- Chương 5 HẤP PHỤ CỦA ĐẤT. - Hấp phụ là đặc tính của đất có thể hút được các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí hoặc làm tăng nồng độ của các chất đó trên bề mặt của hạt keo đất. - Đất có khả năng hấp phụ là nhờ keo đất có tỷ diện lớn nên có năng lượng bề mặt lớn. - Vì vậy keo đất đóng vai trò quyết định đối với sự hấp phụ của đất. - 5.1 Các nhóm chức bề mặt. - Hình 5.2 Các ví dụ về phức chất bề mặt. - 5.2 Sự hấp phụ. - Sự hấp phụ là sự tích tụ vật chất ở trên bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng. - Vật chất tích tụ trên một bề mặt theo sự sắp xếp phân tử hai chiều được gọi là chất bị hấp phụ. - Bề mặt của chất rắn mà trên đó nó tích tụ vật chất gọi là chất hấp phụ. - Một phân tử hay một ion trong dung dịch đất có thể bị hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ.. - Nếu một ion bị hydrát hoá không hình thành phức chất với một nhóm chức bề mặt tích điện mà chỉ trung hoà điện tích bề mặt thì người ta gọi đó là bị hấp phụ bằng đám ion khuếch tán (hình 5.3). - Vì liên kết cộng hoá trị phụ thuộc nhiều vào cấu hình điện tử đặc trưng (riêng) của cả nhóm chức bề mặt lẫn ion tạo phức nên có thể xem sự tạo phức bề mặt cầu nội là sự hấp phụ đặc trưng. - Sự tạo phức theo cơ chế đám ion khuếch tán và phức bề mặt cầu ngoại được gọi là sự hấp phụ không đặc trưng (nonspecific adsorption) do ít phụ thuộc vào cấu hình điện tử của nhóm bề mặt và ion được hấp phụ.. - Hình 5.3 Ba cơ chế hấp phụ cation trên bề mặt siloxan của montmorillonit. - Theo kinh nghiệm, các ion được hấp phụ đặc trưng (như K+ và HPO42-) không được xem là ion “dễ trao đổi”. - Một số cơ chế liên kết của chất hữu cơ hoà tan với khoáng vật của đất có thể được trình bày bằng khái niệm tạo phức bề mặt và cơ chế hấp phụ đã được trình bày ở phần trên. - Cầu nước (phương trình 3.14) có liên quan với các ion bề mặt đã hydrát hoá nhưng không có phản ứng trao đổi: đơn vị phân tử hữu cơ B hình thành phức bề mặt cầu ngoại với cation hấp phụ Mm+. - Cầu cation xuất hiện nếu B hình thành phức bề mặt cầu nội trực tiếp với Mm+ đã hấp phụ. - 5.3 Điện tích bề mặt. - Các giá trị s H của các chất hấp phụ này có thể đo được được bằng chuẩn độ giống như đã mô tả đối với mùn đất ở mục 3.4. - Không giống như điện tích bề mặt thực, s IS và s OS chỉ phát sinh do các thành phần của dung dịch đất được hấp phụ bởi bề mặt hạt. - Điện tích làm cho cân bằng này phát sinh do các ion trong dung dịch đất không được liên kết vào các phức chất bề mặt nhưng vẫn được hấp phụ bởi các hạt đất, đó là đám ion khuếch tán (hình 5.3). - Phương trình 5.6 biểu thị cân bằng của điện tích bề mặt đối với một loại đất.. - Tại giá trị pH này, không có điện tích thực nào được đóng góp bởi các ion bị hấp phụ bằng đám khuếch tán theo phương. - Nếu q+ và q- tương ứng biểu thị số mol điện tích cation và anion bị hấp phụ thì q. - theo phương trình 5.4 và định nghĩa “ion bị được hấp phụ” trong mục 5.2. - Do vậy s o có thể được xác định bằng cách điều chỉnh pH tới điểm điện tích không này và xác định điện tích ion được hấp phụ thực. - Do vậy nếu s IS + s OS tăng do sự hấp phụ các ion K+ thêm vào bằng phức bề mặt cầu nội (hình 5.2) thì s H tại PZC sẽ giảm theo phương trình 7.9 và bản