1. Mở đầu

Quá trình hấp thụ khí về bản chất là quá trình chuyển một cấu tử từ pha khí sang pha lỏng. Vì vậy, để hiểu đúng cơ chế hấp thụ và làm cơ sở cho việc phân tích, lựa chọn thiết bị cũng như tính toán hệ thống hấp thụ, trước hết cần nắm được bản chất của truyền khối khí – lỏng.

Trong thực tế, khi một cấu tử khí được hấp thụ vào chất lỏng, quá trình này không xảy ra tức thời trong toàn bộ thể tích pha khí và pha lỏng, mà diễn ra qua vùng tiếp xúc giữa hai pha. Tốc độ hấp thụ vì thế không chỉ phụ thuộc vào khả năng hòa tan của khí trong lỏng mà còn phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc pha, trạng thái cân bằng khí – lỏng và trở lực truyền khối ở mỗi phía của bề mặt phân cách.

Cơ sở lý thuyết quan trọng nhất để mô tả hiện tượng này là lý thuyết hai màng (two-film theory). Từ lý thuyết này, người ta xây dựng các biểu thức mô tả tốc độ truyền khối, hệ số truyền khối và các đại lượng đặc trưng như \(k_G\)​, \(k_L\)​, \(K_G\),\(K_L\)​ và \(K_La\). Đây chính là nền tảng để chuyển từ mô tả định tính sang phân tích định lượng trong kỹ thuật hấp thụ.

2. Bản chất của quá trình truyền khối khí – lỏng

Khi một pha khí tiếp xúc với một pha lỏng, cấu tử cần hấp thụ sẽ chuyển từ vùng có thế hóa học cao hơn sang vùng có thế hóa học thấp hơn. Nếu xét theo cách tiếp cận đơn giản trong kỹ thuật, động lực trực tiếp của quá trình này là chênh lệch nồng độ hoặc chênh lệch áp suất riêng phần của cấu tử giữa hai pha.

Trong hệ hấp thụ, cấu tử từ pha khí trước hết phải di chuyển từ vùng khí khối đến bề mặt phân cách khí – lỏng. Sau đó, nó đi qua mặt phân cách và tiếp tục khuếch tán vào phía lỏng, cho đến khi phân bố vào pha lỏng khối. Như vậy, quá trình truyền khối khí – lỏng gồm hai bước cơ bản:

• truyền khối từ khí khối đến bề mặt phân cách qua phía khí;

• truyền khối từ mặt phân cách vào lỏng khối qua phía lỏng.

Nếu một trong hai bước này xảy ra chậm hơn, nó sẽ trở thành phần chi phối tốc độ hấp thụ chung. Nói cách khác, tốc độ hấp thụ luôn bị quyết định bởi trở lực truyền khối tổng cộng, trong đó có sự đóng góp của cả trở lực phía khí và trở lực phía lỏng.

3. Lý thuyết hai màng

Để mô tả hiện tượng truyền khối khí – lỏng, lý thuyết hai màng giả thiết rằng tại vùng tiếp xúc giữa hai pha tồn tại hai lớp màng mỏng đứng yên tương đối:

• một lớp màng ở phía khí;

• một lớp màng ở phía lỏng.

Ngoài hai lớp màng này, cả pha khí khối và pha lỏng khối được xem như trộn đều hoàn toàn, nghĩa là nồng độ trong từng pha khối gần như đồng nhất. Do đó, sự thay đổi nồng độ chủ yếu xảy ra trong hai lớp màng mỏng nằm sát bề mặt phân cách.

Theo mô hình này, cấu tử cần hấp thụ phải đi theo trình tự:

1. từ khí khối đến màng khí;

2. khuếch tán qua màng khí đến bề mặt phân cách;

3. đi qua mặt phân cách khí – lỏng;

4. khuếch tán qua màng lỏng;

5. đi vào lỏng khối.

Ý nghĩa quan trọng của lý thuyết hai màng là cho thấy tốc độ hấp thụ không phải do “khả năng tan” quyết định một cách đơn lẻ, mà do khả năng truyền khối qua từng lớp màng quyết định. Vì vậy, ngay cả khi một chất khí có độ tan cao, quá trình hấp thụ vẫn có thể bị hạn chế nếu trở lực truyền khối ở một phía quá lớn.

