Адсорбционная очистка газов

Метод основан на способности некоторых твердых тел избирательно поглощать газообразные компоненты из газовых смесей. Присутствующие в газовой смеси молекулы загрязненного газа или пара собираются на поверхности или в порах твердого материала. Поглощаемое из газовой фазы вещество - называется адсорбтивом, а твердое вещество, на поверхности или порах которого происходит адсорбция поглощаемого вещества - адсорбентом . Газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент - газ - носитель, а после того, как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.

Применяют в этом случае:

1) когда другие методы оказываются неэффективны;

2) концентрация загрязняющих веществ очень мала и требуется гарантированная рекуперация извлекаемой примеси из-за ее значительной стоимости или опасности. Методом адсорбции из отходящих газов удаляют SO 2 ,углеводороды, хлор, сероводород, сероуглерод, и другие.

Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз. Переход молекул загрязняющих веществ из газа - носителя на поверхностный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения адсорбента больше сил притяжения действующих на адсорбтив со стороны молекул газа - носителя. Молекулы адсорбированного вещества, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его энергию, в результате чего происходит выделение теплоты, примерно 60 кДж/моль (небольшая). Силы притяжения имеют разную - физическую или химическую и, следовательно, различают:

Физическую адсорбцию - при которой взаимодействия молекул загрязняющих веществ с поверхностью адсорбента определяется слабыми дисперсными, индукционными силами (силы Ван - дер - Вальса). При этом адсорбированные молекулы не вступают в химическое взаимодействие с молекулами адсорбента и сохраняют свою индивидуальность.

Для физической адсорбции характерна высокая скорость процесса, малая прочность связи и малая теплота. С повышением температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается, а увеличение давления к возрастанию величины адсорбции. Преимущество - легкая обратимость процесса путем:

а) уменьшения давления

б) увеличения температуры. Адсорбированные молекулы легко десорбируются без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может использоваться многократно. Процесс можно вести циклично, чередуя стадию поглощения и выделения извлекаемого компонента.

Химическая адсорбция - в основе лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, а высвобождающееся тепло совпадает с теплом химической реакции и составляет 20 - 400 кДж/моль.

Главные отличия:

)молекулы адсорбтива, легко вступив в химическое взаимодействие, прочно удерживаются на поверхности и в порах адсорбента;

)скорость реакции, при низких температурах мала, но возрастает с ростом температуры.

Оба вида адсорбции сопутствуют друг другу, однако, наибольшее значение для очистки газов имеет физическая адсорбция.

Промышленные адсорбенты

Любое твердое тело обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом.

В технике используют адсорбенты с сильно развитой внутренней поверхностью, полученной в результате (спекания), синтеза и специальной обработки.

Адсорбенты должны обладать:

− большой динамической емкостью (временем защитного действия);

− большой удельной поверхностью;

− избирательностью;

− термической и механической устойчивостью;

− способностью к регенерации;

− простотой изготовления;

− дешевизной;

Это - активные угли, селикагели, цеолиты, глинистые минералы, пористые стекла и другие.

Адсорбционная емкость адсорбентов (активность)

По ней определяют размеры аппаратов и эффективность очистки газов.

Различают статическую и динамическую емкость адсорбента. Размерность [грамм поглощенного вещества/на 100г. адсорбента или моль/г.]

Статическая емкость показывает, какое количество вещества способен адсорбировать способен адсорбировать адсорбент в условиях равновесия.

Динамическая емкость соответствует поглощенного вещества слоем адсорбента от начала процесса до начала «проскока» адсорбтива, т.е. когда в выходящем из слоя адсорбента газе - носителе появляются следы адсорбтива.

Адсорбционная емкость зависит: от природы вещества она возрастает с увеличением поверхности, пористости, снижения размеров пор. Она возрастает: с повышением концентрации загрязняющих веществ газе - носителе; давления в системе. С увеличением температуры и влажности адсорбционная емкость уменьшается, поэтому перед использованием их высушивают. Хороший адсорбент не теряет активности при выполнении сотен и тысяч циклов.

Адсорбционная очистка газов наиболее эффективна при обработке больших объемов газов с малым содержанием примесей, например, для тонкой очистки технологических газов от сернистых соединений и диоксида углерода, а также при удалении паров ядовитых веществ и канцерогенов. Наиболее целесообразно применение при необходимости уменьшения содержания примесей до нескольких миллионных долей и даже ниже, например, загрязняющие вещества с сильным запахом можно обнаружить при содержании их в воздухе порядка 100 млрд -1 , поэтому требуется понижать концентрацию еще ниже.

Эффективность адсорбционных систем определяется, главным образом, свойствами адсорбента, который должен:

−иметь высокую адсорбционную способность;

−обладать высокой селективностью;

−иметь высокую механическую прочность;

−хорошо регенерироваться;

−иметь низкую стоимость.

Адсорбенты подразделяют на три группы:

) неполярные твердые вещества, на поверхности которых происходит физическая адсорбция.

