Hình 1.5: Sơ đồ quy trình sản xuất cà phê hòa tan

Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



Thuyết minh quy trình

 Nguyên liệu: Cà phê sau khi được loại vỏ hết các lớp vỏ bên ngoài còn lại

nhân cà phê được đem đến nhà máy để tiến hành thực hiện các khâu sản xuất tiếp

theo tạo thành cà phê rang xay hay cà phê hòa tan.

 Rang: Trong quá trình rang cà phê dưới tác động của nhiệt độ dẫn đến các

biến đổi về vật lý, hóa học ở cà phê nhân, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra tạo nên

hương vị và màu sắc đặc trưng của cà phê thành phẩm. Nhiệt độ của hạt cà phê

trong quá trình rang dao động từ 160 – 250 oC.

 Nghiền: Quá trình nghiền cà phê rang có mục đích là giảm kích thước của

hạt cà phê, phá vỡ cấu trúc vốn có của hạt cà phê rang để tạo điều kiện thuận lợi cho

quá trình trích ly. Ngoài ra, mục đích của quá trình nghiền còn nhằm tạo điều kiện

cho một số khí (đặc biệt là khí CO 2) được sinh ra trong quá trình rang và bị giữ lại

bên trong hạt sẽ thoát ra ngoài, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bao gói.

Để thuận lợi cho quá trình trích ly tiếp theo, hạt cà phê sau khi nghiền không

được còn quá thô hoặc quá mịn.

 Trích ly: Đây là giai đoạn quan trọng nhất. quyết định đến chất lượng, hương vị và

cả sản lượng của cà phê hòa tan.

Mục đích của quá trình: khai thác các chất hòa tan trong bột cà phê.

Thực hiện: Cho dung môi tiếp xúc trực tiếp với cà phê trong thiết bị, các chất

hòa tan sẽ tan vào nước và được tách ra để đưa tiếp vào giai đoạn sau.

 Sấy phun: Quá trình sấy cô đặc nhằm tách nước để thu hồi sản phẩm dạng bột. Tác

nhân sấy là không khí sạch nóng Sản phẩm cà phê hòa tan thường có độ ẩm từ 2 -5



-



%.

Quá trình sấy phun gồm 3 giai đoạn cơ bản:

Giai đoạn phun sương: chuyển nguyên liệu cần sấy thành dạng sương mù nhờ cấu



-



trúc phun sương trong thiết bị sấy phun.

Giai đoạn trộn mẫu (dạng sương) với không khí nóng để tách ẩm ra khỏi nguyên



-



liệu. thời gian tách ẩm diễn ra từ vài giây đến hai chục giây.

Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau sấy từ dòng không khí thoát: Người ta có thể thu

hồi sản phẩm bằng hệ thống cyclone.



Lớp 12B QLTNMT



11



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



 Phối trộn: Mục đích quá trình phối trộn nhằm bổ sung các nguyên liệu phụ như

đường, sữa bột, các loại bột kem … vào bột cà phê nhằm cải thiện giá trị cảm quan

của sản phẩm.

 Bao gói: Các điều kiện môi trường có ảnh hưởng đến chất lượng cũng như thời gian

bảo quản sản phẩm. Nếu bao gói trong điều kiện bình thường thì oxy không khí, hơi

nước, vi sinh vật.. có thể đi vào sản phẩm làm thất thoát các cấu tử hương ra môi

trường, giảm chất lượng mùi, vị của cà phê. Vì vậy quá trình đóng gói thường có

nạp khí Nitơ, CO2, … để bột cà phê khỏi bị oxy hóa, các chất dầu không bị ôi, vi

sinh vật khó xâm nhập.

Cà phê hòa tan có thể bảo quản 18 tháng nếu trong bao bì: độ ẩm thấp hơ 4 -5%,

oxy thấp hơn 4%.

Việt Nam hiện có 5 doanh nghiệp sản xuất cà phê hòa tan công suất khoảng

35000 – 40 000 tấn, tương đương 100 000 tấn cà phê nhân (chiếm khoảng 5% sản

lượng cà phê nhân hàng năm). Theo một số nghiên cứu quá trình trích ly cà phê

nhân để sản xuất cà phê hòa tan chỉ tách được khoảng 1% thành phần trong cà phê

nhân, 99% còn lại đều nằm lại trong bã cà phê và bị thải bỏ ra ngoài cùng bã cà

phê. Như vậy, hàng năm ngành công nghiệp sản xuất cà phê hòa tan thải ra môi

trường khoảng 99 000 tấn bã cà phê. Xuất phát từ tình hình trên nên bã cà phê

ngày càng được các nhà khoa học sử dụng làm vật liệu cho quá trình nghiên cứu,

tận thu chất thải.

