Trờng đại học vinh Khoa Hoá học ---------------------------- Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm và rợu khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành hoá vô cơ Giáo viên hớng dẫn: TS. Nguyễn Hoa Du Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Hạnh Lớp : 42E Hóa Vinh tháng 5/2006 Lời cảm ơn Để hoàn thành khoá luận này em xin đợc chân thành cảm ơn: - Thầy giáo TS .Nguyễn Hoa Du đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ tạo mọi điều kiện để em thực hiện và hoàn thành khoá luận này . - Các thầy cô giáo trong tổ Hoá vô cơ, Ban chủ nhiệm khoa hoá, các thầy cô giáo phụ trách Phòng thí nghiệm trờng Đại Học Vinh . - Cảm ơn các bạn bè, ngời thân đã tận tình động viên giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành luận văn . Do lần đầu tiên làm khoá luận nên không tránh khỏi nhiều sơ xuất, thiếu sót. Do vậy em rất mong đợc sự chỉ dạy, đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo cùng toàn thể các bạn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn ! Vinh, tháng 5 năm 2006 Ngời thực hiện Phạm Thị Hạnh 2 Mục lục Trang Lời nói đầu 1 Phần 1: Tổng quan lý thuyết 2 1.1. Sự hấp thu 2 1.1.1. Sự hấp thu và sự hấp phụ 2 1.1.1.1. Năng lợng bề mặt 3 1.1.1.2. Các yếu tố ảnh hởngtới năng lợng bề mặt 3 1.1.1.3. Sự hấp phụ 5 1.1.2. Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn khí và rắn dung dịch 6 1.1.2.1. Sự hấp phụ trên danh giới phân chia rắn - khí 6 1.1.2.2. Sự hấp phụ trên danh giới phân chia rắn dung dịch 7 1.1.3. Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ 11 1.1.3.1.Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir 11 1.1.3.2. Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt theo Freundlich 14 1.1.4. Chất hấp phụ 15 1.2.Tính năng hấp phụ của than hoạt tính 16 1.2.1. Cấu trúc của than hoạt tính 16 1.2.2 Đặc trng của than 17 1.2.3. Phân loại than hoạt tính 18 1.2.3.1. Hấp phụ trên than hoạt tính dạng bột 18 1.2.3.2. Hấp phụ trên than hoạt tính dạng hạt 19 Phần 2 Thực nghiệm 20 2.1 Hoá chất và thiết bị 20 2.1.1. Thiết bị 20 2.1.2. Hoá chất 20 2.1.3. Chuẩn bị các dung dịch 20 2.2. Thí nghiệm, kết qủa và thảo luận 23 2.2.1. Kỹ thuật thí nghiệm 23 2.2.2. Xác định phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than ban đầu 25 2.2.3. Khảo sát các điều kiện xử lý tái sinh than hoạt tính bằng kiềm, r- ợu 27 2.2.3.1 Khảo sát ảnh hởng của nhiệt độ 27 2.2.3.2 Khảo sát ảnh hởng của thời gian sấy 28 2.2.3.3 Khảo sát ảnh hởng của nồng độ kiềm 30 2.2.3.4 Khảo sát ảnh hởng của thể tích rợu 32 2.2.4. Xác định phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than sau khi xử lý 34 3 Phần 3. Kết luận 37 Tài liệu tham khảo 38 Lời nói đầu Phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nh trong kỹ thuật. Trong hoá học phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng vào việc tách loại các chất thải, tách các nguyên tố hiếm, là cơ sở của phơng pháp sắc ký. đặc biệt đợc dùng rộng rãi nhất đó là tách loại các chất thải (xử lý nớc thải). Hiện nay xu hớng của thế giới đó là xử lý chất thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trờng. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các quá trình hấp phụ để xử lý chất thải đã và đang đợc triển khai ngày càng nhiều. Tuy nhiên hiệu quả kinh tế cha cao. Để có thể có đợc tính năng u việt trong xử lý chất thải và mang lợi ích kinh tế thì xu hớng hiện nay là tận dụng lại các chất hấp phụ dùng trong xử lý, để chúng đợc sử dụng lại nhiều nhất. Đó cũng là lí do để chúng tôi chọn đề tài: Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm và rợu. Nhiệm vụ của đề tài: - Xác định tính năng hấp phụ của than hoạt tính ban đầu. - Khảo sát các điều kiện xử lý tái sinh than hoạt tính bằng kiềm và rợu. - Xác định hiệu suất tái sinh than hoạt tính. 4 Phần 1. tổng quan lý thuyết 1.1. Sự hấp thu và sự hấp phụ 1.1.1. Hấp thu và hấp phụ Nh chúng ta đã biết: lực giữa các phân tử giảm rất nhanh theo khoảng cách (tỉ lệ nghịch với r 6 ). Nh thế các phân tử chỉ tác dụng với nhau trong phạm vi khoảng cách r không lớn (chừng vài đờng kính hiệu dụng của phân tử ). Khoảng cách r đó đợc gọi là bán kính tác dụng phân tử và hình cầu có bán kính tác dụng phân tử đợc gọi là hình cầu tác dụng phân tử. Các phân tử nằm cách bề mặt pha ngng tụ rắn lỏng một khoảng cách lớn hơn bán kính tác dụng phân tử r chịu tác dụng trung bình về mọi phía các lực nh nhau nên lực tổng hợp tác dụng lên một phân tử bằng không. Trong khi đó, các phân tử nằm trong lớp bề mặt có bề dầy nhỏ hơn r chịu tác dụng của các lực không đồng đều: lực kéo ra ngoài bề mặt pha ngng tụ nhỏ hơn lực hút vào trong lòng pha ngng tụ. Nh thế tính chất của lớp bề mặt vật rắn, lỏng khác với tính chất ở trong lòng của chúng(tính chất thể tích ). Tích chất bề mặt của các pha ngng tụ thể hiện ở mọi bề mặt phân chia hai pha. Nhng với mức độ khác nhau. Bề mặt riêng (bề mặt tính cho một đơn vị khối lợng) của pha ngng tụ càng lớn thì sự đóng góp của phần năng lợng của lớp bề mặt vào năng lợng của toàn bộ hệ sẽ càng lớn. sự đóng góp của phần năng lợng bề mặt vào năng lợng của toàn bộ hệ rất quan trọng trong các hệ này, tính chất bề mặt sẽ ảnh hởng lên khả năng phản ứng của các chất. Vị trí cân bằng của các phản ứng, độ hoà tan của các chất, áp suất hơi bão hoà, nhiệt độ nóng chảy . là nguyên nhân của nhiều hiện tợng nh hấp phụ, thấm ớt. khi xét đến hiện tợng bề mặt đại lợng gắn liền với nó là năng lợng bề mặt[3,4] 5 1.1.1.1. Năng lợng bề mặt. Các phân tử nằm trên lớp bề mặt có bề dày nhỏ hơn r chịu tác dụng của các lực kéo vào trong theo phơng vuông góc với bề mặt của pha ngng tụ. Lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài của giới hạn bề mặt phân chia hai pha đợc gọi là sức căng bề mặt. Về giá trị: sức căng bề mặt bằng năng lợng bề mặt do đó hai đại lợng này thờng đợc ký hiệu bằng cùng một chữ . Vì bề mặt chất lỏng là đồng nhất nên sức căng bề mặt của nó ở mọi điểm là nh nhau. Đối với vật rắn vấn đề trở nên phức tạp hơn vì mật độ hạt ở các cạch, góc và trên bề mặt là khác nhau nên sức căng bề mặt ở các điểm khác nhau là khác nhau. Trong trờng hợp này ngời ta chấp nhận lấy giá trị trung bình và chỉ đo đợc bằng phơng pháp gián tiếp [3]. 