АДСОРБЦИЯ (от лат. ad - към и sorbeo абсорбирам), абсорбция на вещество от газова фаза или течен разтвор от повърхностния слой на твърдо или течно вещество.
Феноменът на адсорбция се причинява от наличието на адсорбция силово полесъздадени поради некомпенсирани междумолекулни сили в повърхностния слой. Вещество, което създава такова поле, се нарича адсорбент, вещество, чиито молекули могат да се адсорбират, се нарича адсорбент, а вещество, което вече е адсорбирано, се нарича адсорбат. процес, обратна адсорбция, - десорбция.
Адсорбция - специален случайсорбция. Използването на адсорбционните процеси датира от края на 18 век, когато се появяват три публикации независимо и почти едновременно: италианският натуралист Ф. Фонтана и К. Шееле през 1777 г. описват абсорбцията на газове от въглен, през 1785 г. Т. Е. Ловиц открива способността на такива въглища да обезцветяват винените разтвори на киселини, абсорбирайки органични примеси.
Физическата адсорбция се причинява от сили на молекулно взаимодействие. Основният принос към енергията на взаимодействие се прави от дисперсионните сили. Тяхната стойност е приблизително постоянна за всички адсорбенти химическа природа, следователно взаимодействието, причинено от тези сили, е неспецифично. Понякога дисперсионното взаимодействие се засилва от електростатично взаимодействие - ориентационно и индуктивно. Електростатично взаимодействиезависи от химическата природа на адсорбента, следователно е специфичен. Специфичното взаимодействие може да се засили поради образуването на водородни връзки между адсорбираните молекули и полярните групи, разположени на повърхността на адсорбента (например водородни връзки се образуват по време на адсорбцията на вода и алкохоли върху силикагел, чиято повърхност е покрита с хидроксилни групи). Топлината на физическа адсорбция е, като правило, 8-25 kJ / mol. Физическата адсорбция може да бъде обърната чрез понижаване на налягането на газа или концентрацията на разтвореното вещество. Физическата адсорбция не предизвиква промени в индивидуалните свойства на адсорбатните молекули. Усвояването на дадено вещество може да се дължи на образуването химическа връзкамежду молекулите на адсорбата и повърхностния слой на адсорбента. Тази абсорбция се нарича хемосорбция. Хемосорбцията е необратима, нейната топлина е над 80 kJ/mol. По време на хемосорбцията адсорбатните молекули образуват повърхност химични съединенияс адсорбент.
Равновесна адсорбция. Ако скоростите на адсорбция и десорбция са равни, това показва установяване на адсорбционно равновесие. Кривите на зависимостта на равновесната адсорбция от концентрацията или налягането на адсорбента при постоянна температура се наричат адсорбционни изотерми. Най-простата изотерма на адсорбция е права линия, идваща от началото, където налягането на адсорбента p (или концентрацията c) е нанесено на абсцисната ос, а стойността на адсорбция a е нанесена на ординатната ос. Тази област на адсорбция се нарича област на Хенри: a = Gr, G е коефициентът на Хенри.
I. Langmuir предложи (1914-1918) теорията за мономолекулярна локализирана адсорбция (адсорбатните молекули не се движат по повърхността) при следните предположения: повърхността е хомогенна, т.е. всички адсорбционни центрове имат еднакъв афинитет към адсорбатните молекули; адсорбатните молекули не взаимодействат една с друга. Уравнението на Лангмюр има вида: a = a = a max bр/(1+bр) или р = а/b(а max - a), където a е количеството на адсорбираното вещество, а max е граничната стойност на адсорбцията в плътен монослой, p - налягане на адсорбента, b - коефициент на адсорбция. Полимолекулярната или многослойна адсорбция, при която молекулите на парата, когато се адсорбират, образуват филм с дебелина няколко монослоя, се описва от уравнението на Brunauer-Emmett-Teller (BET equation, 1938):
където p 0 - налягане наситена парапри температура на адсорбция С е константа. Уравнението на BET се използва за определяне на специфичната повърхност на адсорбентите.
През 1914 г. М. Полани предлага потенциална теория на адсорбцията, според която близо до повърхността на адсорбента има потенциално адсорбционно поле, което намалява с разстоянието от повърхността; налягането на адсорбента, равно на p далеч от повърхността, се увеличава близо до нея и на известно разстояние достига стойността p 0, при която адсорбентът кондензира.
Адсорбентите обикновено се разделят на непорести (радиусите на кривината на повърхностите на които са много големи и клонят към безкрайност) и порести. Порестите адсорбенти съдържат микро-, супер-микро-, мезо- и макропори (виж Порьозност). В макропорите адсорбцията е изключително малка; обикновено не се взема предвид при оценката на адсорбционните свойства на адсорбентите. Характеристикаадсорбция в микро- и супермикропори - увеличаване на енергията на адсорбция в сравнение с абсорбцията на вещество върху непорест адсорбент със същата химическа природа. Този ефект е резултат от суперпозицията на повърхностните силови полета на противоположните стени на порите. В микро- и супермикропорите адсорбцията се извършва обемно, в мезопорите - по механизма на послойно запълване, завършено от капилярна кондензация.