) полярные - происходит химическая адсорбция без изменения структуры молекул газа и поверхности адсорбента.

) вещества, на поверхности которых протекает чисто химическая адсорбция и которые десорбируют молекулы газа после химической реакции, при этом требуется их замещение.

Самый распространенный неполярный адсорбент - активированный уголь, состоящий из нейтральных атомов одного вида и имеющий поверхность с равномерным распределением зарядов на молекулярном уровне.

Выпускают:

) для отечественных вентиляций АГ, КАУ, СКТ. Размер гранул 1 - 6 мм, ρ н =380 - 600 кг/м 3 .

рекуперационные угли АР, АРТ, СКТ - 3.

) молекулярно - ситовые угли МSС.

Количество газа адсорбированного 1 г. адсорбента в равновесном состоянии зависит от природы адсорбента и адсорбата, а также от температуры и давления. Зависимость массы (m) адсорбированных загрязняющих веществ на адсорбате (активированный уголь) при t=const.

Изотерма адсорбции показывает, что поскольку адсорбция - процесс экзотермический, то количество вещества, адсорбированного в состоянии равновесия, уменьшается с повышением температуры.

Регенерация адсорбента включает в себя:

десорбция, сушка, охлаждение

а) термическая (160 ÷ 170°)

б) при высоких температурах (300 - 400°)

в) вытеснительная (холодная)

Расчет адсорберов

Основные определяемые величины: диаметр аппарата и высота слова слоя сорбента при заданном времени процесса.

)допустимая фиктивная скорость газа (скорость в свободном сечении)

ω 0 = (0,016 · r · ρ нас · d э · g / ρ г) 0,5

d э - эквивалентный диаметр гранул, м,

ρ г - плотность газа, кг/м 3 ,

ω 0 ≤ 0,3 м/с.

Пористая структура адсорбентов

Пористая структура оказывает значительное влияние на адсорбционные свойства сорбента.

Поверхность сорбента включает в себя:

внешнюю поверхность, зависящую от количества макропор и составляет 0,5 ÷ 2,0 м 2 /ч, т.е. 2,0 ÷ 0,5 % от общей поверхности;

внутреннюю поверхность, образующуюся за счет стенок микропор. Она может быть равна 500 ÷ 1000 м 2 /ч.

Поверхность пористого тела:

N A - число Авагадро,

a м - величина адсорбции, соответствующая покрытию поверхности сплошным монослоем адсорбированных молекул,

S м - площадка, занимаемая одной адсорбированной молекулой,

S м = 1,53 · V 2/3 , V - мольный объем адсорбированного вещества.

S м N2 = 1,62 м 2 .

Суммарную пористость твердого тела можно определить по его плотности.

Различают истинную (ρ ист), кажущуюся (ρ каж) и насыпную (ρ нас) плотность пористых тел.

Истинная - масса единицы объема плотноупакованного тела (не содержащего пор).

Кажущаяся - масса единицы объема пористого тела, включающая объемы пор, но без учета объема пустот между зернами.

Насыпная - масса единицы объема пористого тела, включающая объем плотного вещества, объем пор и объем пустот между зернами.

Суммарный объем пор:

V ∑ = 1∕ρ каж = - 1∕ρ ист, г∕см 3 .

Активный уголь ρ ист, = 1750 ÷ 2100 ρ каж = 500 ÷ 1000 ρ нас = 200 ÷ 600

Мягко зернистый селикогель ρ ист = 2100 ÷ 2300 ρ каж = 1300 ÷ 1400 ρ нас = 800÷ 850

Крупно зернистый селикогель ρ ист = 2100 ÷ 2300 ρ каж = 750 ÷ 850 ρ нас = 500 ÷ 600

Цеолиты ρ ист = 2100÷ 2300 ρ каж = 1200 ÷ 1400 ρ нас = 600 ÷ 800

Характеристика адсорбента

Активные угли - сорбенты органического происхождения (из угля, торфа, древесных материалов, отходов бумажного производства, кости животных, скорлупа орехов, косточки плодов и т.д.).

Вначале исходный материал подвергают термической обработке при t = 600 ÷ 900°С, из углей улетучивается влага и смолы, а затем для придания пористости его активируют - обрабатывают паром, газами или химическими реагентами (СО, СО 2 , NH 3 , водяной пар) при t = 800 ÷ 900°С. Измеряя температуру, скорость подачи активатора и время активации, получают с разными адсорбционно - структурными свойствами марки активных углей: БАУ, ДАК, АР - А, АР - Б, КАД, СКТ - 1,2.3,4. Основная характеристика - ρ нас, и фракционный состав. Выпускают в виде гранул, диаметром 2 ÷ 5 мм, Н › диаметра. Иногда их дробят на более мелкие фракции 0,15 ÷ 2,5 мм, применяют для газоочистки со стационарным движением и слоем адсорбента.

Порошкообразные угли d фр < 0,15 мм - для очистки веществ в жидкой фазе. БАУ - Березовский активный уголь, АГ - гранулированный активный уголь, АР - активный уголь рекуперационный. КАУ - косточковый, СКТ - уголь сернистокалиевой активации.