1.4. Giới thiệu về bã cà phê

1.4.1. Nguồn thải và tác động

Việt Nam là nước nông nghiệp có sản lượng cà phê xuất khẩu đứng thứ 2 trên

thế giới (sau Brazil). Theo số liệu của Bộ nông nghiệp Hoa Kì (USDA) lượng cà

phê hòa tan xuất khẩu của Việt Nam niên vụ 2011-2012 là 21.600 tấn . Nhu cầu tiêu

thụ cà phê hòa tan trong nước cũng ngày càng tăng, theo tổng cục thống kê năm

2011, tổng nhu cầu tiêu thụ cà phê trong nước là 60 000 tấn/năm, trong đó cà phê

hòa tan chiếm khoảng 19 000 tấn, cà phê rang xay có thương hiệu chiếm 35 000 tấn,

còn lại là cà phê rang xay không có thương hiệu [4].

Từ các số liệu trên có thể nhận thấy lượng bã cà phê thải ra hàng năm của nước

Lớp 12B QLTNMT



12



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



ta là rất lớn. Hầu hết lượng bã này bị bỏ đi gây lãng phí một nguồn nguyên liệu tiềm

năng và ô nhiễm môi trường xung quanh.

Theo một số nghiên cứu trong thành phần của bã cà phê có hàm lượng đường

khá cao khoảng 14,4%. Trong quá trình lên men phần đường này sẽ bị phân hủy

thành rượu và khí cacbonic, sau đó rượu được biến thành acid axetic làm giảm pH

của nước. Ngoài ra hàm lượng protein trong bã cà phê cũng chiếm khoảng 10,1%,

hàm lượng pectin chiếm 52,62 - 55,14 %, cellulose 15,29 - 17,04 % [7]. Đây là

thành phần khó bị phân hủy vì vậy trong nước thải cà phê những thành phần này

thường được kết tủa thành một lớp đen hoặc xanh trên bề mặt làm mất cảnh quan

môi trường.`

Nước thải cà phê nếu không có biện pháp xử lý hợp lý, quản lý chặt chẽ thì

không chỉ ảnh hưởng tới mỹ quan môi trường trong vùng mà hệ sinh thái, sức khỏe

cộng đồng cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Một bài học được rút ra từ Costa Rica

vào những năm 80, hai phần ba tổng lượng BOD của các con sông là do nước thải

cà phê thải ra, biến thành những con sông chết.

1.4.2. Một số ứng dụng của bã cà phê

Cà phê là một trong những loại đồ uống được tiêu thụ rộng rãi nhất trên thế giới.

Đời sống xã hội tăng cao dẫn đến nhu cầu tiêu thụ cà phê cũng ngày càng cao. Bã

cà phê là phần chất thải rắn thu được từ quá trình xử lý cà phê thô ở nhiệt độ cao để

chuẩn bị cho quá trình tạo cà phê bột. Hàng năm ngành công nghiệp sản xuất cà phê

thải ra khoảng 6 tỷ tấn bã cà phê (Tokimoto, Kawasaki, Nakamura, Akutagawa &

Tanada, 2005). Với một số lượng lớn được thải ra hàng năm như thế nên bã cà phê

đã trở thành nguồn vật liệu thích hợp nghiên cứu. Trên thế giới đã có 1 vài nghiên

cứu về tác dụng của bã cà phê như sử dụng làm nhiên liệu nồi hơi do nó có khả

năng sinh nhiệt cao khoảng 5000kcal/kg (Silva, Nebra & Sanchez, 1998), hay sử

dụng làm nguồn nguyên liệu chống oxy hóa (Yen, Wang, Chang & Duh, 2005).

Kondamudi, Mohapatra and Misra (2008) đã giải thích rằng bã cà phê có thể sử

dụng cho sản xuất dầu sinh học và làm chất đốt. Bã cà phê cũng được xem là chất

hấp phụ rẻ và sẵn có để loại bỏ các ion dương trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm

Lớp 12B QLTNMT



13



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



(Franca, Oliveira & Ferreira, 2009).

