Для чего применяется адсорбция

Для чего применяется адсорбция

Адсорбция в нашей жизни

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

1.Введение. Актуальность темы. Гипотеза.

При употреблении в пищу недоброкачественных продуктов, при отравлении ядовитыми веществами первая помощь – это применение активированного угля в качестве адсорбента.

Истрия поглотительной способности древесного угля интересна и берет начало с 18 века. В 1773 году К.Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле, в 1785 году Т.Ловиц адсорбировал из раствора вещества древесным углем. Он применял древесный уголь для очистки разных веществ: лекарств, питьевой соды, хлебной водки, питьевой воды, меда, селитры и других веществ. В 1794 году активированный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии. В 19 столетии исследование адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. Сейчас применение активированного угля, использование его адсорбирующих свойств также актуально, как и раньше. В годы Первой мировой войны был изобретен противогаз, который активно используется в наши дни. Человек не смог изобрести альтернативу такому сильному поглотителю, как активированный уголь. Изучая химию, я хочу подробнее узнать: почему активированный уголь обладает такими свойствами и существуют ли другие вещества- адсорбенты.

Цель: познакомиться с адсорбционной способностью активированного угля, сравнить его адсорбционные свойства с другими адсорбентами.

1.Изучить литературу по данному вопросу

2.Изучить историю создания первого противогаза.

3.Провести эксперименты с активированным углем, белым углем, полифепаном, энтеросгелем и сделать соответствующие выводы.

Объект исследования: адсорбция веществ.

Предмет исследования: адсорбирующая способность некоторых адсорбентов.

Время исследования: май-октябрь 2018 года.

теоретические (изучение литературы, интернет-ресурсов );

экспериментальные (постановка опытов)

эмпирические (наблюдение, сравнение, аналогии, обобщение).

Гипотеза: Изучив литературу по вопросу «Явление адсорбции. Адсорбенты», я хочу убедиться на практике в том, что активированный уголь действительно обладает необычными и интересными свойствами, а так же сравнить адсорбирующую способность угля с другими адсорбентами.

2.1 Понятие адсорбции

Слово «сорбция» пришло к нам из латыни. Соответствующий ему латинский глагол означает «поглощать». Сорбционные процессы – это физико-химические процессы поглощения газов и жидкостей или растворенных в жидкости веществ твердыми телами или другими жидкостями. Десорбция – обратный процесс выделения поглощенных газообразных или жидких веществ.

Различают два основных типа сорбционных процессов: абсорбцию и адсорбцию.При абсорбции поглощаемое вещество улавливается всем объемом поглотителя, при адсорбции – только поверхностью. Частный случай адсорбции – хемосорбция, когда одновременно протекают физический процесс сорбции и химическая реакция между молекулами сорбируемого вещества и сорбента (сорбирующего вещества).

Адсорбция (от лат. ad – на, при и sorbeo – поглощаю), поглощение какого-либо вещества (адсорбата) из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом). [4]

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию).

Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. Существенное отличие физической адсорбции – ее обратимость. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.

Хемосорбция (от хемо… и сорбция), поглощение жидкостью или твердым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. В более узком смысле хемосорбцию рассматривают как химическое поглощение вещества поверхностью твердого тела, т.е. как химическую адсорбцию.

При хемосорбции между атомами (молекулами) адсорбента и адсорбата образуется химическая связь, т.е. хемосорбцию можно рассматривать как химическую реакцию, область протекания которой ограничена поверхностным слоем. В некоторых случаях на одной поверхности могут протекать одновременно и физическая и химическая адсорбция. Как и в случае химических реакций, адсорбент хемосорбирует не любые молекулы, а только те, которые вступают в соединении, определяется ковалентными силами с некоторой долей ионной составляющей. Определяющую роль при хемосорбции должен играть обмен электронами между адсорбентом и адсорбатом.

2.2. Применение адсорбции.

Природные и синтетические адсорбенты широко используют в начальных исследованиях, в медицине, в хроматографии, при получении твердых катализаторов и т.д.

Хроматография может быть основана различной способности компонентов к адсорбции (адсорбционная хроматография), абсорбции (распределительная хроматография), ионному обмену (ионообменная хроматография). В зависимости от агрегатного состояния элюента различают газовую и жидкостную хроматографию. Хроматографию широко используют в лабораториях и в промышленности для контроля производства и выделения индивидуальных веществ.