Для очистки газовых выбросов (вентиляционных) применяют марки АГ, КАУ. СКТ, а также угли из полимерных материалов и молекулярно - ситовые угли (MSC) - обладают высокой адсорбционной активностью в области малых концентраций загрязняющих веществ, отличающихся повышенной прочностью, так САУ - (изготавливают из полимера урана).

Отрицательные свойства -горючесть, окисляются при t = 250°С, чтобы уменьшить пожароопасность, к углю добавляют селикагели.

Селикагели - гидратированный аморфный, получаемый путем взаимодействия жидкого стекла и серной кислоты. Это минеральный адсорбент, продукт реакции (SiO 2 · n H 2 O) d фр = 0,2 ÷ 7 мм в виде зерен,

ρ нас = 0,2 ÷ 7г∕см 3 .

Дешевый сорбент, имеет высокую механическую прочность к истиранию, низкую температуру регенерации (110-120°С), применяют для осушки газов и улавливания органических загрязняющих веществ.

Селикагель, полученный в кислой среде и промытый подкисленной водой - обладает мелкими порами. В щелочной среде - крупнопористые.

В зависимости от формы зерна:

− кусковый селикагель (зерна неправильной формы);

− гранулированный (зерна сферической или овальной формы).

― для процессов с кипящим слоем - 0,1 ÷ 0,25 мм

― с движущимся слоем - 0,5 ÷ 2,0мм

― со стационарным слоем - 2,0 ÷ 7,0мм

Недостаток - разрушение зерен под воздействием капельной влаги

Алюмогели - Al 2 O · n · H 2 O - активные оксиды алюминия, как и селикагели являются гидрофильными адсорбентами, они обладают развитой структурой, большой поверхностью и приемлемы для осушки газов, улавливания углеводородов и фтора. Они более стойки к действию воды. Они способны поглощать от 4 до 10 % водяных паров от собственной массы.

Цеолиты (с греч. кипящие камни). Все выше рассмотренные адсорбенты имеют нерегулярную структуру, поэтому в их поры могут проникать и удерживаться самые различные по размерам молекулы, т.е. они не обладают избирательной адсорбцией - это их недостаток.

Избирательно адсорбировать одинаковые по размеру молекулы могут адсорбенты со строго регулярной пористой структурой - это природные минералы сидерит, фожазит, эрионит, глабазит, морденит и др. Путем термической обработки их превращают адсорбент, обладающий высокой пористостью, большой поверхностью и одинаковыми размерами пор. Природных цеолитов в природе мало, они загрязнены примесями, поэтому для промышленного применения синтезированы примерно 100 наименований цеолитов.

Наиболее применимы цеолиты марок КА, NaA, СаА, NаХ, СаХ. Первая буква соответствует катиону, компенсирующему заряд решетки (К + , Nа + , Са +), вторая - тип кристаллической решетки.

Цеолиты - уникальные адсорбенты, извлекающие аммиак, SO 2 , ацетилен, H 2 S, CO 2 и т.д.

Регенерация адсорбентов

Регенерация заключается в удалении из его пор адсорбированного вещества. Эффективность процесса очистки зависит от качества и скорости выделения адсорбированного вещества из адсорбента.

Методы адсорбции:

― термическая (повышение температуры слоя адсорбента до 110 - 130 °С - при обычных и 300 - 400 - повышенных температурах);

― вытеснительная десорбция (при 30 - 80°С);

― в настоящее время более распространена десорбция с полем острого водяного пара.

Конструкции адсорбционных установок

) Адсорбенты периодического действия с неподвижным (стационарным) слоем поглотителя.

Подача газа сверху - вниз (можно наоборот). При необходимо адсорбент располагают на полках слоями, с кольцевым слоем адсорбента.

Для осуществления непрерывного процесса устанавливают не менее двух аппаратов.

) Первая стадия - адсорбция

) Десорбция - подачу газа прекращают и подают пар. В результате нагрева адсорбента происходит десорбция поглощенных компонентов, которые вместе с паром удаляются из аппарата для разделения

) Сушка адсорбента - прекращают подачу пара и подают горячий воздух

) Охлаждение - подают холодный воздух.

адсорбент газ очистка

Расчет адсорбционных установок

Заключается в определении конструктивных размеров (диаметр, высоту), объема адсорбента, времени защитного действия гидравлического сопротивления и некоторых других величин.

Где V Г - объемный расход пороговой смеси м 3 ∕с,

Скорость, отнесенная к свободному сечению аппарата, м ∕с.

Для аппаратов с неподвижным слоем = 0,25 ÷ 0,3 м ∕с.

)Объем адсорбента для разовой загрузки в аппарат

n у - число единиц переноса;

ß у - объемный коэффициент масоопереноса, кг ∕м 3 ·с.