1.1.1.2. Các yếu tố ảnh hởng tới năng lợng bề mặt Năng lợng bề mặt phụ thuộc vào cờng độ của lực kéo các phân tử nằm trên lớp bề mặt pha ngng tụ vào trong lòng của nó. Nhng lực này đến lợt nó lại phụ thuộc vào lực tác dụng giữa các phân tử của pha ngng tụ và của các phân tử nằm trên bề mặt của pha thứ hai tiếp xúc với nó và nhiệt độ. Vậy năng lợng phụ thuộc vào cấu tạo của pha ngng tụ và pha tiếp xúc với nó và nhiệt độ. 1.1.1.2.1. ảnh hởng của cấu tạo của pha ngng tụ Lực tơng tác giữa các phân tử của pha ngng tụ có thể là lực giữa các phân tử, lực tĩnh điện Coulomb, liên kết kim loại. Vì lực giữa các phân tử là nhỏ nên sức căng bề mặt của các hợp chất phân tử nhỏ và giảm theo chiều: Phân cực + liên kết hydro >phân cực >không phân cực Vì lý do này mà sức căng bề mặt của nớc rất lớn và các hydrocacbon có sức căng bề mặt nhỏ (bảng 1) các chất điện ly nóng chảy và các kim loại lỏng có sức căng bề mặt lớn vì liên kết giữa các phân tử bền. 1.1.1.2.2. ảnh hởng của cấu tạo của pha tiếp xúc 6 Vì mật độ của khí hoặc hơi nhỏ hơn so với pha ngng tụ nên nếu trên bề mặt pha ngng tụ là khí hoặc hơi thì sức căng bề mặt lớn hơn so với khi tiếp xúc với pha lỏng khác. Lực tơng tác giữa các phần tử của pha tiếp xúc với pha ngng tụ càng lớn thì sức căng bề mặt càng nhỏ do đó sức căng bề mặt giữa các pha ngng tụ nói chung nhỏ hơn sức căng bề mặt của pha tự do (pha ngng tụ - khí ) (bảng 1.2). Bảng 1.1: Năng lợng bề mặt của một vài chất lỏng Không cực Có cực Chất lỏng t 0 c (J.m -2 ) Chất lỏng t o c (J.m -2 ) Hyđro -258,1 0,00283 H 2 O 20 0,07275 Metan -180 0,018 Etannol 20 0,02203 Butan -20 0,01734 Glyxêrin 18 0,06247 Benzen +20 0,0287 anilin 20 0,04366 Ion Kim loại Chất lỏng t 0 c (J.m -2 ) Chất lỏng t o c (J.m -2 ) KCl 800 0,0958 Natri 98 0,191 KNO 3 380 0,1104 Magiê 651 0,569 NaCl 803 0,1138 Sắt 1528 1,840 Bảng 1. 2: Năng lợng bề mặt giữa các pha. Pha t 0 c (J.m -2 ) 1 2 Nớc Nớc Nớc Hơi nớc bão hoà Anilin Benzen 20 26 25 0,07275 0,0048 0,0342 1.2.3. ảnh hởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì sức căng bề mặt giảm vì sự tăng chuyển động nhiệt của các phần tử làm giảm lực tác dụng tơng hỗ giữa chúng. Khi nhiệt độ tăng tới nhiệt độ tới hạn thì không còn ranh giới phân chia lỏng và hơi nữa và khi đó sức căng bề mặt bằng không. 1.1.1.3. Sự hấp phụ 7 Bề mặt của pha ngng tụ còn những lực d do đó nó có khả năng thu hút các phần tử của pha tiếp xúc với nó. Hiện tợng đó đợc gọi là sự hấp thu tuỳ thuộc vào cơ chế hấp thụ mà ngời ta chia ra làm hấp thụ và hấp phụ. Nếu các phần tử của chất bị hấp thu chỉ tập trung ở trên bề mặt của chất hấp thu (pha ngng tụ) thì sự hấp thu đợc gọi là sự hấp phụ. Trong trờng các phần tử của chất bị hấp thu đi sâu vào trong lòng chất hấp thu thì sự hấp thu đợc gọi là sự hấp thụ. Ví dụ: sự hấp thụ khí HCl bằng H 2 O[4]. Tuỳ thuộc vào bản chất của lực tơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ ngời ta chia làm sự hấp phụ lý học và sự hấp phụ hoá học. ở đây chúng ta xét về quá trình hấp phụ: Lực hấp phụ gồm các loại sau đây: a. Lực vander waals:Đó là lực tơng tác giữa các phần tử mang tính chất thuần tuý vật lý, năng lợng hấp phụ nhỏ dễ thiết lập cân bằng. b. Lực cảm ứng:Lực này hình thành khi trong phần tử sẵn có một lỡng cực tạo ra điện trờng, ví dụ khi có các nhóm:C=O; C-NO 2 .Dới tác dụng của điện trờng đó các electron của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử bên cạnh bị phân cực và tạo nên momen lỡng cực cảm ứng. c. Lực hấp phụ hoá học:Đó là trờng hợp giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ hình thành liên kết hoá học. Lực này khá mạnh làm cho đờng đẳng nhiệt hấp phụ biến đổi nhiều. d. Liên kết hydro: Lực này hình thành khi hấp phụ các chất có nhóm cho proton bởi các chất hấp phụ phân cực nh SiO 2 , Al 2 O 3 . Ngoài ra có thể tạo thành phức chuyển điện tích khi electron của chất tan chuyển đến trung tâm hấp phụ[9]. 