За микропорести адсорбенти М. М. Дубинин разработи теорията за обемното запълване на микропорите (VFFM). След като въвеждат идеята за функцията на разпределение на обемите на порите въз основа на стойностите на химическия потенциал на адсорбата в тях, Дубинин и Л.В. Радушкевич получават (1947) уравнението на адсорбционната изотерма, което се записва като: W/W. 0 = exp[-(A/βE 0) 2], където W и W 0 са текущите и граничните стойности на адсорбцията на пара за единица обем, A е диференциалната моларна работа на адсорбцията, A = RTln(p 0 / p), R е универсалната газова константа, T е абсолютната температура, E 0 - характеристичната енергия на адсорбция на стандартни пари (обикновено бензен или азот), β е коефициентът на подобие, апроксимиран чрез съотношението на парахорите на адсорбирания и стандартния вещества.
Уравнението на Дубинин-Радушкевич е приложимо за описване на адсорбционни изотерми в диапазона на относително равновесно налягане от 5-10 -4 до 0,4 върху адсорбенти с еднаква микропореста структура, т.е. адсорбенти, в които няма супермикропори. Тъй като микропорестите адсорбенти са най-широко използвани в адсорбционната технология, TOZM се използва не само във физичните и химичните изследвания, но и в инженерните изчисления.
Кинетика и динамика на адсорбцията.Елементарният акт на адсорбция настъпва почти моментално. Следователно времевите зависимости на адсорбцията са ограничени главно от механизма на дифузия на веществото до мястото на адсорбция. Дифузионните процеси се определят от концентрацията на адсорбента, температурата, химическата природа и порестата структура на адсорбента и концентрацията на други вещества в обема и на повърхността. Адсорбцията в порите протича много по-бавно, отколкото на открита повърхност. Адсорбцията от течни разтвори става с по-ниска скорост, отколкото от газови смеси. Зависимостта на стойността на адсорбцията от времето се нарича кинетична крива на адсорбция.
Кинетиката на адсорбция в газов поток се изследва с помощта на единични адсорбентни гранули и слой с дебелина една гранула. На практика обикновено се използват адсорбиращи слоеве, чиято дебелина значително надвишава слой от едно зърно, т.е. адсорбцията се изследва при динамични условия. Когато се изследва динамиката на адсорбцията, газов или течен поток, съдържащ адсорбирани вещества, преминава през адсорбентен слой и нарастването на концентрацията на адсорбираното вещество зад адсорбиращия слой се измерва като функция на времето. Появата на абсорбирано вещество зад слоя се нарича пробив, времето преди пробива е времето на защитно действие. Зависимостта на концентрацията на даден компонент зад слой от времето е изходната крива, от чийто анализ се получава пълна информация за ефективността на процеса на адсорбция.
Технологично проектиране на адсорбционни процеси. Широко разпространени са инсталации с неподвижен слой адсорбент, чиито основни компоненти са адсорбери - кухи колони, пълни с адсорбент. Газов или течен поток, съдържащ адсорбируеми компоненти, преминава през заряда (адсорбентен слой), докато адсорбентът пробие; след това потокът се насочва към друг адсорбер. Целевите компоненти, абсорбирани от заряда, се извличат чрез регенериране на адсорбента (нагряване на адсорбера, изместване с водна пара и др.). Високата производителност се характеризира с адсорбционни единици с флуидизиран („кипящ“) слой от адсорбент, в който газов поток навлиза в адсорбера отдолу, привеждайки адсорбента в суспензия, което намалява времето на адсорбция и десорбция. Използват се инсталации с подвижен слой адсорбент. В тях адсорбентът бавно се спуска под въздействието на гравитацията; въздушният поток се насочва във вертикална тръба, монтирана успоредно на адсорбционните колони, и повдига зърната на адсорбента към горната част на колоната. Газовият поток, съдържащ изпарения на адсорбирани вещества, навлиза в средната част на адсорбера и се движи нагоре към адсорбента. Адсорбцията протича непрекъснато в горната част на колоната, а регенерацията на адсорбента се извършва в долната част. Така наречените блокове с къс цикъл се използват широко: по време на адсорбция газът се подава към адсорбера под значително налягане, десорбцията се извършва поради освобождаване на налягането, след което налягането се повишава отново.
Като адсорбенти се използват вещества с развита повърхност: активен въглен, силикагел, алуминиев оксид, зеолити; от непорести адсорбенти - сажди (сажди) и високо диспергиран SiO 2 (аерозил). Вижте също Сорбенти.