или

у н, у к - начальная и конечная концентрация адсорбтива в парогазовой смеси,

х, у - текущие концентрации адсорбата в твердой и адсорбтива в парогазовой фазе, кг ∕м 3 ,

х х, у х - равновесные концентрации адсорбата, кг∕м 3 .

Уравнение можно решить методом графического интегрирования. Задавшись рядом значений «у» строим график в координатах 1∕(у - у *) ― у, а затем, измерив площадь криволинейной трапеции находим величину искомого интеграла с учетом масштабов: М 1 = l 1 ∕h 1 и М 2 = l 2 ∕h 2 ,

l 1 - значение ординаты 1∕(у - у *),

h 1 - значение этой же ординаты в мм,

l 2 - значение абсциссы на графике у,

h 2 - значение этой же абсциссы в мм.

Для построения графика, используемого для получения числа единиц переноса, необходимо определить значение у х (х х). Для этого требуется построить изотермы адсорбции (линия 2) и рабочей линии процесса (линия 1). Изотерма адсорбции (кривая равновесия0 при t = const служит основной характеристикой процесса а 0 = f(p),

а 0 - статическая активность,

р - парциальное давление.

Между концентрацией адсорбируемого вещества в газовой фазе и его существует уравнение Клапейрона:

Кг∕м 3 .

Изотерму адсорбции строят на основании экспериментальных (либо справочных) данных. Для построения рабочей линии необходимо знать координаты минимум двух точек, отвечающих рабочим условиям процесса.

Например, если заданы у н, у к и х н (начальные концентрации извлекаемого компонента в твердой фазе), то конечную концентрацию адсорбента в твердой фазе х к определяем из уравнения:

Объем адсорбента, насыщаемый адсорбтивом в единицу времени (величина работающего слоя).

,м 3∕ с,

Значение х* (равновесная концентрация адсорбата в твердой фазе), соответствующее заданному значению «у», определяют по изотерме адсорбции. Зная координаты (·)А (х н;у к) и (∙)Б (х к; у н) наносим их на график и соединяем прямой линией.

Для определения х * , у * задаемся значениями «у» в интервале у н - у к. Если перпендикуляр из начальной (∙)у н продолжить до пересечения с равновесной линией 2 до (∙)Г и спроектировать ее на ось х, то получим равновесное соединение адсорбата в твердой фазе х * при заданном значении у н. Если изотерма адсорбции неизвестна, то ее можно построить по изотерме адсорбции стандартного вещества. Значение величин адсорбции пересчитывают по формуле:

,

Ордината изотермы стандартного вещества(обычно бензола),кг/кг,

Ордината определяемой изотермы, кг/кг,

V 1 , V 2 - мольные объемы стандартного и исследуемого вещества в жидком состоянии,

М - мольная масса вещества, кг/моль,

Коэффициент аффиктивности,

Плотность вещества в жидком состоянии, кг/м 3 .

В качестве адсорбента выбираем активный уголь марки АР - А, d э = 1,3 ∙ 10 -3 м.

Принимаем = 0,28м/с, тогда ,

.

Для построения изотермы адсорбции используем монограмму для определения давления насыщенного пара некоторых веществ, по которой определяем парциальное давление веществ по формуле:

(1)

где Р 1 ,Р 2 - парциальное давление стандартного и исследуемого вещества, мм рт ст (Па),

Р S ,1 - давление насыщенного пара стандартного вещества при абсолютной температуре (мм рт ст),

Р S ,2 - давление насыщенного пара исследуемого вещества.

При расчете точек изотермы исследуемого вещества координаты и берутся по кривой стандартного вещества, значения Р S ,1 , Р S ,2 - из таблиц давления насыщенного пара. Р 2 - вычисляют по формуле (1).

Выразив парциальное давление через соответствующие концентрации, получим:

(2)

Коэффициент аффиктивности для диэтилового эфира (таблица 36, Кузнецов) .

)по таблице 25(равновесные данные по адсорбции паров бензола и их смеси с воздухом на активных углях , ,

)по данным диаграммы (стр. 115) определяем координаты точек изотермы адсорбции диэтилового эфира, Р S ,1 - для бензола - 75 мм рт ст (9997,5 Па), Р S ,2 - для диэтилового эфира - 442 мм рт ст (58918,6 Па).

)Объемный коэффициент массопередачи:

Объемный коэффициент массопередачи в газовой и твердой фазе соответственно,с -1 ,

m - коэффициент распределения (средний наклона линии равновесия).

Поскольку - обычно очень мал, то величиной пренебрегаем.

На основании этого и зависит от гидродинамической обстановки в аппарате, физических свойств потока.

Для ориентированных расчетов К у используют критериальные уравнения:

При Re > 30

При Re = 2 - 30

При Re < 2

где - диффузионный критерий Нуссельта.

D э - эквивалентный диаметр зерен адсорбента, м

,

Скорость газового потока,м/с

Порозность неподвижного слоя адсорбента,

Плотность, кг/м 3

Динамическая вязкость, Па·с

- диффузионный критерий Прандтля.