1.1.1.3.1. Hấp phụ lý học Sự hấp phụ đợc gọi là hấp phụ lý học nếu lực hấp phụ là lực giữa các phân tử (lực vander waals). Hấp phụ vật lý là quá trình hai chiều (thuận nghịch) 8 chiều ngợc của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ. Hấp phụ vật lý kèm theo hiệu ứng nhỏ (4-25 kj/mol )các chất hấp phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ [4]. 1.1.1.3.2. Hấp phụ hoá học Trong hấp phụ hoá học:các phân tử hoặc chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ bởi các lực bền vững tạo thành những hợp chất hoá học bề mặt mới.Sự hấp phụ hoá học có tính chất chọn lọc và là không thuận nghịch. Nhiệt lợng toả ra trong quá trình hấp phụ hoá học lớn hơn so với sự hấp phụ lý học rất nhiều (có thể lên tới 800 kj/mol ). Đây là tiêu chuẩn để phân biệt hấp phụ lý học và hấp phụ hóa học. Một điểm khác nhau nữa giữa sự hấp phụ lý học và hấp phụ hoá họclà khi tăng nhiệt độ thì sự hấp phụ lý học giảm còn sự hấp phụ hoá học lại tăng. Lực vander waals và lực hóa học đều có cùng một nguồn gốc điện, chúng chỉ khác nhau ở phạm vi tác dụng:lực vander waals tác dụng ở khoảng cách lớn hơn so với lực hoá học. Do đó nếu xảy ra sự hấp phụ hoá học thì giai đoạn đầu tiên phải là sự hấp phụ lý học[4]. 1.1.2 Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn - khí và rắn - dung dịch 1.1.2.1 Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn - khí Bề mặt vật rắn khác bề mặt lỏng là không đồng nhất. Sơ đồ sau cho thấy sự sinh ra các phần hoạt động khác nhau của tinh thể Niken 9 Các nguyên tử Niken liên kết với bề mặt bằng một liên kết với có năng l- ợng d lớn hơn so với bề mặt bằng hai liên kết do đó có khả năng hấp phụ mạnh và nhiều hơn. Đến lợt mình nguyên tử Ni này kại hấp phụ mạnh và nhiều hơn so với các nguyên tử liên kết với bề mặt bằng ba liên kết. Nh thế trên bề mặt vật rắn bên cạnh những phần có tính chất hoạt động mạnh còn có những phần hạot động yếu.Những phần hoạt động đợc gọi là các trung tâm hoạt động. Đó là các cạnh, các góc, các khe, có chỗ lệch mạng, sai hỏng của tinh thể. Sự có mặt của các nguyên tử lạ (tạp chất) làm biến dạng mạng tinh thể do đó cũng làm tăng số trung tâm họat động. Rõ ràng rằng bề mặt riêng của vật rắn càng lớn thì khả năng hấp phụ của nó càng mạnh [4]. 1.1.2.2 Sự hấp phụ trên ranh giới phân chia rắn -dung dịch Nhìn chung sự hấp phụ trên bề mặt rắn - dung dịch giống sự hấp phụ trên bề mặt rắn - khí. Tuy nhiên sự hấp phụ trên ranh giới phân chia vật rắn -dung dịch phức tạp hơn vì không những chỉ các phân tử của chất hoà tan bị hấp phụ mà còn cả các phân tử của dung môi. Khi khảo sát sự hấp phụ chất tan từ dung dịch trên bề mặt vật rắn cần phải phân biệt hai trờng hợp: sự hấp phụ các chất không điện ly và sự hấp phụ chất điện ly(khi có sự hấp phụ chọn lọc của một trong các ion từ dung dịch). 10