Равновесие при адсорбции.

Что такое АДСОРБЦИЯ

Адсорбцией называют процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пар твердого тела - адсорбента. Поглощаемое вещество, находящееся в газе, паре называется адсорбтивом, а поглощенное - адсорбатом.

Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую.

Физическая адсорбция обусловлена поверхностными вандервальсовыми силами, удерживающими на поверхности адсорбента несколько слоев молекул адсорбата.

При химической адсорбции поглощаемое вещество вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности химических соединений.

Силы притяжения возникает на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. Заполнение адсорбатом поверхности адсорбента частично уравновешивает поверхностные силы и уменьшает поверхностное натяжение. Это в конечном счете приводит к выделению тепла. Следовательно, процессы адсорбции экзотермичны.

Процессы адсорбции избирательны и обратимы (десорбция).

Адсорбция – применяется в главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация извлекаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Частным случаем хемосорбции является ионный обмен между твердым ионообменным сорбентом и раствором электролита. Кинетика, а также аппаратурное оформление ионообменных процессов близки к адсорбционным.

Адсорбенты.

Адсорбенты - пористые тела, обладающие большим объемом микропор. В адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r< м). Количество остальных пор, более крупных, сводится к транспортированию адсорбтива к макропорам.

Поглотительная (адсорбционная) способность адсорбентам- максимально возможная концентрация адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Максимально возможную в данных условиях поглотительная способность адсорбента называют равновесной активностью.

Статическая активность (А_ст)- количество вещества, поглощенного единицей массы адсорбента от начало до равновесия при статических условиях, динамическая активность (А_дин) - при движении смеси через слой адсорбента. Как показывают эксперименты А_ст > А_дин . Однако расчеты ведут по А_дин.

По химическому составу адсорбенты можно разделить на углеродные и не углеродные.

Углеродные - активные угли, углеродные волокнистые материалы, некоторые виды твердого топлива.

Удельная поверхность активных углей очень высока и составляет (6 ÷17)· . Недостаток активных углей их горючесть.

Неуглеродные – силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты, глинистые породы.

Удельная поверхность селикагеля составляет - (4÷8)· , алюмогели - до

4 · .

Глинистые породы применяют для очистки жидкостей от различных примесей.

Равновесие при адсорбции.

Равновесная концентрация ( чистого адсорбента) поглощаемого вещества в адсорбенте может быть представлена:

, (6.1)

Или, в случае адсорбции газов:

, (6.2)

Здесь с – концентрация адсорбтива в объемной сплошной фазе, р– парциальное давление адсорбтива в объемной фазе. Зависимость или при T=const называется изотермой адсорбции.

Равновесные зависимости описываются рядом эмпирических и теоретических уравнений. Одна из них уравнение Лангмюра:

(6.4)

Здесь - предельная величина адсорбции, при полном заполнение внутренних пор мономолекулярным слоем адсорбата, b- константа, зависящая от температуры (рис.6.1)

Изотермы адсорбции обычно определяются опытным путем.

Рис.6.1. Изотермы адсорбции: 1 – изотерма Лангмюра, 2,3,4 – реальные изотермы

(2 – линейная, 3 – вогнутая, 4 – выпуклая).

Адсорбция сопровождается уменьшением парциального давления поглощаемого компонента из газовой смеси и заметным выделением тепла. Поэтому количество адсорбированного вещества возрастает с понижением температуры и повышением давления (рис.6.2).

Рис.6.2. Изотермы адсорбции для одного вещества при различных температурах: .