thân PZC sẽ tăng vì Ds H /DpH luôn âm. - Lưu ý rằng các sự thay đổi PZC này không đòi hỏi sự hấp phụ đặc trưng mà chỉ cần sự tạo phức bề mặt. - 5.5 Đo sự hấp phụ. - Số mol của chất hóa học i được hấp phụ trên một kg đất khô tiếp xúc với dung dịch lỏng được tính theo phương trình:. - Vì vậy, qi có liên quan tới bề mặt phân cách mà tại đó không có sự hấp phụ nước.. - là lượng Ca hấp phụ trên bề mặt của đất mang giá trị dương. - 0,006 mol kg-1 là lượng Cl hấp phụ trên bề mặt của đất mang giá trị âm.. - trong đó D mi º - mi là sự thay đổi về nồng độ phân tử gam do hấp phụ. - Phương trình 5.12 hay được áp dụng để tính số lượng dư trên bề mặt là tích số của sự thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ nhân với khối lượng nước được thêm vào trên một đơn vị khối lượng đất khô. - 5.6 Động học và cân bằng hấp phụ. - Phản ứng hấp phụ của những ion này diễn ra trong một thời gian dài.. - trong đó D ci º -ci là sự thay đổi về nồng độ chất bị hấp phụ i (mol/kg hay mol/lít) do sự hấp phụ. - Điều này được giải thích là do sự hấp phụ photphat tại các điểm chọn lọc trên canxit, tiếp theo là sự hình thành hạt rắn canxi photphat trên bề mặt. - Đường cong đẳng nhiệt S đặc trưng bởi góc nghiêng nhỏ ban đầu sau đó tăng lên cùng nồng độ chất bị hấp phụ. - Đường cong đẳng nhiệt L được đặc trưng bởi góc nghiêng ban đầu không tăng theo nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch đất. - Hình 5.5 Bốn loại đường đẳng nhiệt hấp phụ tổng quát. - Điều kiện này thường được tạo ra bởi phức bề mặt cầu nội hay tương tác Van Dec Van rõ rệt trong quá trình hấp phụ ( xem mục 3.5 và 3.6). - Hai thông số này có thể được ước lượng bằng cách vẽ đồ thị của logqi ngược với logci cho dải nồng độ chất bị hấp phụ mà phương trình 5.18 áp dụng. - Sự hấp phụ cation kim loại. - Các cation kim loại hấp phụ trên bề mặt hạt đất theo ba cơ chế trong hình 5.3. - Ái lực tương đối của một cation kim loại đã cho đối với chất hấp phụ là đất phụ thuộc phức tạp vào thành phần của dung dịch đất. - Nhưng tính chọn lọc của đất đối với một cation kim loại bị hấp phụ có thể được giải thích bằng các khái niệm: sự tạo phức bề mặt cầu nội, cầu ngoại và đám ion khuếch tán. - Ái lực tương đối của chất hấp phụ là đất đối với một cation kim loại tự do sẽ tăng theo chiều hướng cation hình thành phức bề mặt cầu nội. - Dãy chọn lọc này phù hợp với các kết quả thí nghiệm hấp phụ của đất. - Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ cation kim loại chủ yếu là do sự thay đổi về điện tích proton thực (s H – là hiệu số giữa số mol proton và số mol ion OH- được tạo phức bởi các nhóm chức bề mặt) trên các hạt đất. - Biên hấp phụ của Na+ được chỉ ra ở hình 5.4 và của Ca+ ở hình 5.6.. - đến biên hấp phụ là một vấn đề đang gây. - Hình 5.6 Biên hấp phụ đối với Ca2+ trên đất Oxisol. - Hình 5.7 Giản đồ tác động của phối tử hoà tan đến sự hấp phụ cation kim loại. - hấp phụ.. - Sự có mặt của các phối tử hình thành phức chất trong dung dịch đất làm phức tạp việc dự báo ái lực hấp phụ cation kim loại tương đối. - Ví dụ, Cu2+ thường bị hấp phụ mạnh trên đất để tạo ra đường cong đẳng nhiệt H. - Những tác động tổng quát của các phối tử tạo phức với kim loại trong dung dịch đất đến sự hấp