trong môi tr ờng n ớc hay các chất phân cực trong dung môi hữu cơ Ví dụ, một trong những chất hấp phụ dạng polyme có thể hấp phụ phenol, loại có . khả năng hấp phụ: Li + < Na + < K + < Rb + < Cs + và Mg 2+ < Ca 2+ < Sr 2+ < Ba 2+ ; Cl - < Br - < NO 3 - < I - < NCS - . Khả năng hấp phụ của các ion có hóa. 2002 nớc & nớc thải Lê Văn Cát Hấp ionphụ & trao đổi T rung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia Nhà xuất bản thống kê Hà Nội - 2002 trong kỹ thuật sử lý nớc & nớc thải Lê. với ion hóa trị thấp: K + << Ca 2+ << Al 3+ << Th 4+ phù hợp với dãy Hofmeister [3]. Bản thân chất hấp phụ trong môi trờng nớc cũng mang điện tích, điện tích thay đổi dấu