Hấp phụ và xúc tác

BÀI 8 HẤP PHỤ VÀ XÚC TÁC 8.1. HẤP PHỤ Định nghĩa: là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha - Khí hấp phụ trên bề mặt lỏng, rắn - Chất tan hấp phụ trên bề mặt rắn Phân biệt: Hấp phụ ≠ Hấp thụ Hấp phụ vật lý Hấp phụ Hóa học Tương tác van der Waal Tương tác HH (cộng hóa trị, ion) Không chọn lọc Chọn lọc Đa lớp Đơn lớp Năng lượng liên kết nhỏ, < 20 kJ/mol Năng lượng liên kết lớn, < 250 - 500 kJ/mol Khoảng cách phân tử - bề mặt lớn Khoảng cách phân tử - bề mặt nhỏ 8.1. HẤP PHỤ Ví dụ: Hấp phụ H2 trên Ni Biến thiên năng lượng trong quá trình hấp phụ Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học Phân ly 8.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Đẳng nhiệt: nhiệt độ không đổi Đường đẳng nhiệt: biểu thị mối Hấp phụ là quá trình thuận nghịch: hấp phụ ↔ giải hấp A(k) + S (r) A---S(r) ka kd Cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ, môi trường quan hệ mối quan hệ dung lượng hấp phụ (q) với nồng độ chất bị hấp phụ ở thời điểm cân bằng. Dung lượng hấp phụ: lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị chất hấp phụ, đơn vị: mg (chất bị hấp phụ)/g (chất hấp phụ), .. Ccb qcb qmax T = constant 8.3 Thực nghiệm xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Thí nghiệm ở T không đổi, thể tích V TN Kl chất hp C0 bị hấp phụ C cân bằng q = ΔC/(m/V) 1 m C0,1 Ccb,1 q1 2 m C0,2 Ccb,2 q2 . m Lưu ý: phải xác định thời gian để hệ đạt cân bằng trước khi xác định nồng độ cân bằng.n m C0,n Ccb,n qn C t * * * * * * * * * tcb Ccb qcb qmax T = constant Đường động học hấp phụĐường đẳng nhiệt hấp phụ * * * * * * * * * 8.4 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 1. Mô hình Langmuir 2. Mô hình Freundlich 3. Mô hình Brunauer, Emmett, Teller (BET) Các mô hình mô tả dung lượng hấp phụ theo nồng độ cân bằng . 8.4 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 8.4.1. Mô hình Langmuir Các điều kiện: -Mỗi tâm trên bề mặt hấp phụ 1 phân tử - Không có tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ Xây dựng mô hình: - σ0: mật độ tâm hấp phụ, số tâm/m 2 - θ: phần tâm đã hấp phụ → θ σ0 là nồng độ chất bị hấp phụ trên bề mặt Tốc độ hấp phụ: rhp = k[A](1- θ)σ0 Tốc độ giải hấp: rgh = k’σ0θ Khi cân bằng k[A](1- θ)σ0 = k’σ0θ → 1/ θ = 1+1/(K[A]), K = k/k’ ][1 ][ max AK AK qq  θ = q/qmax 8.4 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 8.4.2. Mô hình Feundlich n cbcb Aaq /1 ][ a, n là các hằng số thực nghiệm Mô hình FeundlichMô hình Langmuir Ccb qcb qmax T = constant * * * * * * * * * Ccb qcb T = constant * * * * * * * * Mô tả tốt hấp phụ đa lớpMô tả tốt hấp phụ đơn lớp 8.5 Phản ứng trên bề mặt xúc tác  Các bước trong phản ứng xúc tác: B1: Khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt xt - Khuếch tán ngoài - Khuếch tán trong lỗ xốp B2: Hấp phụ B3: Phản ứng B4: Giải hấp sản phẩm B5: Khuếch tán sản phẩm ra ngoài 8.5 Phản ứng trên bề mặt xúc tác  Quy luật tốc độ phản ứng xúc tác: Phản ứng xúc tác bậc 1: A + S AS → B + S, S kí hiệu cho tâm xt Giả thiết các giai đoạn khuếch tán không ảnh hưởng đến phản ứng Tốc độ phản ứng: k2k1 K-1 ]...[ ][ 2 SAk dt Bd r  Nồng độ AS trên bề mặt xúc tác: 00 ][1 ][ ]...[  AK AK SA   02 ][1 ][  AK AK kr   Bậc phản ứng có thể thay đổi tùy theo nồng độ A (trong khoảng 0 - 1) 8.5 Phản ứng trên bề mặt xúc tác Các trường hợp phức tạp hơn: - Hấp phụ phân ly: - Phản ứng của các chất hấp phụ trên bề mặt → Cần xác định phần trăm tâm hấp phụ cho từng loại để tính tốc độ phản ứng. A2(k) + 2S (r) 2A---S(r)