Предпочтительно образование определенного продукта из ряда возможных.

Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов (напр., производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака). Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Как отделить фермент от продуктов? Промышленные каталитические процессы предпочитают вести на твердых катализаторах, тогда проблема разделения исчезает. В качестве эксперимента попробовали, и фермент прикрепили к твердому носителю. Одним из способов такого прикрепления является адсорбция – обратимое связывание вещества с поверхностью твердого тела без химического изменения. В 1916 году впервые было обнаружено, что при адсорбции инвертазы – фермента, расщепляющего сахарозу на более простые углеводы (глюкозу и фруктозу), на угле или гидроксиде алюминия она сохраняет каталитическую активность. А в 1939 году получен первый патент на применение протеаз, адсорбированных на древесных опилках, для обработки шкур животных.

Адсорбция на нерастворимых носителях – это самый простой и самый старый из физических методов. Фермент как бы приклеивается к поверхности за счет водородных, гидрофобных, электростатических взаимодействий. Но поскольку химических связей нет, «склеивание» часто оказывается непрочным.

2.3 История создания противогаза

22 апреля 1915 года в районе Ипра на стыке французского и британского фронтов немцы осуществили первую газобаллонную химическую атаку. В результате из 12 тысяч солдат в живых осталось только 2 тысячи. 31 мая подобную атаку повторили на русско-германском фронте под Варшавой. Потери среди солдат были огромны. Зелинский поставил задачу отыскать надежное средство защиты от отравляющих газов. Понимая, что для универсального противогаза нужен универсальный поглотитель, для которого был бы совершенно безразличен характер газа, Зелинский пришел к идее использовать обыкновенный древесный уголь. Он вместе с В.С.Садиковым разработал способ активирования угля путем прокаливания, что значительно увеличило его поглотительную способность. В июне 1915 года на заседании противогазовой комиссии при Русском техническом обществе Зелинский впервые доложил о найденном им средстве. В конце 1915 года инженер Э.Л.Куммант предложил использовать в конструкции противогаза резиновый шлем. Из-за преступной задержки с внедрением противогаза по вине командования армии только в феврале 1916 года после испытаний в полевых условиях он, наконец, был принят на вооружение. К середине 1916 года было налажено массовое производство противогазов Зелинского-Кумманта. Всего за годы Первой мировой войны в действующую армию было направлено более 11 миллионов противогазов, что спало жизнь миллионам русских солдат. [3]

Адсорбенты применяются как носители в катализе, как наполнители для полимеров, для хроматографического разделения смесей в хроматографии, в противогазах, в медицине, в нефтепереработке (риформинг, гидроочистка, гидрокрекинг), нефтехимии для очистки нефтепродуктов (нефти, бензина и т. д.) и газов, адсорбционной очистки масел, прежде всего трансформаторных, от кислот — продуктов окисления масел, как статические осушители при консервации приборов и оборудования, а также в высоковакуумной технике для сорбционных насосов.Адсорбент данной марки можно применять для водоподготовки, очистки питьевой, хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод.

Адсорбенты-осушители. Необходимость осушки и очистки присутствует в разнообразных процессах, в числе которых, например, кондиционирование воздуха или транспортировка природного газа по трубопроводам. Осушка природного газа обеспечивает непрерывную эксплуатацию оборудования и газопроводов, предотвращая образование ледяных и гидратных пробок. В повседневной жизни адсорбенты используются как энтеросорбенты при пищевых отравлениях, аллергических реакциях на некоторые препараты (приложение 3), а так же используют для очистки воды.

Ниже приводится характеристика некоторых адсорбентов, применяемых в быту и медицине (приложение 4). [5]

3. Мои исследования

Цель: проверить адсорбирующую способность активированного угля и сравнить с адсорбирующей способностью других адсорбентов, которые мы купили в аптеке.

3.1. Проверка адсорбирующей способности активированного угля.

