Language
Country/Area
No result found
Vũ điệu của các phân tử: Làm thế nào mà sự hấp phụ diễn ra lặng lẽ trong tự nhiên?
Sự hấp phụ là quá trình mà các nguyên tử, ion hoặc phân tử của một chất trong chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn hòa tan bám vào bề mặt. Quá trình này hình thành một lớp màng mỏng gọi là chất hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ. Sự hấp thụ khác với sự hấp thụ trong đó chất lỏng (chất hấp thụ) được hòa tan hoặc thẩm thấu vào chất lỏng hoặc chất rắn (chất hấp thụ). Sự hấp phụ là một hiện tượng bề mặt và được phân biệt rõ ràng với sự hấp thụ.
Hoạt động của nhiều hệ thống tự nhiên và nhân tạo phụ thuộc vào những tác động tinh tế của hiện tượng hấp phụ, bao gồm sự hấp phụ các chất ô nhiễm từ không khí và quá trình làm sạch nước.
Quá trình hấp phụ có thể được chia thành hấp phụ vật lý (physisorption) và hấp phụ hóa học (chemisorption). Sự hấp phụ vật lý chủ yếu được gây ra bởi lực van der Waals yếu, trong khi sự hấp phụ hóa học liên quan đến liên kết cộng hóa trị mạnh. Quá trình này cũng có thể xảy ra do lực hút tĩnh điện. Bản chất của sự hấp phụ có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của chất bị hấp phụ; ví dụ, sự hấp phụ vật lý của một polyme từ dung dịch có thể dẫn đến cấu trúc bị đè bẹp trên bề mặt. Quá trình này không chỉ tồn tại trong tự nhiên mà còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như chất xúc tác lai, than hoạt tính, máy làm mát hấp phụ và lọc nước.
Trong ngành dược phẩm, hấp phụ cũng được sử dụng để kéo dài thời gian tiếp xúc của hệ thần kinh với một số loại thuốc nhất định, đây là một ứng dụng ít được biết đến.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Sự hấp phụ khí và chất tan thường được mô tả bằng đường đẳng nhiệt, tức là mối quan hệ giữa lượng chất bị hấp phụ trên chất hấp phụ và áp suất (đối với chất khí) hoặc nồng độ (đối với chất tan dạng lỏng) ở nhiệt độ không đổi. Cho đến nay, có mười lăm mô hình đẳng nhiệt khác nhau đã được phát triển, một trong những mô hình sớm nhất được Freundlich đề xuất vào năm 1906.
Mô hình Freundlich
Đường đẳng nhiệt Freundlich dựa trên công thức thực nghiệm liên quan đến khối lượng của chất hấp phụ, khối lượng của chất bị hấp phụ và áp suất của nó, mô tả ngắn gọn những thay đổi trong quá trình hấp phụ. Mặc dù công thức này không thể mô tả chính xác hoàn toàn đường đẳng nhiệt trong một số điều kiện nhất định, nhưng nó đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu hấp phụ.
Mô hình Langmore
Đến năm 1918, Langmuir đã phát triển một mô hình đẳng nhiệt bán thực nghiệm dựa trên nhiệt động lực học thống kê, có nhiều ứng dụng rộng rãi. Giả định chính của mô hình này là tất cả các vị trí hấp phụ đều tương đương nhau và mỗi vị trí chỉ có thể chứa một phân tử. Mặc dù những giả định này không nhất thiết đúng trong thực tế, nhưng mô hình Langmuir vẫn là lựa chọn ưu tiên cho hầu hết các mô hình hấp phụ.
Cơ chế hấp phụ Langmuir cho thấy các phân tử khí có thể hình thành trạng thái cân bằng với các vị trí hấp phụ và hấp phụ và giải hấp phụ ở các hằng số tốc độ cụ thể.
Mô hình BET
Theo thời gian, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các phân tử bị hấp phụ thường không nằm trong một lớp duy nhất mà có thể tạo thành nhiều lớp. Năm 1938, Bruner, Emmett và Taylor đã đưa ra lý thuyết BET để giải thích hiện tượng này. Lý thuyết này sửa đổi cơ chế Langmuir, có thể phân tích quá trình hấp phụ nhiều lớp và cung cấp mô hình toán học chính xác hơn.
Tính chất nhiệt động của sự hấp phụ
Hằng số hấp phụ là hằng số cân bằng và do đó tuân theo phương trình Van't Hoff. Phương trình này thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt hấp phụ (ΔH) và hằng số cân bằng hấp phụ (K), qua đó cho thấy đặc điểm nhiệt động lực học của quá trình hấp phụ. Theo cách này, các nhà khoa học có thể hiểu sâu hơn về cơ chế hấp phụ và tác động của nó lên hệ thống.
Khi chúng ta đi sâu hơn vào hiện tượng hấp phụ, chúng ta bắt đầu nhận ra tầm quan trọng của nó trong nhiều quá trình tự nhiên và nhân tạo.
Sự hấp phụ đóng vai trò không thể thiếu trong hệ sinh thái, quá trình công nghiệp và đời sống hàng ngày. Khi chúng ta nghĩ về các ứng dụng công nghệ của hiện tượng này và tác động của nó đến môi trường, chúng ta không khỏi tự hỏi: Làm thế nào quá trình hấp phụ có thể tạo ra nhiều khả năng hơn cho chúng ta giữa việc phát triển các công nghệ mới và duy trì cân bằng sinh thái?