)Высота неподвижного слоя адсорбента в аппарате

,

h - высота единицы переноса,

где G г −массовый расход газа, кг∕с

S сл - сечение слоя, м 2

Уравнения баланса поглощенного вещества;

Уравнения кинетики адсорбции;

Уравнение изотермы адсорбцию.

: (по бензолу),

:

Изотерма адсорбции для решения уравнений делится на три области:

область - линейная зависимость между концентрацией газа и количеством поглощенного вещества и условно принимается, что изотерма адсорбции подчиняется закону Генри.

Тогда продолжительность адсорбции:

;

где у н - начальная концентрация адсорбированного вещества, кг∕м 3

х* - равновесное количество адсорбированного вещества, кг∕кг (принимается по изотерме адсорбции и умножается на насыпную плотность адсорбента).

область - криволинейная

где - содержание вещества в газовом потоке, равновесное с количеством, равным половине вещества, максимально поглощаемого адсорбентом при данной температуре, кг/м 3 .

область- количество вещества, поглощаемого адсорбентом, достигает предела и остается постоянной

) Высоту зоны массопередачи (высота рабочего слоя)

,

время до равновесного насыщения, сек

время защитного действия при минимальной проскоковой концентрации,

неиспользованная адсорбционная емкость,

)Перепад давления в слое (формула применима, если порозность слоя Е=0,4)

∆Р - перепад давления в слое, кг/м 3

g - 9,81 м/с 2

d э - эквивалентный диаметр зерен, м

G - массовая скорость газа, кг/(м 2 ∙с)

1) - при <0,25м/с, ламинарный режим

) - переходная область

)- в слое цеолитов

- для шаров, - для цилиндров

Подставив полученные значения в уравнение

Выразим парциальные давления через объемные концентрации по уравнению

0,005125т.к. Re>30,то 80,23

Адсорбцией называют процесс избирательного поглощения компо­нента газа, пара или раствора пористой поверхностью твердого тела (ад­сорбента). Адсорбцию применяют для очистки газов с невысоким содер­жанием газообразных или парообразных загрязнений до получения их очень низких объемных концентраций. Адсорбцию применяют для улав­ливания из газов, вентиляционных выбросов сернистых соединений, угле­водородов, хлора, окислов азота, паров органических растворителей и др.

Процессы адсорбции являются избирательными и обратимыми. Ка­ждый поглотитель обладает способностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощать другие. Поглощенное вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции.

В отличие от абсорбционных методов адсорбция позволяет прово­дить очистку газов при повышенных температурах.

Целевой поглощаемый компонент, находящийся в очищаемом газе, называют адсорбтивом, этот же компонент в адсорбированном состоянии, т. е. поглощенное вещество в адсорбенте - адсорбатом.

По характеру взаимодействия адсорбата с поверхностью различают физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция обусловливается силами межмолекулярного взаимодействия (дисперсионный, ориентационный и индукционный эф­фекты). Межмолекулярные силы слабы, поэтому при физической адсорб­ции происходит лишь небольшая деформация адсорбированных частиц. Этот вид адсорбции - чисто физический процесс с энергией активации по­рядка 4.12 кДж/моль. При физической адсорбции поглощаемые молеку­лы газов и паров удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбции - химическими силами. При физической адсорбции взаимодействие моле­кул с поверхностью адсорбента определяется сравнительно слабыми сила­ми (дисперсными, индукционными, ориентационными). Для физической адсорбции характерна высокая скорость, малая прочность связи между по­верхностью адсорбента и адсорбтивом, малая теплота адсорбции (до 60 кДж/моль).

Химическая адсорбиия (хемосорбция) осуществляется за счет нена­сыщенных валентных сил поверхностного слоя. При этом могут образовы­ваться поверхностные химические соединения, свойства и строение кото­рых еще мало изучены. Известно только, что они отличны от свойств объ­емных соединений. При образовании поверхностных соединений необхо­димо преодолеть энергетический барьер, который обычно составляет 40.100 кДж/моль. Поскольку хемосорбция требует значительной энергии активации, ее иногда называют активированной адсорбцией. При физиче­ской адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью адсорбента опре­деляется сравнительно слабыми силами (дисперсными, индукционными, ориентационными). Для физической адсорбции характерна высокая ско­рость, малая прочность связи между поверхностью адсорбента и адсорбти­вом, малая теплота адсорбции (до 60 кДж/моль). В основе химической ад­сорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсор­бируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а высвобождающееся тепло совпадает с теплом химической реакции (она колеблется в пределах 20.400 кДж/моль).

Величины физической и химической адсорбции с ростом температу­ры уменьшаются, однако при определенной температуре физическая ад­сорбция может скачкообразно перейти в активированную.

При адсорбции возможны очень большие скорости поглощения и полное извлечение компонентов, выделение которых путем абсорбции бы­ло бы невозможно из-за их малой концентрации в смеси.