Оборудование: сера, спички, спиртовка, ложка для сжигания веществ, активированный уголь, 2 колбы с пробирками. (приложение 5)

В две одинаковые колбы с пробками положила красные цветки герани. В одну из них положила таблетку активированного угля. (Активированный уголь растерла в ступке для увеличения поверхности соприкосновения.)

В специальной ложке зажгла серу. В процессе горения образуется оксид серы (ӀV). Затем отпустила ложечку в каждую колбу и плотно закрыла пробкой. Через некоторое время цветки в одной колбе изменили окраску (посветлели), а там где была таблетка активированного угля – окраска не изменилась.

Вывод по результатам исследования:

Адсорбирующие свойства активированного угля воспрепятствовали воздействию оксида серы (ӀV).

Значит, активированный уголь является хорошим адсорбентом.

3.2.Сравнение адсорбирующей способности разных адсорбентов. (приложение 6, 7)

Оборудование: активированный уголь, белый уголь, полифепан, энтеросгель, рифампицин (антибиотик), фенол, вода, мерный цилиндр, весы с разновесами, стаканы (8 штук).

Затем добавила: в 1-й стакан – 3 таблетки активированного угля,

во 2-й стакан- 3 таблетки белого угля

в 3-й стакан- ½ пакетика полифепана

в 4-й стакан- чайную ложку энтеросгеля

Затем добавила: в 1-й стакан – 3 таблетки активированного угля,

во 2-й стакан- 3 таблетки белого угля

в 3-й стакан- ½ пакетика полифепана

в 4-й стакан- чайную ложку энтеросгеля

Результаты эксперимента (оценка по 5-ти бальной шкале)

Источник

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

Адсорбция. Общие сведения о процессе. Область применения. Промышленные адсорбенты и их характеристика

Адсорбция– процесс поглощения газов, паров или жидкостей поверхностью твёрдого тела, называемого адсорбентом.

Эффективными адсорбентами обычно являются вещества с высокоразвитой поверхностью. На практике в качестве адсорбентов применяются активированные угли, силикагель, отбеливающие земли, глины. Большое количество мельчайших пор образует значительную внутреннюю поглотительную поверхность адсорбента.

Адсорбция является одним из эффективных методов разделения газообразных или жидких смесей компонентов, отличающихся по химической структуре. Этот процесс широко распространён в промышленной и лабораторной практике, так как даёт достаточно высокую степень разделения.

Метод адсорбции можно эффективно использовать для аналитических целей при определении количественного состава газообразных и жидких смесей.

Адсорбцию можно применять как для очистки смесей от нежелательных компонентов, так и наоборот, для извлечения из смеси желательных компонентов. Так, при очистке масел в качестве адсорбента используются отбеливающие земли – глины, они служат для удаления смол и некоторых нежелательных веществ (нафтеновых кислот, остатков кислого гудрона, растворителей и т. д.). На газобензиновых заводах активированный уголь служит для улавливания из нефтяных газов газового бензина, который является целевым продуктом.

Адсорбция применяется для определения состава газа, углеводородного состава различных нефтепродуктов в жидком виде, потенциального содержания масел в нефти. Используется в промышленности для отбензинивания природных и попутных углеводородных газов, разделения газов нефтепереработки с целью получения водорода, этилена и др. компонентов, для осушки газов и жидкости, выделения низкомолекулярных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов) из соответствующих бензиновых фракций, для очистки парафина и др.

На использовании принципа адсорбции основана работа противогаза (создателем его является Н.Д. Зелинский).

Сравнительно недавно появился новый вид высокоэффективных адсорбентов – цеолиты или так называемые молекулярные сита, представляющие собой алюмосиликаты натрия или кальция с регулируемыми размерами пор, сечение которых соизмеримо с размерами молекул. Отличительной особенностью этих адсорбентов является однородность пор по их размерам, поэтому они адсорбируют только те молекулы, которые могут проникнуть в эти поры (адсорбируют н-бутан и не поглощают изобутан).

Молекулярные сита применяются

— для разделения смесей газов или жидкостей по размерам молекул (отделение нормальных углеводородов от их изомеров);

— для осушки газов и жидкостей;

— для очистки газов и жидкостей от примесей при низкой их концентрации.

Весьма важной характеристикой адсорбентов является их активность, характеризующая поглотительную способность адсорбента по отношению к различным веществам.