4. Biểu thức tốc độ truyền khối theo lý thuyết hai màng

Tốc độ truyền khối qua một đơn vị diện tích bề mặt phân cách được viết dưới dạng:

\[r = k_G(P_G - P_i) = k_L(C_i - C_L)\]

Trong đó:

• r: tốc độ truyền khối qua một đơn vị diện tích;

• \(k_G\): hệ số truyền khối phía khí;

• \(P_G\)​: áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí khối;

• \(P_i\)​: áp suất riêng phần của cấu tử tại mặt phân cách;

• \(k_L\)​: hệ số truyền khối phía lỏng;

• \(C_i\): nồng độ cấu tử tại mặt phân cách phía lỏng;

• \(C_L\): nồng độ cấu tử trong pha lỏng khối.

Biểu thức trên cho thấy cùng một tốc độ truyền khối r có thể được mô tả từ hai phía:

• theo phía khí, động lực là \(P_G - P_i\)

• theo phía lỏng, động lực là \(C_i - C_L\)

Điều đó phản ánh bản chất nối tiếp của hai trở lực truyền khối. Trong trạng thái ổn định, lượng cấu tử đi qua màng khí trong một đơn vị thời gian phải bằng lượng cấu tử đi qua màng lỏng, nên hai biểu thức trên bằng nhau.

Một điểm cần lưu ý là r ở đây là tốc độ truyền khối trên một đơn vị diện tích, không phải tốc độ tổng qua toàn bộ thiết bị. Nếu cần tốc độ truyền khối tổng, phải nhân thêm diện tích tiếp xúc pha.

5. Cân bằng khí – lỏng tại mặt phân cách

Tại bề mặt phân cách khí – lỏng, cấu tử phân bố giữa hai pha theo quan hệ cân bằng. Trong nhiều trường hợp, đặc biệt đối với các hệ loãng, quan hệ cân bằng này được biểu diễn bằng định luật Henry:

\[P=HC\]

Trong đó:

• P: áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí;

• C: nồng độ cân bằng của cấu tử trong pha lỏng;

• H: hằng số Henry.

Định luật Henry cho thấy giữa áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí và nồng độ hòa tan cân bằng của nó trong pha lỏng tồn tại một quan hệ tỉ lệ. Hằng số Henry có ý nghĩa rất quan trọng: nó phản ánh mức độ thuận lợi của quá trình hòa tan. Nếu khí ít tan trong nước, giá trị H thường lớn và trở lực truyền khối phía lỏng có xu hướng trở nên đáng kể hơn. Ngược lại, với khí có độ tan cao hoặc có phản ứng trong dung dịch, trở lực truyền khối phía khí có thể trở nên chi phối hơn.

Trong thực tế, trạng thái cân bằng khí – lỏng giữ vai trò như “mốc giới hạn” của quá trình hấp thụ. Cấu tử chỉ tiếp tục đi từ khí vào lỏng khi hệ chưa đạt cân bằng; khi cân bằng đã được thiết lập, động lực truyền khối bằng không và quá trình hấp thụ dừng lại.

6. Hệ số truyền khối tổng quát

Trong phân tích thực tế, các đại lượng tại mặt phân cách như \(P_i\) và \(C_i\)​ rất khó xác định trực tiếp. Vì vậy, người ta thường chuyển sang sử dụng hệ số truyền khối tổng quát.

Khi biểu diễn theo phía lỏng, phương trình được viết:

\[r = K_L(C_s - C_L)\]

Trong đó:

• \(K_L\)​: hệ số truyền khối tổng quát phía lỏng;

• \(C_s\)​: nồng độ cân bằng của cấu tử trong pha lỏng ứng với điều kiện của pha khí khối;

• \(C_L\)​: nồng độ thực tế của cấu tử trong lỏng khối.

Biểu thức này có ưu điểm là chỉ dùng các đại lượng có thể xác định từ pha khối, không cần biết trực tiếp trạng thái ở mặt phân cách. Hiệu số \(C_s - C_L\) chính là lực đẩy truyền khối tổng quát theo phía lỏng.

Tương tự, nếu biểu diễn theo phía khí, có thể dùng hệ số truyền khối tổng quát phía khí. Tuy nhiên, trong nhiều bài toán hấp thụ khí vào lỏng, đặc biệt với các khí ít tan trong nước, dạng theo phía lỏng thường được sử dụng phổ biến hơn.

Về bản chất, hệ số truyền khối tổng quát là đại lượng gộp, phản ánh ảnh hưởng đồng thời của cả hai trở lực truyền khối phía khí và phía lỏng. Nhờ đó, việc mô tả và tính toán quá trình hấp thụ trở nên thuận tiện hơn.

