Phân loại đẳng nhiệt hấp phụ và cơ chế hấp phụ

Đường đẳng nhiệt hấp phụ là nguồn thông tin về cấu trúc lỗ hấp phụ, nhiệt hấp phụ và các đặc điểm vật lý hóa học khác. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của chất hấp phụ có thể thu được ở nhiệt độ không đổi và một loạt các điều kiện áp suất tương đối. Để hiểu rõ hơn về các thông tin có trong các đường đẳng nhiệt hấp phụ, đây là một giới thiệu ngắn gọn về phân loại các đường đẳng nhiệt hấp phụ và cơ chế hấp phụ [1, 8, 10, 19, 20, 33, 53-55]: Nhiều đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được chia thành sáu loại (phân loại IUPAC), như trong Hình 1-11 là các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đối với chất hấp phụ microporous có diện tích bề ngoài rất nhỏ, biểu hiện hấp phụ của nó là đường đẳng nhiệt hấp phụ loại I, đường đẳng nhiệt hấp phụ loại I và đường P/Po riêng phần lõm và được đặc trưng bởi sự hình thành của một nền tảng, nền tảng nằm ngang hoặc gần ngang, với sự xuất hiện của áp suất bão hòa của đường đẳng nhiệt hấp phụ hoặc thẳng với P/Po = 1 Giao nhau hoặc biểu hiện như một "đuôi". Phần ban đầu của đường đẳng nhiệt hấp phụ đại diện cho quá trình lấp đầy các lỗ nhỏ hẹp trong chất hấp phụ, khả năng hấp phụ giới hạn của nó phụ thuộc vào thể tích micropore có thể tiếp cận thay vì diện tích bề mặt, và độ dốc của nền tảng ở áp suất tương đối cao hơn là kết quả của sự hấp phụ nhiều lớp trên bề mặt không micropore, chẳng hạn như các lỗ trung bình hoặc lớn cũng như bề mặt bên ngoài. Dây đẳng nhiệt hấp phụ loại II bình thường là sự hấp phụ không nghiêm ngặt từ một lớp đến nhiều lớp do chất hấp phụ không xốp hoặc lỗ lớn gây ra. Sự hiện diện của các điểm uốn cho thấy sự chuyển đổi của hấp phụ một lớp sang hấp phụ nhiều lớp, đó là sự hoàn thành của hấp phụ một lớp và sự khởi đầu của hấp phụ nhiều lớp. Các đẳng nhiệt hấp phụ loại III thường liên quan đến tương tác Adsorbent-Adsorbate yếu hơn và tương tác Adsorbent-Adsorbate mạnh hơn, trong trường hợp này, sự hiệp đồng dẫn đến sự hình thành nhiều lớp hấp phụ trước khi một lớp hấp phụ đơn thống nhất chưa được hoàn thành, do đó khả năng hấp phụ tăng nhanh khi quá trình hấp phụ diễn ra, và tương tác giữa chất hấp phụ-Adsorbate đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ. Hấp phụ hơi nước trên bề mặt không xốp là một ví dụ về đường đẳng nhiệt hấp phụ loại III. Đặc điểm rõ ràng của đường đẳng nhiệt hấp phụ loại IV là sự hiện diện của các vòng trễ, có liên quan nhiều đến sự xuất hiện của sự ngưng tụ mao dẫn, và khả năng hấp phụ liên tục được duy trì trong phạm vi áp suất riêng phần cao hơn và rộng hơn. Phần bắt đầu của nó tương tự như đường đẳng nhiệt hấp phụ loại II, do đó tương ứng với một lớp hấp phụ đơn đến nhiều lớp trên thành lỗ giữa. Nước hình chữ V được thể hiện trong một số than trung bình hoặc microporous trong số ít chất hấp phụ

Đường đẳng nhiệt hấp phụ, giống như đường đẳng nhiệt hấp phụ loại III, tương tác giữa chất hấp phụ-chất hấp phụ rất yếu so với chất hấp phụ-chất hấp phụ, tất nhiên bao gồm cả trường hợp các phân tử nước tạo thành liên kết hydro. Các isothermal hấp phụ loại IV là tương đương, nhưng có ý nghĩa lý thuyết đặc biệt, đại diện cho sự hấp phụ nhiều lớp được hình thành dần dần trên các bề mặt không xốp đồng nhất như than graphite, mỗi chiều cao bước cung cấp khả năng hấp phụ của các lớp hấp phụ khác nhau.