Адсорбция в природата и техниката. Адсорбцията играе важна роля в много природни (например обогатяване на почви, образуване на вторични рудни находища) и биологични (функциониране клетъчни мембрани) процеси. Адсорбционните технологии се използват широко за пречистване, сушене, разделяне на газови и течни смеси: пречистване на промишлени емисии и отпадъчни води, включително емисии атомни електроцентрали, детоксикация на замърсени почви, кондициониране питейна вода, отделяне на масла, извличане на благородни метали от разтвори и пулпи, производство на обогатен с кислород въздух, пречистване на лекарства. Адсорбентите се използват като пълнители в производството на полимери, носители в катализата, хроматографията, а също и в медицината за извличане на вредни вещества, попаднали в стомашно-чревния тракт на тялото (ентеросорбция) или за пречистване на кръвта (хемосорбция). Явлението адсорбция се използва при боядисването на текстил, в печатарската и хранително-вкусовата промишленост, в електронното инженерство и др.
Лит.: Brunauer S. Адсорбция на газове и пари. М., 1948. Т. 1; Бур Я де. Динамичен характер на адсорбцията. М., 1962; Дубинин М. М. Адсорбция и порьозност. М., 1976; известен още като Текущо състояниетеория на обемното запълване на микропорите на въглеродни адсорбенти // Известия на Академията на науките на СССР. сер. химически. 1991. № 1; Keltsev N.V. Основи адсорбционна технология. 2-ро изд. М., 1984; Жуховицки А. А., Шварцман Л. А. Физическа химия. 5-то изд. М., 2001.
Основни понятия
Абсорбираното вещество, което все още е в обема на фазата, се нарича адсорбционен, абсорбиран - адсорбат. В по-тесен смисъл адсорбцията често се разбира като абсорбция на примес от газ или течност от твърдо вещество (в случай на газ и течност) или течност (в случай на газ) - адсорбент. В този случай, както и в общия случай на адсорбция, примесът се концентрира на границата адсорбент-течност или адсорбент-газ. Обратният процес на адсорбция, тоест прехвърлянето на вещество от интерфейса към обема на фазата, се нарича десорбция. Ако скоростите на адсорбция и десорбция са равни, тогава говорим за установяване адсорбционно равновесие. В състояние на равновесие броят на адсорбираните молекули остава постоянен за неопределено време, ако външните условия (налягане, температура и състав на системата) остават непроменени.
Адсорбция и хемосорбция
На границата между две фази, в допълнение към адсорбцията, която се дължи главно на физически взаимодействия (основно сили на Ван дер Ваалс), може да има химическа реакция. Този процес се нарича хемосорбция. Ясното разделение на адсорбция и хемосорбция не винаги е възможно. Един от основните параметри, по които се различават тези явления, е топлинният ефект: по този начин топлинният ефект на физическата адсорбция обикновено е близък до топлината на втечняване на адсорбата, топлинният ефект на хемосорбцията е много по-висок. Освен това, за разлика от адсорбцията, хемосорбцията обикновено е необратима и локализирана. Пример за междинни варианти, които комбинират характеристики както на адсорбция, така и на хемосорбция, е взаимодействието на кислород върху метали и водород върху никел: при ниски температури те се адсорбират според законите на физическата адсорбция, но с повишаване на температурата започва да се появява хемосорбция.
Подобни явления
Предишният раздел обсъди случая на хетерогенна реакция, протичаща на повърхност - хемосорбция. Има обаче случаи на хетерогенни реакции в целия обем, а не само на повърхността - това е често срещана хетерогенна реакция. Поглъщането в целия обем може да възникне и под въздействието на физически сили; този случай се нарича абсорбция.
Физическа адсорбция
| Физични модели на адсорбция | |
| Образуване на монослой | Енергийна диаграма |
 |
|
| ориз. 1:а) адсорбент, б) адсорбат, в) адсорбент (газова фаза или разтвор) | ориз. 2: a) адсорбент, b) адсорбат, c) газова фаза, d - разстояние, E - енергия, E b - енергия на адсорбция, (1) десорбция, (2) адсорбция |
| Поликондензация | Селективна адсорбция |
 |
 |
| ориз. 3:а) адсорбент, б) адсорбат, в) кондензат, г) адсорбент (газова фаза или разтвор) | ориз. 4:а) адсорбент, б) адсорбат, в) адсорбиращи агенти (газова фаза или разтвор): показана е преференциална адсорбция на сини частици |
Причината за адсорбцията са неспецифични (т.е. независими от природата на веществото) сили на Ван дер Ваалс. Адсорбцията, усложнена от химическото взаимодействие между адсорбента и адсорбата, е специален повод. Явления от този вид се наричат хемосорбцияИ химическа адсорбция. Нарича се „обикновена“ адсорбция в случаите, когато е необходимо да се подчертае естеството на силите на взаимодействие физическа адсорбция.
Физическата адсорбция е обратим процес; условието на равновесие се определя от еднакви скорости на адсорбция на адсорбционните молекули Пвърху свободните участъци от повърхността на адсорбента S*и десорбция - освобождаване на адсорбата от свързано състояние S−P:
;Уравнението на равновесието в този случай е:
, ,където е частта от повърхността на адсорбента, заета от адсорбата, е адсорбционният коефициент на Langmuir, а P е концентрацията на адсорбента.