Адсорбция продолжает оставаться основным способом очистки тех­нологических газовых выбросов. В принципе, адсорбция может быть при­менена для извлечения любых загрязнителей из газового потока. На прак­тике область ее применения ограничена рядом эксплуатационных, техни­ческих и экономических условий. Так, по требованиям пожаро - и взрыво - безопасности нельзя подвергать адсорбционной обработке газы с содержа­нием взрывоопасных компонентов более 2/3 от нижнего концентрационно­го предела воспламенения.

Оптимальные концентрации загрязнителей в газах, подаваемых на очистку, находятся в пределах 0,02...0,5% об. (в пересчете на соединения с молекулярной массой ~ 100). Современные технические возможности не позволяют снижать концентрации загрязнителей посредством адсорбции до санитарных норм. Ориентировочно минимальные конечные концентра­ции загрязнителей, соответствующие приемлемым характеристикам ад­сорбционных аппаратов, на практике составляют 0,002...0,004% об. Поэто­му адсорбционная очистка газов с начальным содержанием загрязнителя менее 0,02% уместна, если это дорогостоящий продукт или вещество вы­сокого класса опасности.

Обработка отбросных газов с высокой (более 0,2...0,4% об. в пере­счете на соединения с молекулярной массой порядка 100...50) начальной концентрацией загрязнителя требует значительного количества адсорбента и, соответственно, больших габаритов адсорбера. Громоздкость аппаратов вызывается и малыми (до 0,5 м/с) значениями скорости потока через слой адсорбента, поскольку при более высоких скоростях резко возрастает ис­тирание и унос адсорбента. Так, потери адсорбента за счет уноса могут до­ходить при скоростях потока 1...1,5 м/с до 5% в сутки.

Однако возможности процесса адсорбции еще далеко не исчерпаны. В ряде случаев он может быть использован для создания очистных систем нового поколения, удовлетворяющих не только санитарным нормам, но и экономическим требованиям. К примеру, адсорбцию можно применить в двухступенчатой схеме очистки для предварительного концентрирования сильно разбавленных органических загрязнителей, поступающих затем на термообезвреживание. Таким образом концентрации загрязнителей в вен­тиляционных выбросах можно повысить в десятки раз.

Адсорбция может протекать в неподвижном слое, перемещающемся (движущемся) слое, кипящем (псевдоожиженном) слое адсорбента.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая разработка является изложением материала специального курса лекций, который автор в течение ряда лет читает студентам, дипломникам и аспирантам, специализирующимся в области адсорбции. Автор надеется, что это учебно-методическое пособие восполнит пробел, который имеется в научной и учебной литературе по рассматриваемой теме, и поможет начинающим исследователям познакомится с основными проблемами и достижениями науки об адсорбции – этом сложнейшем разделе термодинамики.

В предлагаемом варианте разработки не рассмотрены такие важные разделы, как адсорбция на мезопористых адсорбентах, сопровождающаяся процессами капиллярной конденсации, применение аппарата молекулярностатистической термодинамики, сложных решеточных моделей, квантовохимических и численных методов для анализа адсорбционных явлений. Автор надеется осуществить необходимые дополнения в 2008-2009г.г. и будет признателен за все замечания и предложения по улучшению данного

Лекции 1. Метод избытков Гиббса. Лекция 2. Метод полного содержания.

Лекции 3. Термодинамика адсорбции. Стехиометрическая теория адсорбции.

Лекция 4. Термодинамика адсорбции бинарных смесей флюидов и термодинамика адсорбированных растворов.

Лекция 5: Описание адсорбционных равновесий газов, паров и растворов на макро и микропористых адсорбентах.

Лекция 1. Метод избытков Гиббса.

Введение.

Адсорбция – это сгущение вещества у границы раздела фаз, обусловленное ненасыщенностью связей поверхностных атомов или молекул и, как следствие этого, существованием адсорбционного поля, распространяющегося, строго говоря, до бесконечно удаленных от поверхности адсорбента точек в объемной фазе. Это обстоятельство приводит к необходимости учитывать следующие особенности таких систем: 1.Разделение системы на адсорбционную и объемную фазы не может быть проведено строго1,2 .

2. Адсорбционная фаза, выделенная на основании каких-либо дополнительных (всегда приближенных) соображений, будет энергетически неоднородна (она будет находиться в неоднородном адсорбционном поле) и, поскольку эта неоднородность не может быть учтена в рамках феноменологической термодинамики, описание свойств адсорбционной фазы приходится проводить с использованием средних по фазе значений параметров (концентраций, химических потенциалов и т. д.)3 .

Параметры адсорбционной фазы: концентрации – с ,x , коэффициенты активности -γ , химические потенциалы -μ отмечаются либо чертой над соответствующим символом, либо подстрочным индексом R.

3. Наличие адсорбционного поля необходимо учитывать в выражении для химического потенциала, т. е. использовать полные химические

потенциалы для компонентов адсорбционной фазы3 (подробнее см. методическую разработку к курсу лекций по физической химии, гл. 2: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/tolmachev/tolmachev.pdf):

Для объемной газовой или паровой фазы:

μ (P , T)= μ0

1)+ RTln

P iγ i

P i,ст.