Hình 1-11 IUPAC phân loại hoặc hấp thụ đồng nhiệt

Hình l-11 Các loại đẳng nhiệt hấp phụ theo Liên minh Hóa học Lý thuyết và Ứng dụng Thuần túy (IUPAC)

Đường đẳng nhiệt hấp phụ là sự chồng chất của các khẩu độ khác nhau theo tỷ lệ tổng diện tích bề mặt hoặc dung tích lỗ của chúng để hấp phụ, đối với các lỗ chân lông loại khe, đường đẳng nhiệt hấp phụ N (P) của chúng có thể được thể hiện bằng các loại dưới [56~60]:

trong đó

N(P) là số mol hấp phụ ở áp suất tương đối P;

Hmin và Hmax là khẩu độ zui nhỏ và zui lớn trong chất hấp phụ;

ρ (P, H) là mật độ mol của N tại khẩu độ H áp suất tương đối P;

f(H) là hàm lỗ dung tương ứng với chiều rộng lỗ H và đặc trưng cho sự phân bố khẩu độ của chất hấp phụ.

Evans[58] và các đồng nghiệp sử dụng một phương pháp gần đúng của nhiệt động lực học thống kê, lý thuyết hàm mật độ trường trung bình (Mean field), cho các tính chất của chất lỏng hấp phụ trong lỗ chân lông. Mật độ Chức năng Theory (bằng tiếng Anh). Lý thuyết hàm mật độ trường trung bình là lý thuyết gần đúng về sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng trong pha trung bình-lỏng, được chia thành lực đẩy ngắn và lực hấp dẫn tầm xa. Ảnh hưởng của tương tác từ xa đối với tính chất của chất lỏng có thể được xử lý gần đúng theo lý thuyết hàm mật độ trường trung bình; Hiệu ứng đẩy gần được mô hình hóa thông qua sự sắp xếp tương đương của quả cầu cứng. Dự đoán của lý thuyết hàm mật độ trường trung bình về giai đoạn cân bằng hấp phụ trong các lỗ chân lông lớn tương đương với mô hình hấp phụ được đề xuất dựa trên phương pháp phân tích nhiệt động lực học, trong khi mô tả các phân tử hấp phụ trong các lỗ chân lông nhỏ hơn gần với thực tế, đặc biệt có thể dự đoán độ dày của lớp hấp phụ trên thành lỗ chân lông và có thể cho thấy sự thay đổi trong sự ngưng tụ của mao dẫn vào lỗ chân lông ở kích thước lỗ tới hạn. Tương tác giữa các phân tử được tính toán bằng cách sử dụng phương trình năng lượng tiềm năng Lennard-Jones như đã đề cập trước đó. Năm 1989, sự phân bố khẩu độ của chất hấp phụ carbon được xác định bằng cách sử dụng lý thuyết hàm mật độ bởi Seaton [56] và các cộng sự từ microporous đến midporous. Với

Lời bài hát: Oliver&Conklin (Micromeritics) Ins. Corp. đề xuất một phương pháp tính tổng quát hơn, sử dụng xấp xỉ mật độ không cục bộ hoặc đồng nhất (Nonlocal) hoặc mịn mật độ Phương pháp xử lý chính quy của approximation, mở rộng hơn nữa đến phạm vi lỗ lớn (0,4nm đến 400nm). Sử dụng DFT tác giả [55] và một số học giả nước ngoài [59-62] để mô tả sự phân bố khẩu độ của chất hấp phụ carbon, kết quả cho thấy DFT là một thuật toán đơn giản hơn dựa trên các đường đẳng nhiệt hấp phụ có độ phân giải cao và có thể mô tả toàn bộ phạm vi lỗ chân lông của chất rắn xốp (lỗ nhỏ đến lỗ lớn) chỉ bằng một phương pháp. Ngoài ra, các mô phỏng phân tử phổ biến hiện nay còn có phương pháp Monte-Carlo [63-65], tương tự như phương pháp DFT trước đó, không còn được đề cập ở đây. Tóm lại, từ nghiên cứu hiện tại về chất hấp phụ carbon và các bài báo được công bố trong các ấn phẩm liên quan, mô phỏng phân tử và phân bố khẩu độ của chất hấp phụ carbon là những điểm nóng của nghiên cứu hiện tại.