Явление адсорбции, т.е. поглощение вещества поверхностью, объясняется наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества.

Молекулы адсорбента, находящиеся внутри его объёма, не обладают поглощающей способностью, так как силы притяжения между такими молекулами взаимно уравновешиваются.

Различают два вида адсорбции

При физической адсорбции молекулы поглощаемого вещества удерживаются на поверхности абсорбента, не вступая с ним в химическую реакцию.

Связь молекул адсорбата (поглощаемого вещества) с адсорбентом не очень прочная. Процесс этот чаще всего эндотермический.

При хемосорбции молекулы адсорбата химически взаимодействуют с адсорбентом, связь между ними значительно прочнее, чем в первом случае.

Различные вещества по отношению к данному адсорбенту обладают различной способностью адсорбироваться (различной энергией адсорбции), поэтому при вводе в слой адсорбента смеси веществ преимущественно адсорбируются компоненты смеси, обладающие наибольшей адсорбируемостью. Это свойство называется избирательностью и является основой адсорбционного разделения.

Процесс адсорбции прекращается, когда активная поверхность адсорбента будет заполнена слоем молекул адсорбата.

Если в слой адсорбента ввести сравнительно небольшое количество разделяемой смеси, то в этом случае адсорбируются все компоненты. Это происходит до тех пор, пока вся поверхность адсорбента не будет заполнена. Если продолжать подачу исходной смеси, то молекулы с более высокой адсорбируемостью будут вытеснять частично с поверхности адсорбента молекулы вещества с меньшей адсорбируемостью и установится равновесие между адсорбированной и не адсорбированной средами.

Так, в случае адсорбции газовых компонентов в момент наступления равновесия количество адсорбированного газа определяется следующим выражением

; (7.1)

Величина α = M/L_a, показывающая количество поглощаемого компонента на единицу количества адсорбента (в условиях равновесия), называется активностью адсорбента по отношению к данному компоненту.

Активность можно измерять в разных единицах (% масс на адсорбент, в граммах на кг адсорбента и т. д.)

Если исходная смесь проходит через определённый слой адсорбента, то процесс также протекает послойно в направлении движения исходной разделяемой смеси. Адсорбционное разделение в данном слое адсорбента будет завершено, когда в потоке, выходящем из этого слоя, появится компонент, подлежащий извлечению из исходной смеси, т.е. когда поверхность адсорбента в соответствии с состоянием равновесия заполнится извлекаемым компонентом и наблюдается «проскок» этого компонента с уходящим потоком.

Количество вещества, адсорбируемого поверхностью, определяется состоянием равновесия и зависит от природы адсорбента и адсорбируемого вещества, концентрации вещества в исходной смеси, температуры процесса и, если адсорбция происходит в газовой фазе, то от давления.

По мере прохождения через слой адсорбента концентрация адсорбируемого вещества уменьшается, поэтому и количество адсорбируемого вещества по высоте слоя также изменяется. Максимальное значение соответствует состоянию равновесия с потоком, отходящим от слоя адсорбента. Изменение количества адсорбируемого вещества происходит на небольшой высоте слоя адсорбента. Если для процесса взят достаточно большой слой адсорбента, то большая часть его окажется полностью отработанной, т.е. насыщенной до состояния равновесия с исходной смесью.

Адсорбируемость компонентов зависит от их природы, от структуры и природы адсорбента. Адсорбируемость углеводородов обычно возрастает с увеличением их молекулярной массы. Однако в большей степени она зависит от структуры их молекул (для ароматических углеводородов адсорбируемость возрастает с увеличением числа циклов).

Сернистые соединения имеют такую же и даже более высокую адсорбируемость, чем парафиновые и нафтеновые углеводороды, поэтому их адсорбцией не разделяют. Кислородные, смолистые и азотистые органические соединения имеют повышенную адсорбируемость по сравнению с компонентами углеводородной смеси, поэтому разделение их легко осуществить.

Адсорбируемость высокомолекулярных непредельных углеводородов изучена мало.

Изотерма адсорбции

Адсорбционное равновесие характеризуется определённой зависимостью между концентрацией или парциальным давлением вещества в растворе и на поверхности адсорбента. Количественно адсорбцию принято характеризовать изотермой адсорбции, которая связывает при данной температуре количество адсорбированного единицей массы адсорбента вещества (в массовых, мольных или объёмных долях) с составом или парциальным давлением (для газовой среды) разделяемой смеси.

