Для чего используется адсорбция

Адсорбция

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — это, в широком смысле, процесс изменения концентрации у поверхности раздела двух фаз, а в более узком и употребительном — это повышение концентрации одного вещества (газ, жидкость) у поверхности другого вещества (жидкость, твердое тело).

Содержание

Основные понятия

Адсорбция и хемосорбция

На поверхности раздела двух фаз помимо адсорбции, обусловленной в основном физическими взаимодействиями (главным образом это Ван-дер-Ваальсовы силы), может идти химическая реакция. Этот процесс называется хемосорбцией. Чёткое разделение на адсорбцию и хемосорбцию не всегда возможно. Одним из основных параметров по которым различаются эти явления является тепловой эффект: так, тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата, тепловой эффект хемосорбции значительно выше. Кроме того в отличие от адсорбции хемосорбция обычно является необратимой и локализованной. Примером промежуточных вариантов, сочетающих черты и адсорбции и хемосорбции является взаимодействие кислорода на металлах и водорода на никеле: при низких температурах они адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать хемосорбция.

Схожие явления

В предыдущем разделе говорилось о случае протекания гетерогенной реакции на поверхности- хемосорбции. Однако бывают случаи гетерогенных реакций по всему объему, а не только на поверхности- это обычная гетерогенная реакция. Поглощение по всему объёму может проходить и под воздействием физических сил- этот случай называется абсорбцией.

Физическая адсорбция

Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества) Ван-дер-Ваальсовы силы. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называют хемосорбцией и химической адсорбцией. «Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией.

Физическая адсорбция является обратимым процессом, условие равновесия определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива P на вакантных местах поверхности адсорбента S * и десорбции — освобождения адсорбата из связанного состояния S − P:

;

уравнение равновесияя в таком случае:

,

где K — константа равновесия, [S − P] и [S * ] — доли поверхности адсорбента, занятые и незанятые адсорбатом, а [P] — концентрация адсорбтива.

Количественно процесс физической мономолекулярной адсорбции в случае, когда межмолекулярным взаимодействием адсорбата можно пренебречь, описывается уравнением Ленгмюра:

,

где — доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом, — адсорбционный коэффициент Ленгмюра, а P — концентрация адсорбтива.

Поскольку и, соответственно, , уравнение адсорбционного равновесия может быть записано следующим образом:

Уравнение Ленгмюра является одной из форм уравнения изотермы адсорбции. Под уравнением изотермы адсорбции (чаще применяют сокращённый термин — изотерма адсорбции) понимают зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива a=f(С) при постоянной температуре (T=const). Концентрация адсорбтива для случая адсорбции из жидкости выражается, как правило, в мольных либо массовых долях. Часто, особенно в случае адсорбции из растворов, пользуются относительной величиной: С/С_s, где С — концентрация, С_s — предельная концентрация (концентрация насыщения) адсорбтива при данной температуре. В случае адсорбции из газовой фазы концентрация может быть выражена в единицах абсолютного давления, либо, что особенно типично для адсорбции паров, в относительных единицах: P/P_s, где P — давление пара, P_s — давление насыщенных паров этого вещества. Саму величину адсорбции можно выразить также в единицах концентрации (отношение числа молекул адсорбата к общему числу молекул на границе раздела фаз). Для адсорбции на твёрдых адсорбентах, особенно при рассмотрении практических задач, используют отношение массы или количества поглощённого вещества к массе адсорбента, например мг/г или ммоль/г.

Значение адсорбции

Адсорбция — всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма — активированный уголь), силикагели, цеолиты а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

Адсорбция (особенно хемосорбция) имеет также важное значение в гетерогенном катализе. Пример адсорбционных установок приведён на странице азотные установки.

Установка для проведения адсорбции называется адсорбером.

Источник

Адсорбенты: виды и применение

Адсорбенты: виды и применение

Адсорбент — высокодисперсный материал натурального или синтетического происхождения, для которого характерна большая удельная поверхность. Именно она поглощает жидкости и газы, задерживая их в порах и каналах. Обычно в технике адсорбцией называют впитывание веществ поверхностью твердого тела.

Адсорбирующие свойства материалов зависят от температуры, влажности, количества пор, а также от удельной поверхности (поверхностной площади адсорбента весом 1 г). Эти показатели сильно отличаются у пористых и непористых веществ. В первом случае удельная поверхность составляет до 1000 кв. м/г. Такими характеристиками обладают активированный уголь, силикагель, алюмосиликатные катализаторы и др. К непористым адсорбентам относят частицы сажи, измельченные кристаллы, аэросил и т.д. Их удельная поверхность составляет от 1 до 500 кв. м/г.