μ i (Ci , T)= μ0 i,ид. (T, Ci,ст. = 1)+ RTln

C iγ i

C i,ст.

1) =μ 0

1)− RTlnRT

Для объемной жидкой фазы:

μ i (Xi , T, P)= μ o i,ид. (T, P, Xст. = 1)+ RTln Xi γ i,x

μ i (Ci , T, P)= μ o i,ид. (T, P,Cст. )+ RTln

C iγ i

C i,ст.= 1 или С i,ст =С i 0

C i,ст.

Для адсорбционной фазы:

Введем новую функцию состояния:

G *= G − σ W , dG* = dG − Wd σ − σ dW = -SdT + VdP+ ∑ μ i dn i - Wdσ

где: W- поверхность (объем пор) адсорбента, σ − поверхностное натяжение (внутреннее давление).

Используя уравнения Максвелла, получим:

	∂μ i		∂W
					= −s i ,	μi (σ) = μi (σ= σ0 ) − s i (σ− σ0 )
			∂n i
	∂ σ P, T, n			P , T, σ , nj

И, соответственно (s i - парциальная мольная площадка (объем) адсорбата):

i = μ 0 i,ид.(T, P,

i,ст. )+ RT ln

− s i (σ − σ0 )

c i,ст.

i = μ 0 i,x,ид.(T, P,

i ,ст. = 1)+ RT ln

i,x − s i(σ − σ 0)

Стандартные состояния для адсорбатов и отсчетные состояния для γ i :

i,ст. =

i,c,отсч. = 1 при

i,ст. = 1

i,x,отсч.. = 1 при

i,ст. = 1

Помимо указанных выше вариантов выбора стандартных состояний в качестве альтернативы иногда рассматриваются: давление насыщенного пара и насыщенные растворы. При анализе межфазовых равновесий удобно использовать стандартные состояния компонента в двух фазах равновесные

друг другу, например давление насыщенного пара и концентрацию чистой

жидкости или адсорбата при полном насыщении адсорбента (С i,ст. = С 0 i ).

При этом:

μ i = RT ln

P iγ i

RT ln

− s i (σ − σ0

P i,s

С i,s

Полезно обратить внимание на две формы уравнения ГиббсаДюгема, широко используемых для адсорбционных растворов в рамках метода полного содержания. В более старых моделях адсорбент часто не рассматривался в качестве компонента адсорбционного раствора, а только как источник адсорбционного поля (поверхностной энергии). В этом случае, например, при адсорбции однокомпонентного пара уравнение ГиббсаДюгема имеет вид (P,T=const.):

i + Wdσ= 0

(W- площадь поверхности адсорбента,μ i -полный химический потенциал адсорбата).

В современных моделях адсорбент (R) является компонентом адсорбционного раствора. Он вводится либо в виде адсорбционных центров (как в моделях Ленгмюра и Толмачева), либо в виде вакансий (свободных пустот определенных размеров в адсорбционном растворе).

В этом случае уравнение Гиббса-Дюгема может быть представлено в двух эквивалентных формах (однокомпонентный пар, P,T=const.):

(мольные площадки компонентов - s=const., s i +s R =W ) (1.8) сводится к виду:

сi dμ i + cR dμ R − (si + sR )dσ+ Wdσ= сi dμ iR + cR dμ R = 0(1.9)

Уравнения (1.7), (1.8) позволяют использовать равенство полных потенциалов в равновесных фазах, а (1.9) более удобно для анализа свойств адсорбционного раствора.

Указанные выше особенности адсорбционных систем привели к разработке двух вариантов их термодинамического описания:

1.Метода избытков Гиббса 1,2 - термодинамически строгому описанию изменения при адсорбции свойстввсей системы в целом на основе экспериментально определяемыхизбыточных величин адсорбции (см. ниже) без ее разделения на две фазы. Этот метод, очевидно, не позволяет получать какую-либо информацию о свойствах адсорбционной фазы и, поэтому, недостаточно информативен, особенно, при решении практических задач, поскольку не дает информации о емкости адсорбента по отношению к компонентам объемной фазы, о ее структуре, свойствах и т. п..

2. Метода полного содержания, 3-6 основанного на разделении системы на две фазы (см. ниже) и описании ее свойств, как гетерогенной системы с использованием абсолютных концентраций компонентов в каждой из равновесных фаз. Термодинамически этот метод менее строг, т.к. он основан намодельном приближении, определяющем проведение границы раздела между объемной и адсорбционной фазами, но он, очевидно, значительно более информативен, т.к. позволяет получать характеристики адсорбционной фазы, что исключительно важно с практической точки зрения, и, кроме того, позволяет сопоставлять их с рассчитываемыми на основе различных молекулярных моделей, обязательно связанных с заданием конкретного расположения молекул у поверхности адсорбента.

В этой связи значительная часть современной информации об адсорбции представляется в рамках метода полного содержания, а метод избытков используется для получения первичной информации и как кретериальный (см. ниже) при выборе модели для перехода к методу полного содержания. Рассмотрим кратко оба эти метода:

1.2. Метод избытков Гиббса .