Строятся изотермы на основе экспериментальных данных. Количество адсорбированного вещества возрастает с увеличением его концентрации (или парциального давления) и с понижением температуры адсорбции (сам процесс сопровождается выделением тепла). Наибольшее распространение имеют следующие уравнения адсорбции

; (7.2)

; (7.3)

где а – количество адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента (его активность);

Одним из важных показателей, характеризующих процесс адсорбции, является скорость адсорбции (от её значения зависят размеры аппарата).

В общем случае скорость адсорбции слагается из следующих скоростей

— скорости подвода вещества к внешней поверхности зёрен адсорбента (внешняя диффузия);

— скорости перемещения вещества внутри зёрен адсорбента по его порам (внутренняя диффузия);

— скорость собственно адсорбции, которая протекает мгновенно и поэтому не лимитирует скорость процесса в целом.

Скорость процесса адсорбции может лимитироваться только скоростью внешней диффузии, только скоростью внутренней диффузии или зависеть одновременно от обеих стадий.

В зависимости от стадии, лимитирующей адсорбцию, скорость подразделяется на внешнедиффузионную, внутреннедиффузионную, смешанную. Внешнедиффузионная скорость зависит от гидродинамического режима (скорости потока), температуры, диаметра зёрен адсорбента, коэффициента диффузии в среде между зёрнами, вязкости и плотности среды. Внутреннедиффузионная скорость процесса определяется сложным явлением внутренней диффузии как в объёме пор, так и на их поверхности. Перемещение молекул в объёме пор зависит от диаметра пор, размера гранулы, размеров адсорбированных молекул, температуры и других факторов.

Наряду с перемещением молекул в объёме пор происходит перемещение их по поверхности адсорбента от одного активного центра к другому (фольмеровская или поверхностная диффузия). (При низкой температуре молекулы вещества адсорбируются на наиболее активных центрах, совершая при этом колебания. С увеличением температуры амплитуда колебаний увеличивается и молекула перескакивает на соседние не занятые центры. Для этого требуется определённая энергия активации, скорость растёт с увеличением температуры.

В общем случае твёрдое вещество имеет поры различной величины и формы, поэтому перенос вещества внутри гранул адсорбента (в объёме пор и на поверхности) может происходить различными путями. Так как явления внешней и внутренней диффузии чрезвычайно сложны, то описать их математически трудно. Часто скорость адсорбции описывается уравнением:

, (7.4)

На рисунке 7.2 представлены кинетические кривые адсорбции бензола из раствора в н-гептане мелкопористым силикагелем. Концентрация бензола составляет 120 кмоль/л раствора. Из рисунка видно, что скорость адсорбции сильно возрастает с повышением температуры от 20 до 40 С. Из кривых следует, что данная система приближается к равновесию примерно на 95% за 20 минут при 40 0 С; за 35 минут при температуре 30 0 C и за 120 минут при температуре 20 0 С.

Десорбция адсорбентов

Если в газовом потоке или в растворе, проходящем через слой адсорбента, концентрация (парциальное давление) адсорбируемого компонента ниже равновесной, то данные компоненты десорбируются с поверхности и переходят в газовый поток или раствор до тех пор, пока не установиться новое состояние равновесия.

Рисунок 7.2 – Кинетические кривые адсорбции

На промышленных установках, предназначенных для разделения смесей, вслед за стадией адсорбции протекает десорбция поглощаемых компонентов с поверхности адсорбента; при этом происходит восстановление его адсорбционных свойств.

Процесс десорбции (регенерация адсорбента) может быть осуществлён следующими основными способами.