Виды адсорбентов

Адсорбция – концентрирование веществ на поверхности раздела фаз и в порах твердого вещества. В промышленности наиболее востребованы такие поглотители:

· цеолиты (водные алюмосиликаты натрия и кальция);

· силикагели (высушенный гель, полученный при подкислении силикатных растворов щелочных металлов);

· оксид алюминия и др.

Наиболее эффективные адсорбенты газов – цеолиты, иначе называемые молекулярно-ситовыми поглотителями. Размер их пор минимален по сравнению с другими адсорбирующими веществами, а наименование «молекулярное сито» обусловлено малым диаметром окон, которые связывают полости (он соизмерим с диаметром молекул газа). Такая особенности цеолитов дает возможность разделять газообразные вещества и растворы с разными размерами частиц.

Применение

На промышленных предприятиях адсорбцию производят с помощью особых устройств – адсорберов. Они осушают газы (удаляют из них молекулы водяного пара и т.д.), очищают воду и органические жидкости, удаляют вредные и ценные отходы производства из растворов. Адсорбенты воздуха востребованы при осушении воздушного потока и подготовки рабочего воздуха для пневматических установок. На методике адсорбции основаны современные технологии разделения. Их используют повсеместно, в том числе в случаях, если методы перегонки или мембранной очистки невыгодны или малоэффективны.

Промышленные адсорбенты – твердые вещества с большой удельной поверхностью – востребованы при очистке газов и жидкостей от нежелательных примесей. Но существуют и другие сферы применения, такие как:

· производство противогазов с использованием активированного угля;

· хромота графическое разделение смесей;

· осветление и обесцвечивание растворов, нефтепродуктов, глюкозы, фармацевтических препаратов и т.д.

Очистка и сбор нефти – еще один вариант применения указанных веществ. Для этих целей подходят синтетические адсорбенты нефтепродуктов, такие как сухая полиуретановая пена. Всего 28 кг этого вещества способны поглотить до тонны нефти. Преимуществом пены является легкость транспортировки и изготовления. Всего два компонента необходимо для ее производства, и их можно безопасно перевозить на любых судах. В ходе реакции между веществами объем смеси возрастает в 100 раз. А после впитывания нефтепродуктов собрать шарики адсорбента можно неводом или сетями с мелкими ячейками. Материал подходит для многократного применения.

Разновидности адсорбции

Процессы делят на два вида:

· физическая адсорбция (физосорбция) – обратимый процесс, обусловленный силами взаимного притяжения молекул (он неспецифичен и неизбирателен, поэтому индивидуальные свойства впитываемого вещества и поглотителя неважны);

· химическая адсорбция (хемосорбция) – поглощение веществ из окружающей среды, сопровождаемое образованием новых химических соединений (процесс имеет высокую химическую специфичность, а энергия связи достигает 1–10 эВ, из-за чего выделяется большое количество тепла).

Физическая адсорбция основана на силах Ван-дер-Ваальса – на межмолекулярном взаимодействии с энергий от 10 до 20 кДж/моль. Поэтому происходит электростатическое притяжение частиц вещества с адсорбентом. В случае химической адсорбции молекулы поглощаемого вещества вступают в химическую реакцию с адсорбирующим материалов. Для этого процесса характерен активационный барьер, поэтому ускорить процесс впитывания можно при повышении температуры. Процесс хемосорбции преимущественно необратим, поскольку электронная структура поверхности материалов значительно изменяется.

Особенности технологического процесса

Для очистки и разделения веществ используют колонные аппараты, наполненные адсорбентами. Процесс очищения цикличен: сначала слой поглотителя насыщается загрязнителями, сторонними примесями, газами, после чего его регенерируют и снова используют. Процесс производят непрерывно или по мере необходимости, применяя несколько аппаратов. Для повышения эффективности разделения дополнительно используют особые реагенты и регуляторы. Эффективность флотации также повышают, подбирая уровень водородного показателя pH, изменяя плотность растворов и пульп, а также нагревая или пропаривая их.

Чтобы разделить газовые смеси с последующим выделением азота, кислорода, водорода, этилена и прочих высококонцентрированных веществ (в пределах 95–99,9 %) применяют установки КЦА (короткоцикловой адсорбции). Такое оборудование способно разделить любые газообразные смеси, подходит для извлечения азота из воздуха с помощью углеродных адсорбентов с молекулярно-ситовыми свойствами.