Тъй като и, съответно, , уравнението на адсорбционното равновесие може да бъде написано, както следва:
Уравнението на Langmuir е една форма на уравнението на адсорбционната изотерма. Уравнението на адсорбционната изотерма (по-често се използва съкратеният термин адсорбционна изотерма) се отнася до зависимостта на равновесната стойност на адсорбцията от концентрацията на адсорбента a = f (C) при постоянна температура ( T=конст). Концентрацията на адсорбента за случай на адсорбция от течност се изразява по правило в молове или масови фракции. Често, особено в случай на адсорбция от разтвори, те използват относителен размер: C/C s, където C е концентрацията, C s е максималната концентрация (концентрация на насищане) на адсорбента при дадена температура. В случай на адсорбция от газовата фаза, концентрацията може да бъде изразена в единици за абсолютно налягане или, което е особено характерно за адсорбцията на пари, в относителни единици: P/P s, където P е налягането на парите, P s е налягане наситени париот това вещество. Самата адсорбционна стойност може също да бъде изразена в единици концентрация (отношението на броя на молекулите на адсорбата към общ броймолекули на интерфейса). За адсорбция върху твърди адсорбенти, особено когато се разглеждат практически проблеми, се използва съотношението на масата или количеството на абсорбираното вещество към масата на адсорбента, например mg/g или mmol/g.
Стойност на адсорбция
Адсорбцията е универсално и повсеместно явление, което се случва винаги и навсякъде, където има интерфейс между фазите. Най-великият практическо значениеима адсорбция на повърхностноактивни вещества и адсорбция на примеси от газ или течност със специални високоефективни адсорбенти. Като адсорбенти могат да действат различни материали с висока специфична повърхност: порест въглен (най-често срещаната форма е активен въглен), силикагел, зеолити, както и някои други групи естествени минерали и синтетични вещества.
Инсталацията за извършване на адсорбция се нарича адсорбер.
Вижте също
- Инсталации за адсорбция на азот
Бележки
Литература
- Фролов Ю. Курс по колоидна химия. Повърхностни явления и дисперсни системи. - М.: Химия, 1989. - 464 с.
- Keltsev N.V. Основи на адсорбционната технология. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
- Грег С., Сингх К. Адсорбция, специфична повърхност, порьозност. - М.: Мир, 1984. - 310 с.*
- Адамсън А. Физическа химия на повърхностите. – М.: Мир. 1979. – 568 с.
- Oura K., Lifshits V.G., Saranin A.A et al. Въведение в физиката на повърхността / Ed. В. И. Сергиенко. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
- Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура на диспергирани и порести материали. - Новосибирск: Наука. 1999. - 470 с.
- Химическа енциклопедия. Т. 1. - М.: Съветска енциклопедия, 1990. - 623 с.
- Полторак О.М. Термодинамика във физикохимията. - М.: висше училище, 1991. - 319 с.
Връзки
- // Енциклопедичен речник на Брокхаус и Ефрон: В 86 тома (82 тома и 4 допълнителни). - Санкт Петербург. , 1890-1907.
АДСОРБЦИЯ(от латински ad-on, с и sorbeo-абсорбирам), промяна (обикновено увеличение) на веществото близо до фазовата граница („абсорбция на повърхността“). В общия случай причината за адсорбцията е липсата на компенсация между молекулните тегла. сили в близост до тази повърхност, т.е. наличието на адсорбенти. силово поле. Тялото, което създава такова поле, се нарича. , в които могат да бъдат адсорбирани, и d so r b t и в около m, вече са адсорбери. в-в-адсорбат. Обратният процес на адсорбция се нарича.
. Естество на адсорб. сила m.b. много различни. Ако това са сили на Ван дер Ваалс, тогава се нарича адсорбция. физически, ако валентността (т.е. адсорбцията е придружена от образуването на повърхностни химични съединения), - химична или. Ще различи. характеристики - необратимост, високи топлинни ефекти (стотици kJ/), активиран характер. Между физическите и хим. Има много пропуски между адсорбцията. случаи (например адсорбция поради образуването). Възможни са и различни видове. видове физически адсорбция макс. универсално проявление на междумолекулна дисперсия. сили на привличане, тъй като те са приблизително постоянни за всяка химическа повърхност. природа (т.нар. неспецифична адсорбция). Phys. адсорбцията може да бъде причинена от електростатично. сили (взаимодействие между, диполи или квадруполи); в този случай адсорбцията се определя от хим. естеството на адсорбента (т.нар. специфична адсорбция). Средства. роля вадсорбция
Геометрията на интерфейса също играе роля: при плоска повърхност се говори за адсорбция върху отворена повърхност, при леко или силно извита повърхност се говори за адсорбция в пори.
В теорията на адсорбцията се прави разлика между статика (системата адсорбент-адсорбат е термодинамична) и кинетика (не).