1) Поглощённые компоненты с поверхности адсорбента вытесняются другим веществом, обладающим более высокой адсорбируемостью, затем это вещество отделяют от адсорбента. Так, при адсорбции углеводородных газов в качестве десорбирующего агента можно использовать водяной пар, который вытесняет углеводороды и занимает их место, т.к. обладает большей адсорбируемостью. При этом происходит конденсация водяного пара. Когда десорбция углеводородов закончена, для полного восстановления первоначальной активности адсорбент нужно высушить и охладить до температуры адсорбции. Десорбция в этом случае сопровождается разогревом адсорбента за счёт тепла конденсации водяного пара, что облегчает десорбцию. При адсорбции жидких углеводородных смесей в качестве десорбирующего агента можно использовать органические жидкости, обладающие более высокой адсорбционной способностью, чем поглощаемые компоненты, например, низкомолекулярные ароматические углеводороды (бензол, ксилол) или их смеси с полярными растворителями (спирты, кетоны).

2) Адсорбированные компоненты могут вытесняться веществом с меньшей адсорбируемостью (неполярные растворители), когда процесс десорбции происходит за счёт нарушения состояния равновесия между адсорбированной фазой и протекающим через слой адсорбента раствором из-за меньшей концентрации данных компонентов в растворе, чем это нужно по условию равновесия с адсорбированной средой. Так, при адсорбции нефтепродуктов десорбирующим агентом может быть бензиновая фракция, отличающаяся по температурным пределам кипения от пределов кипения исходной смеси, что позволяет затем отделить эту бензиновую фракцию обычной перегонкой.

3) Испарение адсорбированных компонентов при нагреве адсорбента или понижении общего или парциального давления в системе. Такой метод применяют при разделении смесей сравнительно летучих компонентов.

4) Окислительная регенерация, когда адсорбированное вещество выжигают с поверхности адсорбента. Этот метод применяют, когда адсорбированные вещества отличаются весьма высокой адсорбируемостью и удалить их с поверхности адсорбента ранее рассмотренными методами трудно. К окислительной регенерации прибегают, если выжигаемые компоненты не являются целевыми и их потеря в виде продуктов сгорания допустима (при удалении с поверхности адсорбента смолистых веществ).

Процесс регенерации адсорбента можно осуществить комбинированным методом (из рассмотренных выше). Метод десорбции выбирают в зависимости от конкретных условий, свойств разделяемой смеси, масштаба производства и экономики процесса.

Дессорбция облегчается с повышением температуры (равновесие смещается) и расхода десорбирующего агента. Десорбция газообразных и легколетучих компонентов облегчается с повышением давления в системе.

Например, при разделении смесей газообразных углеводородов на активированном угле расход водяного пара на десорбцию составляет около 2,5 кг на 1 кг десорбируемого вещества. Этот пар при десорбции не конденсируется.

Кроме того, водяной пар расходуется на нагрев адсорбента, изоляции адсорбера и других элементов системы, а также на компенсацию теплоты, смачивание угля водой. Этот пар конденсируется и 80…90% образующегося конденсата остаётся в угле. При использовании неполярных растворителей температура десорбции лежит в диапазоне от 80 до 150 е С, а расход растворителя составляет 100…400% от массы адсорбента.

При работе с полярными растворителями десорбция протекает при температурах 40…80 0 С, а расход растворителя 50…200%.

Время, необходимое для процесса десорбции, значительно меньше, чем время адсорбции из-за более высокой температуры и меньшей вязкости среды.

При десорбции адсорбционная способность адсорбента может восстанавливаться полностью или частично в зависимости от адсорбируемости десорбирующих веществ, выбранного места десорбции, режима процесса (температуры, расхода десорбирующего агента и т.д.). В ряде случаев оп­равданно частичное (неполное) восстановление адсорбционной способности адсорбента, т.к. при этом сокращаются эксплуатационные затраты.

Наибольшее снижение адсорбционной способности часто наблюдается после первой регенерации, в дальнейшем она снижается значительно меньше. Это объясняется тем, что с части поверхности адсорбента адсорбированные компоненты не удаляются и эта часть поверхности в дальнейшем процессе не участвует.

При использовании в качестве десорбирующего агента полярных раство­рителей обычно более полно восстанавливается адсорбционная способность адсорбента.

Многократно повторяющаяся окислительная регенерация приводит к полному восстановлению свойств адсорбента.

Температурный режим окислительной регенерации: 300…350 0 C для силикагелей и 600…650 0 С для алюмосиликатов катализатора крекинга. Перегрев адсорбента недопустим, так как он приводит к снижению адсорбционной способности.

Источник