Технологический процесс адсорбции состоит из таких этапов:

· подача газовой смеси в адсорбер под действием высокого давления и при высокой температура окружающего воздуха;

· поглощение компонентов, которые легко поддаются извлечению, с помощью адсорбентов;

· поступление молекул, плохо или вовсе не поддающихся адсорбции, в аппарат для разделения газовой смеси;

· поглощение газа до достижения равновесия между десорбцией (высвобождением вещества через поверхность) и адсорбцией;

· регенерация адсорбирующего материала для удаления поглощенных компонентов с поверхности.

Регенерировать адсорбенты, высвободив поглощенные вещества, поможет резкий сброс давления или нагрев.

Адсорбенты для очистки газов и нефтепродуктов востребованы в промышленности. С их помощью производят рекуперацию летучих растворителей, выделяют и очищают мономеры в процессе изготовления каучука, пластмассы, синтетических смол. В ходе очистки нефтепродуктов происходит удаление компонентов, ухудшающих эксплуатационные свойства масел и топлива.

С помощью адсорбентов очищают дистилляты, продукты перегонки нефти: бензин, керосин, мазут. Адсорбция позволяет извлечь из нефтепродуктов азотные и сернистые соединения, неуглеводородные компоненты (асфальто-смолистые вещества), а также нафтено-ароматические и твердые углеводороды. Применение адсорбирующих веществ в процессе разделения и очистки позволило детально изучить и анализировать состав нефти, влияние отдельных компонентов на ее характеристики и на продукты, получаемые из нее.

Источник

Вопрос 90. Процессы адсорбции и область их применения. Основные виды адсорбентов и их характеристики

Адсорбция – процесс поглащения газов, паров или жидкостей поверхностью пористых тел – адсорбентов.

Процесс адсорбции рационально применять при малых начальных концентрациях поглощаемого компонента в парогазовой смеси и при необходимости полного поглощения этого компонента из смеси.

Процесс адсорбции в настоящее время используется для очистки и осушки газов, очистки растворов от примесей и разделения смесей газов и паров. В некоторых технологических процессах (окраска или сушка) выделяется большое количество паров летучих растворителей в воздух, что приводит к потерям этих ценных продуктов, загрязнению окружающей среды и образованию ВОК.

В качестве адсорбентов используются обладающие высокой пористостью твердые материалы, т.е. материалы с большой удельной поверхностью:

Активированный уголь– гранулы размером от 1 до 7 мм либо в виде порошка; общая поверхность 1 г угля достигает 400 м 2 и более; в промышленности – для поглощения паров органических жидкостей из парогазовых смесей, для очистки растворов от примесей; недостатком является горючесть и склонность некоторых марок угля к самовозгоранию.

Активная окись алюминия– гранулы цилиндрической формы диаметром 4-6 мм и длиной 4-25 мм и используется для осушки газов, очистки газов и жидкостей от фторсодержащих соединений и в других процессах; удельная поверхность активной окиси достигает 180-200 м 2 /г.

Цеолиты – пористые искусственные или синтетические алюмосиликаты со строго регулярной кристаллической структурой; применяются для разделения газов или жидкостей по размерам молекул, для глубокой осушки и очистки газов и жидкостей в других процессах.

Источник

Слово «адсорбция» было придумано в 1881 году немецким физиком Генрихом Кайзером (1853–1940).

Содержание

Изотермы

Адсорбция газов и растворенных веществ обычно описывается через изотермы, то есть количество f адсорбируется на адсорбенте в зависимости от его давления (для газа) или концентрации (для растворенных веществ в жидкой фазе) при постоянной температуре. Адсорбированное количество почти всегда нормируется на массу адсорбента, чтобы можно было сравнивать различные материалы. На сегодняшний день разработано 15 различных моделей изотерм.

Линейная

Фрейндлих

Первая математическая аппроксимация изотермы была опубликована Фрейндлихом и Кустером (1906) и представляет собой чисто эмпирическая формула для газообразных адсорбатов:

xm = k P 1 / n, <\ displaystyle <\ frac > = kP ^ <1 >,>

где x < \ displaystyle x>— масса адсорбированного адсорбата, m <\ displaystyle m>— масса адсорбента, P <\ displaystyle P>— давление адсорбата (его можно изменить на концентрацию, если исследуется раствор, а не газ), а k <\ displaystyle k>и n <\ displaystyle n>— эмпирические константы для каждой пары адсорбент – адсорбат при заданной температуре. Эта функция неадекватна при очень высоком давлении, потому что в действительности x / m <\ displaystyle x / m>имеет асимптотический максимум при неограниченном увеличении давления. При повышении температуры константы k <\ displaystyle k>и n <\ displaystyle n>изменяются, чтобы отразить эмпирическое наблюдение, согласно которому адсорбированное количество увеличивается больше медленно и более высокое давление требуется для насыщения поверхности.