защото системата е в равновесие, след това химикалът потенциалите на адсорбата и адсорбцията са еднакви; адсорбат поради намаляване на подвижността по време на адсорбция на по-малко адсорбент. Следователно, когато е инертен, той винаги е отрицателен, т.е. адсорбцията е екзотермична. Отчитането на промяната може да промени това заключение. Например, когато дадено вещество набъбне, последното (поради увеличаване на подвижността) може да се увеличи толкова много, че адсорбцията да стане ендотермична. В това, което следва, статията разглежда само екзотермични. адсорбция .
Има интегрални, диференциални, изостерични. и средна топлина на адсорбция. Интегралната топлина Q е равна на намалението (при V = const -вътрешна енергия), когато адсорбцията се промени от a 1 на a 2 (в конкретния случай a 1 = 0): Q = -(H 2 - H 1) Това стойност, обикновено наричана маса и изразена в J/kg.
Има и друг механизъм, водещ до допълване. адсорбция на адсорбтиви под тяхната критична стойност. t-ry на порест при относително високи стойности на p/p s. Това - . Ако в пората се е образувал вдлъбнат адсорбат, тогава той започва при p/p s<1.
Согласно
ур-нию Кельвина:
където е повърхностното напрежение на адсорбата, V е неговият моларен обем, r е радиусът на кривината.
води до рязко покачване на изотермата на адсорбция. В този случай т.нар. адсорбиращи средства. хистерезис, т.е. адсорбционно несъответствие и десорбция. изотермични клонове. По правило това се дължи на факта, че формите не съвпадат по време на адсорбция.
Използвайки потенциалната теория, M.M. Дубинин предложи и разви теорията за обемното запълване на микропорите (VFM). Предполага се, че тази теория се отнася само за микропорести. Особеността на такива пори, при които линейните размери на порите са r1 nm, е, че целият обем на порите им е „запълнен“ с адсорбенти. поле. Следователно при адсорбцията те се запълват не слой по слой, а обемно. Количеството в разглеждания случай не е адсорбирано. потенциал, и до химичния знак. адсорбатен потенциал, измерен от химическото ниво. при същата температура. Целият набор от пори е разделен на три класа: микропори (r0,6 nm), мезопори (0,6 nm-20 nm) и макропори (r20 nm). Адсорбцията в микропорите се извършва по схемата TOZM, т.е. обемно, в мезопори - по механизма на послойно запълване, завършен. Макропори по време на адсорбция. не играят никаква роля. 
Като въведе идея за разпределението на обемите на порите според химичните стойности. адсорбатен потенциал в тях, M.M. Дубинин и Л. В. Радушкевич получиха уравнението на адсорбционната изотерма на TOZM, което обикновено се записва по следния начин. форма:
където = -(da 0 /dT); a 0 0 = a 0 при T = T 0. Параметрите p и E са практически независими от t-ry. В повечето случаи n = 2. Само за случаите, когато началните топлини на адсорбция са много високи, n > 2. За да се преизчислят изотермите на адсорбция от един адсорбтив към друг, приблизително се приема, че E 1 /E 2 P 1 /P = и че a 01 / a 02 V 1 /V 2, където Pi е парахор, Vi е моларният обем на адсорбента.
Използвайки идеята, че в действителност има пори с различни размери и въвеждайки разпределение на стойностите на E с дисперсия, равна на F. Steckley, предложи обобщение на уравнението (23), наречено уравнение на Dubinin-Steckley: 
Кинетика на адсорбция
Адсорбцията, както всеки реален процес, протича с течение на времето. Следователно пълната теория на адсорбцията трябва да съдържа раздел за кинетиката на адсорбцията. Елементарната адсорбция настъпва почти моментално (изключение е хемосорбцията). Следователно се определят главно времевите зависимости на адсорбцията. механизъм, т.е. доставяне на адсорбента до мястото на адсорбция. Ако адсорбцията върху открита повърхност не е мигновена, такъв процес се случва в областта на външната дифузия; обаче, законите не са специфични за адсорбцията. При порестите, с изключение на външните , вътрешната започва да играе важна роля. , т.е. пренасяне на адсорбент в порите при наличие на градиент в тях. Механизмът на такъв трансфер може да зависи от адсорбента и размера на порите.
Има молекулярни, Кнудсенови и повърхностни (Фолмер) методи. Молекулярно се извършва, ако дължината е свободна. пробег в порите по-малък размерпори, Knudsen - ако тази дължина надвишава размера на порите. По време на повърхностната фаза те се движат по повърхността, без да преминават към обемната фаза. Въпреки това стойностите на коеф. не е същото за различни механизми. В множествено число В случаите не може да се установи експериментално как точно става това и затова т.нар ефективен коефициент , описващ процеса като цяло.