Ở Việt Nam, bã cà phê đang là một trong những nguồn nguyên liệu tiềm

năng cho những hướng nghiên cứu mới của các khoa học như: Nghiên cứu khả

năng tách chiết dầu từ bã cà phê [4], nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng

Cr6+ và màu của nước thải dệt nhuộm bằng bã cà phê [12]. Ngoài ra bã cà phê còn

có tác dụng làm phân bón cho cây, khử mùi hôi giầy, tủ quần áo, làm đẹp da…

Trong đề tài này bã cà phê được tận dụng làm nguyên liệu cho quá trình nhiệt

phân tạo than ứng dụng trong xử lý môi trường.

1.5. Tổng quan về công nghệ nhiệt phân

1.5.1. Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân

Quá trình nhiệt phân để thu hồi sản phẩm than được tiến hành ở nhiệt độ thấp và

kéo dài hàng giờ. Vật liệu không được tiếp xúc với không khí để tránh quá trình

cháy xảy ra. Thông thường thì than và chất vô cơ sẽ lưu lại trong pha rắn còn các

hợp chất hữu cơ bay hơi và nước sẽ được ngưng tụ trong pha hơi.

-



Pha khí thải thu được từ quá trình nhiệt phân thường được ngưng tụ thành



pha lỏng để làm nhiên liệu sinh học và pha khí không ngưng tận dụng cho buồng

đốt tại nhiệt độ 500 – 6000C.

-



Pha cacbon đưa ra ngoài ở nhiệt độ trung bình, cuối quá trình làm mát gián



tiếp, trạng thái khô

Phản ứng nhiệt phân chất thải rắn được mô tả tổng quát như sau:

Chất thải → các chất bay hơi (khí gas) + cặn rắn

Trong đó: Khí gas gồm: CxHx, H2, COx, NOx, SOx và hơi nước

Cặn rắn: cacbon cố định + tro

Khi nhiệt lượng Q từ thiết bị truyền đến các lớp vật liệu làm cho nội năng

của pha khí và các hạt vật liệu rắn tăng lên. Trong quá trình tăng nội năng các phân

tử nước trong cấu trúc của vật liệu bắt đầu đi từ trong ra ngoài bề mặt làm xảy ra

quá trình thoát hơi ẩm tự do và hơi ẩm liên kết ra khỏi bề mặt hạt vật liệu rắn. Đồng

thời với các quá trình thoát hơi ẩm các nguyên tử C, H, O,… tại các nút mạng tinh



Lớp 12B QLTNMT



14



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



thể trong cấu tạo của vật liệu sẽ trở nên linh động hơn, làm cho các liên kết cacbon

và cacbon, cacbon và hydro, cacbon và oxy hoặc các gốc tự do khác nếu có trở nên

yếu đi. Khi hạt chất rắn nhận một năng lượng đủ lớn, các liên kết trong phần tử hạt

rắn sẽ bị đứt gãy dẫn đến kết quả tạo thành các chất hữu cơ mà chủ yếu là các

hydrocacbon và aldehyt. Lượng và thành phần chất hữu cơ tạo thành phụ thuộc vào

nhiệt độ và thành phần cấu tạo bên trong của hạt vật liệu rắn. Các chất hữu cơ tạo

thành sẽ thoát ra khỏi hạt vật liệu rắn đi vào trong pha khí. Nghiên cứu của Goh và

cộng sự (1998) đã chỉ ra các chất hữu cơ bay hơi được giải phóng ở nhiệt độ khoảng

2600C hoặc theo nghiên cứu của Ryn và cộng sự (2001) là 3000C.

Khi các liên kết ban đầu của vật liệu bị đứt gãy, kích thước hạt vật liệu rắn sẽ

giảm dần đồng thời các liên kết mới cũng được tạo thành, tạo ra sản phẩm mới ở thể

rắn là than. Tốc độ tạo thành than cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần cấu

tạo của vật liệu rắn.