7. Dạng biểu diễn theo thể tích và ý nghĩa của \(K_La\)

Trong nhiều thiết bị hấp thụ hoặc bể tiếp xúc, thay vì biểu diễn tốc độ truyền khối theo đơn vị diện tích, người ta thường dùng dạng theo đơn vị thể tích của pha lỏng. Khi đó, phương trình được viết:

\[r_v = K_L \frac{A}{V}(C_s - C_t) = K_La(C_s - C_t)\]

Trong đó:

• \(r_v\)​: tốc độ truyền khối theo đơn vị thể tích;

• A: diện tích tiếp xúc pha;

• V: thể tích chất lỏng;

• a = A/V: diện tích bề mặt riêng;

• \(K_La\): hệ số truyền khối thể tích;

• \(C_t\): nồng độ cấu tử trong lỏng tại thời điểm t.

Đại lượng \(K_La\) có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật hấp thụ, sục khí và truyền oxy. Nó phản ánh đồng thời hai yếu tố:

• khả năng truyền khối của hệ, thông qua \(K_L\)​;

• mức độ phát triển diện tích tiếp xúc pha, thông qua a.

Như vậy, muốn tăng tốc độ hấp thụ có thể theo hai hướng: tăng hệ số truyền khối hoặc tăng diện tích tiếp xúc giữa khí và lỏng. Đây cũng chính là cơ sở của việc sử dụng tháp đệm, vòi phun, đĩa phân phối, bọt khí mịn hoặc các cấu trúc tăng diện tích tiếp xúc trong thiết bị hấp thụ.

8. Ý nghĩa của trở lực truyền khối phía khí và phía lỏng

Một trong những nội dung quan trọng nhất của cơ sở lý thuyết hấp thụ là xác định phía nào đang chi phối quá trình truyền khối.

Nếu trở lực phía khí lớn, cấu tử sẽ khó đi từ khí khối đến mặt phân cách, khi đó việc tăng cường xáo trộn hoặc tiếp xúc phía khí có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hấp thụ. Nếu trở lực phía lỏng lớn, cấu tử đã đến được mặt phân cách nhưng khó khuếch tán sâu vào lỏng, khi đó việc tăng cường khuấy trộn, tuần hoàn lỏng hoặc tăng diện tích tiếp xúc pha sẽ có tác dụng rõ rệt hơn.

Trong các hệ hấp thụ thực tế, trở lực khống chế phụ thuộc vào tính chất của cấu tử khí, tính chất dung môi, nhiệt độ, áp suất và khả năng phản ứng trong pha lỏng. Vì vậy, phân tích trở lực truyền khối không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mà còn là cơ sở để lựa chọn thiết bị, chế độ vận hành và giải pháp tăng cường hiệu quả hấp thụ.

9. Vai trò của cơ sở truyền khối trong tính toán hấp thụ

Toàn bộ lý thuyết về thiết kế và tính toán tháp hấp thụ đều bắt đầu từ cơ sở truyền khối khí – lỏng. Từ các phương trình tốc độ truyền khối, người ta tiếp tục xây dựng các khái niệm như đường cân bằng, đường vận hành, số đơn vị truyền khối, chiều cao đơn vị truyền khối và chiều cao lớp đệm.

Nói cách khác, nếu không nắm được bản chất của truyền khối khí – lỏng thì khó có thể hiểu đúng tại sao một hệ hấp thụ đạt hiệu suất cao hay thấp, vì sao cùng một chất khí nhưng dùng nước và dùng dung dịch phản ứng lại cho kết quả rất khác nhau, hoặc vì sao một thay đổi nhỏ về diện tích tiếp xúc hay lưu lượng lỏng lại có thể làm thay đổi rõ rệt hiệu quả xử lý.

10. Kết luận

Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ chính là cơ sở lý thuyết của truyền khối khí – lỏng. Theo lý thuyết hai màng, cấu tử cần hấp thụ phải đi qua màng khí, mặt phân cách và màng lỏng trước khi vào pha lỏng khối. Vì vậy, tốc độ hấp thụ luôn phụ thuộc vào trở lực truyền khối ở cả hai phía, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái cân bằng khí – lỏng.

Các biểu thức như

\[r = k_G(P_G - P_i) = k_L(C_i - C_L)\]

và

\[r = K_L(C_s - C_L)\]

cho phép mô tả định lượng quá trình hấp thụ ở mức cơ bản. Khi chuyển sang dạng theo thể tích, đại lượng \(K_La\) trở thành thông số rất quan trọng trong phân tích và tính toán thiết bị.

Như vậy, việc nắm vững cơ sở truyền khối khí – lỏng không chỉ giúp hiểu đúng bản chất của quá trình hấp thụ, mà còn tạo nền tảng trực tiếp cho các nội dung tiếp theo như cân bằng khí – lỏng, hấp thụ vật lý, hấp thụ hóa học và tính toán tháp hấp thụ.