phụ cation kim loại bởi đất có thể được phân loại như sau (hình 5.7):. - Chú ý là loại (3) và (5) trực tiếp dẫn tới sự hấp phụ kim loại tăng lên do sự có mặt của phối tử, ngược lại loại (4) có thể gián tiếp làm tăng sự hấp phụ kim loại nếu phối tử đã bị hấp phụ làm cho điện tích bề mặt trở nên âm điện hơn. - 5.8 Sự hấp phụ anion. - Một số anion không trùng hợp bị hấp phụ quan trọng trong dung dịch đất là. - Cơ chế hấp phụ các anion này, cũng giống như đối với các cation, là sự tạo phức bề mặt và liên kết đám ion khuếch tán. - Nếu Al- là một anion bị hấp phụ thì sự tạo phức cầu ngoại có thể được mô tả bằng các phản ứng:. - Sự hấp phụ âm có thể xảy ra chỉ đối với các ion bằng đám ion khuếch tán. - Nếu hiện tượng hấp phụ âm xảy ra thì ci(x) <. - PZNPC, trong khi sự hấp phụ clorua giảm nhanh tới 0 tại các giá trị pH này (hình 5.4). - Hiện nay người ta cho rằng chất bị hấp phụ F- nhận một proton đáng kể ở pH <. - Hình 5.8 Các hình bao hấp phụ đặc trưng của đất đối với florua, photphat và borat.. - Hình bao hấp phụ của F- sẽ vì thế tăng nhanh tương ứng với nồng độ F- ở bên trái của phương trình 5.20b tăng lên. - Đối với chất bị hấp phụ , sự nhận proton đáng kể khi pH <. - P hần trăm hấp phụ lớn nhất. - 5.9 Các mô hình hấp phụ phân tử. - Số liệu đường đẳng nhiệt như trên hình 5.5 thường được giải thích với sự giúp đỡ của các mô hình hấp phụ phân tử. - mô hình hấp phụ phân tử cổ nhất - phát triển từ những giả thuyết sau:. - Cơ chế hấp phụ duy nhất của chúng là đám ion khuếch tán.. - (3) Pha dung dịch nước là một lớp liên tục (continuum) không đổi của hằng số điện môi D trong đó chất bị hấp phụ là ion điểm được ngâm. - Nồng độ của chất bị hấp phụ i tại một điểm x trong lớp liên tục này được biểu diễn như sau:. - trong đó S là diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ và f o là điện tích tại bề mặt chất hấp phụ.. - Phương trình 5.28 dự báo là Na+ và K+ sẽ hấp phụ theo tỷ lệ cân đối với nồng độ dung dịch của chúng và sự hấp phụ âm của Cl- sẽ tỷ lệ với mật độ điện tích bề mặt. - Các thí nghiệm về sự hấp phụ của đất đã cho thấy những dự báo này chỉ có ý nghĩa gần đúng vì không chú ý đến sự hình thành phức chất bề mặt. - (1) Bề mặt chất hấp phụ là một mặt phẳng tích điện đồng nhất.. - (2) Các ion ion bị hấp phụ là các ion điểm tương tác với chất hấp phụ để hình thành các phức chất bề mặt cầu nội.. - (4) Điện thế tại bề mặt chất hấp phụ liên quan tuyến tính với tổng điện tích thực của hạt:. - Giả sử, ví dụ Cu2+ bị hấp phụ bởi đất có điện tích không thay đổi theo phản ứng:. - theo phương trình 5.4 với các chất bề mặt đã được giả định.. - Hai ví dụ này minh hoạ các điểm đặc trưng chung của các mô hình hấp phụ phân tử.. - Chúng bắt đầu bằng các giả thuyết phân tử về các cơ chế hấp phụ. - dư bề mặt. - Định nghĩa sự hấp phụ. - Các cơ chế hấp phụ trên bề mặt hạt đất.. - Phương trình động học hấp phụ cation hoặc anion. - Đặc điểm của sự hấp phụ cation kim loại. - Tác động của phối tử tạo phức đến sự hấp phụ cation kim loại.. - Trình bày các cơ chế hấp phụ anion. - Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ anion.. - Hấp phụ phân tử là gì. - Các mô hình hấp phụ phân tử.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt