Физика процесса. Изотермы адсорбции

Адсорбция газа твердым поглотителем (адсорбентом) протекает в три стадии:

1) внешняя диффузия, т.е. диффузия молекул газа из потока к внешней поверхности адсорбента;

2) внутренняя диффузия, т.е. диффузия молекул газа от внешней поверхности адсорбента вглубь, в поры адсорбента;

3) собственно сорбция, т.е. фиксация молекул газа на поверхности или в объеме пор адсорбента.

Так как собственно сорбция протекает почти мгновенно, адсорбционный процесс определяется в основном скоростью внешней и внутренней диффузии. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул поглощаемого газа и адсорбента под действием неуравновешенных молекулярных сил в поверхностном слое; она не сопровождается изменением химического состава взаимодействующих веществ.

Процесс адсорбции протекает самопроизвольно тем интенсивнее, чем больше концентрация поглощаемого газа. Однако его ограничивает обратный процесс (десорбция), вызываемый стремлением к равномерному распределению вещества в связи с тепловым движением молекул. В результате этого по истечении некоторого времени устанавливается адсорбционное равновесие.

Равновесная концентрация уменьшается с повышением температуры и увеличивается с возрастанием давления. Таким образом, адсорбция ускоряется при понижении температуры или при повышении давления. Те же факторы влияют в обратном направлении на процесс десорбции, проводимый обычно после абсорбции. Десорбция ускоряется с повышением температуры абсорбента и снижением давления над ним.

В состоянии равновесия количество адсорбированного вещества т зависит от концентрации поглощаемого вещества в газовой фазе С (или, что то же самое, от его парциального давления р) и температуры Т. В качестве характеристики адсорбционных свойств адсорбентов принято использовать зависимость m = f(C) или m = f(р) при постоянной температуре. График этой функции, называемый изотермой адсорбции, в качестве примера для SO₂ приведен на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Изотермы адсорбции SO₂ на активированном угле (цифры у кривых – температуры, ^оС): 1. – экспериментальные данные; 2 – расчетные данные.

Вначале кривая имеет прямолинейный участок, выражающий пропорциональную зависимость, далее идет переходный криволинейный участок, отвечающий промежуточным степеням заполнения поверхности, и, наконец, почти горизонтальный участок, соответствующий полному насыщению поглощаемым газом поверхности адсорбента.

При продувании газовой смесью неподвижного слоя адсорбента процесс адсорбции начинается на лобовой поверхности. По мере насыщения фронт адсорбции перемещается от слоя к слою с некоторой скоростью и заканчивается на задней поверхности, после насыщения которой начинается проскок улавливаемого компонента. С этого момента завершается адсорбционное или защитное действие слоя и должна начинаться десорбция адсорбента.

Основными методами десорбции являются: а) вытеснение из адсорбента поглощенного компонента посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенный компонент (водяной пар, инертный газ); б) испарение или выжигание поглощенных компонентов, обладающих высокой летучестью, путем нагрева слоя адсорбента.