Lúc này, ôxy tự do từ trong pha khí bao quanh bên ngoài hạt rắn khuếch tán

đến bề mặt của hạt vật liệu rắn, sẽ tiếp xúc với các nguyên tử cacbon của phần tử

than và tạo ra phản ứng cháy (phản ứng ôxy hoá khử), sinh ra năng lượng.Tốc độ

cháy của than được kiểm soát bởi sự khuếch tán của lớp phim khí hỗn hợp và tốc độ

phản ứng.

Tương ứng với các quá trình xảy ra trong pha rắn, pha khí bao quanh một hạt

vật liệu rắn cũng xảy ra các quá trình tương ứng. Khi hạt vật liệu rắn giải phóng hơi

ẩm, phần tử hơi nước khuếch tán từ trong hạt vật liệu ra bên ngoài pha khí bao

quanh làm cho mật độ của phần tử hơi nước tăng lên tại một thời điểm tức thời.

Phần tử hơi ẩm ngay lập tức bị lôi cuốn bởi pha khí đi từ dưới lên làm giảm

mật độ hơi ẩm trong vùng thể tích hữu hạn bao quanh hạt rắn. Khi các chất hữu cơ

trong pha rắn được tạo thành và khuếch tán ra khỏi lớp bề mặt của hạt vật liệu rắn,

các phần tử chất hữu cơ sẽ tiếp xúc với ôxy và bắt cháy, sinh năng lượng.

Sản phẩm cháy và các chất hữu cơ bay hơi chưa cháy, ôxy và các phần tử khí

khác sẽ chuyển động sang những thể tích hữu hạn khác ở bên cạnh và bên trên.

Năng lượng sinh ra từ các phản ứng cháy sẽ trao đổi nhiệt trực tiếp với pha khí và

truyền nhiệt ngược đến pha rắn bằng bức xạ.

 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân

- Loại vật liệu nhiệt phân



Lớp 12B QLTNMT



15



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



- Nhiệt độ đủ cao để nhiệt phân và có dải nhiệt độ thích hợp

- Có thời gian lưu đủ dài.

1.5.2. Công nghệ nhiệt phân chất thải rắn

Năng lượng cần thiết cho việc khởi động ban đầu đều dựa vào nhiên liệu cung

cấp đầu vào. Quá trình nung nóng này được thực hiện đốt gián tiếp từ nhiên liệu

trong buồng đốt bên ngoài ống chứa vật liệu nhiệt phân. Nhiệt được cung cấp gián

tiếp qua thành thiết bị đến vật liệu.

- Giai đoạn 1: Năng lượng được truyền đến vật liệu qua thành thiết bị lò quay.

Vật liệu được đảo trộn và rải đều từ dưới lên qua thành thiết bị đến vật liệu quay

tròn bên trong. Nhiệt được truyền từ thiết bị đến vật liệu. Vật liệu tiếp xúc với thành

thiết bị được gia nhiệt, đảo trộn trong lò nhờ những cánh hướng dòng. Vật liệu

được làm nóng hoàn toàn. Do đó, tính dẫn nhiệt của vật liệu sinh khối là là một yếu

tố kỹ thuật rất quan trọng cần tính đến trong thiết kế. Thông thường khi tính toán

dựa trên khả năng dẫn nhiệt thấp, tính dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào các tác

nhân vật lý và tác nhân hóa học.

- Giai đoạn 2: Truyền nhiệt qua các lớp vật liệu.

Khi vượt quá nhiệt độ 270OC bắt đầu xảy ra quá trình phân hủy nhiệt (phản ứng

tỏa nhiệt) bên trong vật liệu.

Quá trình xảy ra phản ứng tỏa nhiệt diễn ra rất trậm, do đó quá trình tạo sản

phẩm khí không thu được trong thời gian ngắn. Pha khí được hút ra cưỡng bức

bằng quạt hút.

Thiết kế kỹ thuật nhiệt của lò phản ứng có liên quan đến năng lực vận chuyển

trong là và nguyên liệu đầu vào. Vật liệu đầu vào thường là hỗn hợp của hữu cơ, vô

cơ. Các phản ứng nhiệt phân không chỉ xảy ra theo trình tự, nhưng đồng thời cũng

có hàng loạt các phản ứng khác xảy ra với các mức độ năng lượng khác nhau. Các

chất có mặt O2 trong cấu trúc khá ổn định ở nhiệt độ thấp dưới 200 OC. Tuy nhiên,

khi nóng lên trên 300OC, sẽ tạo CO2, và trên 500OC sẽ tạo CO và H2.

1.5.3. Đặc điểm sản phẩm than của quá trình nhiệt phân

Sản phẩm than thu được từ quá trình nhiệt phân có tỷ lệ khác nhau ở mỗi điều

Lớp 12B QLTNMT



16



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



kiện nhiệt độ, từ 42% - 49,12% ở 400 0C giảm xuống còn 14% - 29,14% ở 700 0C.

Như vậy, khi tăng nhiệt độ của quá trình thì tỷ lệ than thu được giảm, lượng sản

phẩm khí thu được tăng.

Thông số nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến quá trình cũng như ảnh hưởng của thời

gian than hóa và mối quan hệ tương hỗ giữa 2 yếu tố.

Phần cacbon còn lại trong than, phần trăm H và O bị loại ra khỉ vật liệu được

xác định là một thông số của quá trình. Đây là mục tiêu của quá trình than hóa: tạo

ra tối đa lượng cacbon còn lại trong pha rắn trong khi loại bỏ tối đa lượng H, O ra

khỏi vật liệu. Các thông số C, H, O có thể được xác định như là chức năng tối ưu

của quá trình than hóa. [20]

Quá trình nhiệt phân sẽ dẫn đến thay đổi về thành phần hóa học vì vậy đặc điểm

và tính chất của sản phẩm than thu được phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu được

tiến hành nhiệt phân. Việc giải phóng pha hơi dẫn đến tăng tỉ lệ của chất vô cơ có

trong mẫu than. Tất cả các mẫu sinh khối được làm giàu thành dạng nhiên liệu trong

quá trình nhiệt phân do tăng tỉ lệ %C và giảm tỉ lệ %O. Các mẫu than thu được có

hàm lượng C cao (76-95%), bỏ qua hàm lượng S, hàm lượng N dưới 1% [21]. Theo

dự báo, các mẫu than thu được có giá trị nhiệt lượng cao hơn so với mẫu nguyên

liệu ban đầu do tỉ lệ %C cao hơn. Sự khác nhau giữa các giá trị nhiệt lượng đối với

các loại than trên là khá lớn. Các giá trị nhiệt lượng dao động trong khoảng 25

MJ/kg - 30 MJ/kg.



Quá trình bốc hơi tạo ra cấu trúc lỗ rỗng xốp trên bề mặt vật liệu và bên trong

vật liệu, đối với nhiệt độ nhiệt phân khác nhau, thời gian nhiệt phân khác nhau sẽ

dẫn đến mẫu than thu được các lỗ rỗng khác nhau, chủ yếu là loại macro, mesopore

và loại micropore lớn. Diện tích bề mặt của than (BET) dao động trong khoảng rất

lớn từ vài m2/gam đến vài trăm m2/gam. Tuy nhiên diện tích bề mặt của than nhiệt

phân nhỏ hơn rất nhiều so với than hoạt tính.

Sản phẩm than thu được sau quá trình nhiệt phân có thể sử dụng rộng rãi trong



Lớp 12B QLTNMT



17



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp, nông nghiệp, môi trường… Trong giới hạn

đề tài này sản phẩm than thu được sau quá trình nhiệt phân sẽ được sử dụng làm vật

liệu để nghiên cứu quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm trong môi trường nước.

1.6. Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ

1.6.1. Động học quá trình hấp phụ

Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt giai đoạn

kế tiếp nhau:

-



Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn



khuếch tán trong dung dịch.

Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ

chứa các hệ mao quản. Đây là giai đọan khuếch tán màng.

Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp

phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.

Các phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là

giai đoạn hấp phụ thực sự.

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay khống

chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước,

quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định. Tải trọng hấp phụ sẽ

thay đổi theo thời gian tới khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng.

Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có:

d

r= x

dt



(1)

Khi tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian



thì:

r=



dx

dt = β.(C - C )= k.(q - q)

i

f

max



(2)



Trong đó:

β : hệ số chuyển khối

Ci : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu(mg/l)

Cf : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l)

k : hằng số tốc độ hấp phụ

qmax : tải trọng hấp phụ cực đại

q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm t



Lớp 12B QLTNMT



18



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



I.6.1.1. Động học hấp phục bậc 1

Phương trình động học bậc 1 có dạng:

dqt

= k1 (qe − qt )

dt



(3)



Trong đó:

qe,qt: Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t bất kì t (mg/g)

k: Hằng số động học bậc 1 (1/phút)

Khi t biến thiên trong khoảng 0÷t, q biến thiên trong khoảng 0÷qt, phương trình

(3) trở thành:

log( qe − qt ) = log( qe ) −



k1

t

2.303



(4)



Các giá trị (qe-qt) có tính tuyến tính với t.