Основен нека експериментираме материал върху кинетиката на адсорбцията е т.нар. кинетичен крива, т.е. функция = a/a се равнява на =f(t) където е относителната адсорбция, равна на съотношението на текущата стойност на адсорбцията a към a, равно на нейната стойност в момент t. Да се тълкува кинетиката крива в най-простия случай се приема, че зърното има пореста структура, която е напълно хомогенна по обем (този модел се нарича квазихомогенен). Средства. Подобрение на квазихомогенния модел е идеята, че всяко зърно съдържа области с по-големи и фини пори. в такова зърно се описва от два различни типа. коефициенти.
В случай на отворена повърхност, приемайки модела на Langmuir, е лесно да се получи кинетиката. ниво на адсорбция. Скоростта на приближаване към е разликата между скоростите на адсорбция и . Ако приемем, както обикновено в кинетиката, че скоростите на процесите са пропорционални на реагиращите вещества, имаме:
където k adc и k des - съответно. адсорбция и в газовата фаза се счита за константа. Когато интегрираме това уравнение от t = 0 до всяка стойност на t, получаваме:
Следователно за f имаме: = равно. Следователно най-накрая имаме:
където k = k реклами + k дез.
Влиянието на температурата върху скоростта на адсорбция се изразява с уравнение, подобно на уравнението на Арениус. С повишаването на температурата k adc нараства експоненциално. защото в порите се свързва с преодоляване на активирането. бариери, температурните зависимости на kads и kdes не са еднакви.
Познаването на скоростите е важно не само за теорията на адсорбцията, но и за изчисляване на промишлени процеси. адсорбиращи средства. процеси. В този случай обикновено се занимават не с отделни зърна, а с техните слоеве. Кинетиката на процеса в слоя се изразява с много сложни зависимости. Във всяка точка на слоя в даден момент количеството адсорбция се определя не само от вида на уравнението на изотермата на адсорбция и законите на кинетиката на процеса, но и от аеро- или хидродинамични. условия на протичане на газ или течност около зърната. Кинетиката на процеса в слой, за разлика от кинетиката в отделно зърно, се нарича. динамика на адсорбция, обща схемаза решаване на задачи решението е следното: съставя се система от диференциали. уравнения в частни производни, отчитащи характеристиките на слоя, изотерма на адсорбция, характеристики на дифузия (коефициент, видове масопренос в целия слой и вътре в зърната), аеро- и хидродинамични. характеристики на потока. Уточняват се началните и граничните условия. Решението на тази система от уравнения по принцип води до стойностите на адсорбционните стойности в даден момент в дадена точка от слоя. Като правило, аналитични решението може да се получи само за най-простите случаи, така че тази задача се решава числено с помощта на компютър.
При експериментално изследване на динамиката на адсорбцията през слоя се пропуска поток газ или течност с дадени характеристики и се изследва съставът на изходящия поток като функция на времето. Появата на абсорбираното вещество зад слоя т.нар. пробив, а времето преди пробива е времето на защитно действие. Зависимостта на този компонент зад слоя от времето се нарича. изходна крива. Тези криви служат като основа. нека експериментираме материал, който позволява да се прецени моделите на динамиката на адсорбцията.
Хардуерно проектиране на адсорбционни процеси
Има много технологии. методи на адсорбция. процеси. Широко разпространена цикличност (интермитентни) инсталации с фиксирано легло, основни. възел от които - един или няколко. , изработени под формата на кухи колони, пълни с гранулат. През слоя се пропуска газов (или течен) поток, съдържащ адсорбирани компоненти, докато той пробие. След това той се регенерира и газовият поток се насочва към друг. включва редица етапи, от които основният е десорбция, т.е. изолиране на предварително абсорбирано вещество от. извършва се чрез нагряване, изпускане в газова фаза, изместване (напр. остра вода) или комбинация от тези методи. Тъй като времената на адсорбция не съвпадат, се избира такъв брой едновременно работещи и регенерирани, така че целият процес да протича непрекъснато.
Според техническите и икономичен съображенията не са спазени. Следователно работоспособността
1. АДСОРБЦИЯ, АДСОРБЦИОННИ ПРОЦЕСИ
Адсорбция- процесът на абсорбиране на газове (пари) или течности от повърхността твърди вещества(адсорбенти). Явлението адсорбция е свързано с наличието на сили на привличане между молекулите на адсорбента и абсорбираното вещество. В сравнение с други процеси на масов трансфер, адсорбцията е най-ефективна в случай на ниско съдържание на екстрахирани компоненти в първоначалната смес.
Има два основни вида адсорбция: физическиИ химически(или хемосорбция).Физическата адсорбция се причинява от силите на взаимодействие между молекулите на абсорбираното вещество и адсорбента (дисперсионни или сили на Ван дер Ваалс). Въпреки това, молекулите в контакт с повърхността на адсорбента насищат повърхността му, което влошава процеса на адсорбция. Химическата адсорбция се характеризира с химично взаимодействие между средата и адсорбента, което може да образува нови химични съединения на повърхността на адсорбента. И двата вида адсорбция са екзотермични. Въпреки това, ако топлината на физическа адсорбция на промишлени газове и пари е сравнима с тяхната топлина на кондензация (85-125 kJ/kmol), а в случай на разтвори дори по-малко, тогава топлината на химическа адсорбция достига няколкостотин килоджаула на киломол . Химическата адсорбция обикновено се извършва при ниска скорост и е възможна при високи температури, когато физическата адсорбция е незначителна.