Ленгмюр

Ирвинг Ленгмюр был первым, кто вывел научно обоснованную изотерму адсорбции в 1918 году. Модель применима к газам, адсорбированным на твердых поверхностях. Это полуэмпирическая изотерма с кинетической основой, полученная на основе статистической термодинамики. Это наиболее распространенное уравнение изотермы из-за его простоты и способности соответствовать различным данным адсорбции. Он основан на четырех предположениях:

θ = KP 1 + KP, <\ displaystyle \ theta = <\ frac <1 + KP>>,>

где P <\ displaystyle P>— частичное давление газа или молярная концентрация раствора. Для очень низких давлений θ ≈ KP <\ displaystyle \ theta \ about KP>, а для высоких давлений θ ≈ 1 <\ displaystyle \ theta \ приблизительно 1>.

значение of θ <\ displaystyle \ theta>трудно измерить экспериментально; Обычно адсорбатом является газ, и количество адсорбированного газа указывается в молях, граммах или объемах газа при стандартной температуре и давлении (STP) на грамм адсорбента. Если мы назовем v _mon объемом адсорбата STP, необходимым для образования монослоя на адсорбенте (на грамм адсорбента), то θ = vv mon <\ displaystyle \ theta = <\ frac >>>> , и мы получаем выражение для прямой линии:

1 v = 1 K v mon 1 P + 1 v mon. <\ displaystyle <\ frac <1>> = <\ frac <1>>>> <\ frac <1>

> + <\ frac <1>>>>.>

Если на поверхности адсорбируется более одного газа, мы определяем θ E <\ displaystyle \ theta _ > как доля пустых сайтов, и мы имеем:

θ E = 1 1 + ∑ i = 1 n K i P i. <\ displaystyle \ theta _ = <\ dfrac <1> <1+ \ sum _ ^ K_ P_ >>.>

Кроме того, мы можем определить θ j <\ displaystyle \ theta _ > как долю участков, занятых j-м газом:

θ j = K j P j 1 + ∑ i Знак равно 1 N К я П я, <\ Displaystyle \ theta _ = <\ dfrac P_ > <1+ \ sum _ ^ K_ P_ >>,>

1) Чтобы выбрать между уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха, необходимо исследовать энтальпии адсорбции. В то время как модель Ленгмюра предполагает, что энергия адсорбции остается постоянной с заполнением поверхности, уравнение Фрейндлиха выводится с предположением, что теплота адсорбции непрерывно уменьшается по мере заполнения мест связывания. Выбор модели на основе наилучшего соответствия данных является распространенным заблуждением.

2) Использование линеаризованной формы модели Ленгмюра больше не является обычной практикой. Прогресс в вычислительной мощности позволил выполнять нелинейную регрессию быстро и с большей уверенностью, поскольку преобразование данных не требуется.

Изотерма Ленгмюра обычно лучше подходит для хемосорбции, а изотерма БЭТ лучше подходит для физадсорбции для немикропористых поверхностей.

Кислюк

k E = S E k ES S D. <\ displaystyle k _ <\ text > = <\ frac >> > S _ <\ text >>>.>

Решение для Θ _(t) дает:

Энтальпия адсорбции

Как видно из формулы, изменение K должно быть изостерическим, то есть при постоянном охвате. Если мы начнем с изотермы БЭТ и предположим, что изменение энтропии одинаково для сжижения и адсорбции, мы получим

другими словами, адсорбция более экзотермична, чем разжижение.

Описание одной молекулы

С 1980 года работали над двумя теориями, чтобы объяснить адсорбцию и получить работающие уравнения. Эти два понятия называются гипотезой ци, квантово-механическим выводом, и избыточной работой поверхности, ESW. Обе эти теории приводят к одному и тому же уравнению для плоских поверхностей:

где » ad означает «адсорбированный», «m» означает «монослойный эквивалент», а «vap» относится к давлению пара жидкого адсорбента при той же температуре, что и твердый образец. Единичная функция определяет молярную энергию адсорбции для первой адсорбированной молекулы следующим образом:

Обратите внимание, что в этом описании физической адсорбции энтропия адсорбции согласуется с термодинамическим критерием Дубинина, то есть энтропия адсорбции из жидкого состояния в адсорбированное состояние приблизительно равна нулю.

Адсорбенты

Характеристики и общие требования

Большинство промышленных адсорбентов делятся на три класса:

Силикагель

Источник