I.6.1.2. Động học hấp phụ bậc 2

Phương trình động học bậc 2 có dạng:

`



dqt

= k2 (qe − qt ) 2

dt



(5)



Trong đó: k2: hằng số hấp phụ bậc 2 ( g/mg.phút)

Khi t biến thiên trong khoảng 0÷t, q biến thiên trong khoảng 0÷qt, phương trình

(5) trở thành

1

1

= + kt

(qe − qt ) qe

Phương trình (5) có thể viết lại thành:

t

1

1

=

+ t

2

qt k2 .q e qe



(6)



(7)



Nếu tỉ lệ hấp phụ ban đầu, h(mg/g.phút): h = k2 . qe2



(8)



Phương trình (7) trở thành:



1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng



t 1 1

= + i

qt h qe



đến quá trình hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình phức tạp, nó chịu ảnh hưởng của một số yếu tố sau:



Lớp 12B QLTNMT



19



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



a. Ảnh hưởng của dung môi

Hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là khi chất tan bị hấp phụ

càng mạnh thì dung môi bị hấp phụ càng yếu. Dung môi có sức căng bề mặt càng

lớn thì chất tan càng dễ bị hấp phụ. Chất tan trong dung môi nước bị hấp phụ tốt

hơn so với dung môi hữu cơ.

b. Tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

Thông thường, các chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực và các chất

không phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt không phân cực. Ngoài ra, độ xốp của chất

hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Khi giảm kích thước mao quản

trong chất hấp phụ xốp thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên. Nhưng đến một

giới hạn nào đó, khi kích thước mao quản quá nhỏ sẽ cản trở sự đi vào của chất bị

hấp phụ.



c. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, sự hấp phụ trong dung dịch giảm. Tuy nhiên, đối với những

cấu tử tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng sẽ làm cho nồng độ của nó trong

dung dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ sẽ tăng lên.

d. Ảnh hưởng của pH môi trường

pH ảnh hưởngnhiều đến tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

trong dung dịch nên cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ. Ngoài ra còn có các

yếu tố khác như: nồng độ của chất tan trong dung dịch, áp suất đối với chất khí, quá

trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ.

1.7. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt

- Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = f(T) (P hoặc C) được gọi là

đường hấp phụ đẳng nhiệt.

- Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ

tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời



Lớp 12B QLTNMT



20



Viện KH và CN Môi trường



Luận văn thạc sĩ kĩ thuật



Trịnh Thị Thu Hương



điểm đó ở một nhiệt độ xác định.

- Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường

hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình như: phương trình hấp phụ

đẳng nhiệt Henry, Frenundrich, Langmuir…

1.7.1. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir

Hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được ứng dụng thành công trong nhiều quá trình

hấp phụ chất ô nhiễm và được sử dụng rộng rãi đối với quá trình hấp phụ chất tan từ

dung dịch. Những giả định của thuyết Langmuir như sau

-



Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.

Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.

Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu



phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên

các trung tâm bên cạnh.

Như vậy, trên bề mặt chất hấp phụ chỉ hình thành một lớp hấp phụ đơn phân tử.

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt đơn lớp Langmuir cho phép ước tính khả năng hấp phụ

tối đa của vật liệu (Qm) được biểu diễn bởi biểu thức: [7]

b.Ccb

q = qmax

1 + b.Ccb



(9)



Trong đó:

q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).

qmax : tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g).

b : hằng số chỉ ái lực của vị trí liên kết trên bề mặt chất hấp phụ.

Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

-



Khi b.C << 1 thì q = qmaxb.C mô tả vùng hấp phụ tuyến tính.



-



Khi b.C >> 1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ bão hòa.



Khi nồng độ chất hấp phụ nằm trung gian giữa hai khoảng nồng độ trên thì

đường biểu diễn phương trình Langmuir là một đường cong



Lớp 12B QLTNMT



21



Viện KH và CN Môi trường