Преходът на вещество от газова и течна фаза в адсорбирано състояние е свързан със загуба на една степен на свобода, т.е. придружен от намаляване на ентропията и енталпията на системата, следователно, отделянето на топлина. В този случай се прави разлика между диференциална и интегрална топлина на адсорбция; първата изразява количеството топлина, отделена при абсорбиране на много малко количество вещество (2 g/100 g адсорбент), втората - при абсорбиране до пълното насищане на адсорбента. Повишаването на температурата при всеки процес на адсорбция зависи от топлината на адсорбция и масовата скорост на потока газ (пара), от коефициента на топлинна дифузия на този поток и адсорбента, количеството на адсорбираното вещество и неговата концентрация. Тъй като адсорбционният капацитет на адсорбента намалява с повишаване на температурата, екзотермичният характер на процеса трябва да се вземе предвид при инженерните изчисления. При голямо отделяне на топлина те прибягват до охлаждане на адсорбентния слой.
Адсорбционните процеси се отличават със селективност и обратимост, позволяващи един или повече компоненти да бъдат абсорбирани (адсорбирани) от газови (парни) смеси и разтвори и след това при други условия да бъдат освободени (десорбирани) от твърдата фаза. В този случай селективността зависи от естеството на адсорбента и адсорбираните вещества, а максималното специфично количество абсорбирано вещество зависи и от концентрацията му в изходната смес и температурата, а при газовете и от налягането.
Адсорбентите са порести тела със силно развита повърхност на порите. Специфичната повърхност на порите може да достигне 1000 m 2 / g. Адсорбентите се използват под формата на таблетки или топки с размери от 2 до 6 mm, както и прахове с размер на частиците от 20 до 50 микрона. Като адсорбенти се използват активен въглен, силикагел, алумосиликати, зеолити (молекулярни сита) и др. Важна характеристикаадсорбенти е тяхната активност, която се разбира като масата на адсорбираното вещество на единица маса на адсорбента при равновесни условия. Активността на адсорбента е
a=M/G,(1)
Къде М- маса на абсорбираните компоненти; Ж- маса на адсорбента.
Характеризират се и адсорбентите време на защитно действие,под което разбираме времето, през което концентрацията на абсорбираните вещества на изхода от адсорбентния слой не се променя. При по-голямо време на работа на адсорбента се получава пробив на абсорбираните компоненти, свързан с изчерпване на активността на адсорбента. В този случай е необходима регенерация или подмяна на адсорбента.
Постигане на равновесие между твърдата и подвижната газова фаза -
Mi съответства на усвояването на максималното количество вещество. Равновесните условия се описват под формата на зависимост от абсорбционния капацитет (количество вещество М,абсорбирани за единица маса или обем адсорбент) от температурата Ти концентрация СЪСабсорбирано вещество в равновесна подвижна фаза, т.е. M = f(T, S). Обикновено условията на адсорбционно равновесие се изследват при постоянна температура. Зависимост M = f(G) се нарича изотерма на адсорбция.Конкретната форма на тази зависимост се определя от свойствата и механизма на взаимодействие между адсорбента и адсорбираното вещество.
Поради разнообразието от адсорбенти и адсорбирани вещества единна теорияадсорбцията все още не е разработена. Законите на процесите на адсорбция, в които силите на привличане на Ван дер Ваалс играят решаваща роля, могат да бъдат задоволително описани от така наречената потенциална теория на адсорбцията. Според тази теория на повърхността на адсорбента се образува полимолекулен адсорбционен слой, енергийното състояние на молекулите в който се определя от стойността на адсорбционния потенциал, който е функция на разстоянието от повърхността и не зависи от на температурата. Адсорбционният потенциал е най-голям на повърхността на адсорбента. Потенциалната теория е приложима за процеси на адсорбция на адсорбенти, чиито размери на порите са сравними с размерите на абсорбираните молекули. В такива случаи има не послойно, а обемно запълване на порите.
За описание на процеса на мономолекулна адсорбция най-широко използваната теория е теорията на Лангмюр, според която поради некомпенсирани сили върху повърхностния атом или молекула на адсорбента, адсорбираната молекула се задържа известно време
повърхности. Адсорбцията се извършва в специални точки на повърхността - адсорбционни центрове. Материалните потоци, участващи в процесите на адсорбция и десорбция, съдържат транспортируеми и „инертни“ компоненти. Първите се отнасят за вещества, които преминават от една фаза в друга, а вторите - тези, които не участват в такъв преход. В твърдата фаза "инертният" компонент е адсорбентът.
Скоростта на процеса на адсорбция зависи от условията на транспортиране на адсорбираното вещество към повърхността на адсорбента (външен трансфер), както и от преноса на адсорбираното вещество вътре в зърната на адсорбента (вътрешен трансфер). Скоростта на външния пренос се определя от хидродинамичните условия на процеса, а вътрешния - от структурата на адсорбента и физикохимичните свойства на системата.
2. КОНСТРУКЦИЯ НА АДСОРБЕНТИ И СХЕМИ НА АДСОРБЦИОННИ ИНСТАЛАЦИИ
Адсорбционните процеси се осъществяват основно по следните начини: 1) с фиксиран слой адсорбент;
2) с подвижен слой адсорбент;
3) с кипящ слой от адсорбент.
Адсорбцията е универсален метод, който ви позволява почти напълно да премахнете примес от газ или течна среда. В химическата промишленост, по-специално в TNV, методът на адсорбция се използва широко за гладко почистване и изсушаване на технологичните потоци, подобряване на качеството на суровините и продуктите и е един от методите за опазване на околната среда.
Адсорбцияе концентрацията на вещества на повърхността или в обема на твърдо вещество. Най-малко два компонента участват в процеса на адсорбция. Нарича се твърдо вещество, на повърхността или в чийто обем е концентрирано абсорбираното вещество адсорбент. Резорбируемо вещество, разположено в газ или течна фазанаречен адсорбционен, и след като премине в адсорбирано състояние - адсорбат. Всякакви твърдоима повърхност и следователно е потенциално адсорбент. В технологията обаче се използват твърди адсорбенти с развита вътрешна повърхност. Развитието на вътрешната повърхност в твърдото тяло се постига чрез създаване на специални условия по време на неговия синтез или в резултат на допълнителна обработка.
От термодинамична гледна точка адсорбцията се проявява с намаляване на свободната енергия на Гибс (G). Както всички процеси, придружени от намаляване на енергията на Гибс, адсорбцията е спонтанен процес. Преходът на веществото от газ или течна фаза към адсорбирано състояние е свързан със загуба на поне една степен на свобода (триизмерна обемна газова или течна фаза двуизмерна повърхностна фаза), което води до намаляване на ентропията на системата (S). Тъй като енталпията (H) е свързана с енергията на Гибс и ентропията чрез уравнението H = G + TS, тя намалява по време на процеса на адсорбция и следователно адсорбцията е екзотермичен процес.
Адсорбционните явления се разделят на два основни вида: физическа адсорбция и хемосорбция (сорбция, базирана на сили на химично взаимодействие). Физическа адсорбцияпричинени от сили на молекулно взаимодействие: дисперсионни и електростатични. Дисперсионните сили имат основен принос за енергията на взаимодействие на молекулите. По този начин молекулите на всеки адсорбент имат флуктуиращи диполи и квадруполи, причинявайки мигновени отклонения на разпределението на електронната плътност от средното разпределение. Когато молекулите на адсорбента се доближат до атомите или молекулите на адсорбента, движението на флуктуиращите диполи придобива систематичен и строго подреден характер, което води до възникване на привличане между тях. В някои случаи дисперсионните сили се усилват от електростатични сили - ориентационни и индуктивни. Ориентационните сили възникват от взаимодействието на полярни молекули с повърхност, съдържаща електростатични заряди (йони, диполи), а индукционните сили се причиняват от промяна в електронната структура на адсорбента и адсорбентните молекули под въздействието един на друг.
За разлика от физическата адсорбция, когато хемосорбцияИндивидуалността на адсорбента и адсорбента не се запазва. Когато молекулите на адсорбента се приближат до повърхността на адсорбента, възниква преразпределение на електроните на взаимодействащите компоненти с образуването на химическа връзка. Ако физическата адсорбция може да се сравни с кондензацията, тогава хемосорбцията се разглежда като химичен процес, протичащ на повърхността.
Физическата адсорбция и хемосорбцията могат да бъдат разграничени въз основа на числената стойност на топлината на адсорбция. Топлината на адсорбция на компонентите на промишлените газове е сравнима с топлината на тяхната кондензация и не надвишава 85-125 kJ/mol. Топлината на хемосорбция на един мол вещество достига няколкостотин kJ. Хемосорбцията, като правило, протича с ниска скорост, това обстоятелство често се използва за разпознаването му. В допълнение, хемосорбция може да възникне при високи температури, когато физическата адсорбция е незначителна. Хемосорбцията се характеризира с рязка, рязка промяна в абсорбционната способност на екстрахирания компонент по време на прехода от адсорбент от едно химично естество към адсорбент от друго естество. По време на хемосорбцията адсорбираните молекули не могат да се движат по повърхността на адсорбента, тяхното положение е фиксирано и такава адсорбция се нарича локализирана. Физическата адсорбция може да бъде локализирана или нелокализирана. Обикновено с повишаване на температурата молекулите стават подвижни и естеството на процеса се променя: локализираната адсорбция става нелокализирана.