Краткое изложение основ «Метода избытков Гиббса» начнем с двух цитат, достаточно полно излагающих основную идею метода и отражающих два подхода к оценке значения этого метода в современной теории адсорбционных явлений:

1. «Особенность подхода Гиббса заключается в том, что он сразу отказался от попытки характеризовать адсорбцию какими-либо абсолютными величинами, т. е. рассматривать межфазный слой как некоторый физический объект, имеющий естественные границы и, следовательно, содержащий определенное количество вещества в определенном объеме, которое можно было бы приравнять измеряемой величине адсорбции.Такое рассмотрение противоречило бы принципам измерения адсорбции. По Гиббсу величина адсорбции (Г ), а также связанные с ней термодинамические функции – этоизбыточные величины , для вычисления которых вместо одной системы нужно рассматривать две: реальную, интересующую нас систему и определенным образом вводимуюсистему сравнения – нулевой уровень, от которого производится отсчет адсорбционных свойств»2 и далее: «Преимуществом избыточных величин является то, что они непосредственно измеряются в эксперименте и поэтому не связаны ни с какими моделями. С их помощью можно построить термодинамическую теорию, которая будет включать только экспериментальные величины»2 ;

2. «Некоторые особенности предложенного термодинамического формализма для описания адсорбционных явлений находятся, как нам кажется, в резком несоответствии с современным состоянием учения об адсорбции. Величина адсорбции определяется по Гиббсу как некоторая избыточная величина, представляющая собой разность количества адсорбтива в реальной адсорбционной системе и в фиктивной системе, характеризуемой теми же макроскопическими параметрами состояния (объем, давление, температура), что и реальная система, но в которой сосуществующие фазы однородны вплоть до некоторой математической поверхности раздела фаз. Избыточная величина адсорбции определяется непосредственно из адсорбционного опыта, и в любом уравнении

адсорбционной теории Гиббса разрешается пользоваться только этой величиной. С нашей точки зрения, использование во всех случаях только избыточной адсорбции поставило метод Гиббса в непримиримое противоречие с адсорбционной наукой конца XX века. В самом деле, в любом уравнении изотермы адсорбции (например, уравнении Ленгмюра) или уравнении состояния адсорбционной фазы, опирающихся на молекулярнокинетические представления, входит не число избыточных молекул, а полное число реальных молекул в области неоднородности. Определяемые на опыте теплоты адсорбции связаны с изменением энтальпии при попадании всех, а не только избыточных молекул в поле адсорбента. В двумерных фазовых переходах участвуют не только избыточные, а все адсорбированные молекулы. Наконец, применяя для описания адсорбционных явлений метод статистической термодинамики, следует помнить, что в статистической физике вообще нет «избыточных» молекул. Таким образом, практически при любом современном исследовании адсорбции необходимо вводить в

рассмотрение все молекулы адсорбата, в то время как в термодинамических уравнениях по Гиббсу во имя эфемерной «строгости» надо учитывать только избыточную адсорбцию»5

Суть этого метода рассмотрим сначала на примере адсорбции однокомпонентного газа.

Введем в три (I, II, III) одинаковых сосуда (рис. 1) с объемами V 0 одинаковые количества молей газаn 0. Пусть стенки сосуда I абсолютно не адсорбируют данный газ – тогда его давление в сосуде I будетР 0 , молярная плотностьρ 0 , а количество молейn 0 = ρ 0 V 0 . Пусть в сосуде II нижняя стенка будетадсорбирующей поверхностью . Тогда у поверхности плотность газа увеличится, а вдали от поверхности в объеме сосуда уменьшится доρ ρ распространяется вплоть до нижней адсорбирующей

поверхности (адсорбционная фаза отождествляется с геометрической поверхностью, расположенной на нижней стенке сосуда II).

Изменение количества газа в объеме сосуда II по сравнению с сосудом I:

ne = V ρ		− V ρ

представляющее избыток газа у поверхности по сравнению с его количеством в одинаковом объеме вдалеке от поверхности, называется

избыточной величиной адсорбции или кратко избыточной адсорбцией данного газа. Очевидно, что только эта величинаи может быть измерена в реальном адсорбционном эксперименте. Обычно ее относят к единице веса (или поверхности) адсорбента. Например:

Г =			V0 ρ0	− V 0

Проведем теперь в сосуде III разделение системы на объемную и адсорбционную фазы, проведя (способ проведения будет рассмотрен ниже) границу раздела фаз на некотором расстоянии от адсорбирующей поверхности. В этом случае мы сможем рассчитать абсолютную величину адсорбции газа в объеме адсорбционной фазы (среднюю по всему объему

адсорбционной фазы )V , а объем газовой фазы будет равен:
V = V0 − V

Действительно, абсолютная адсорбция n будет равна.

Адсорбция на границе твердое тело-газ

Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость. Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее количественные и качественные характеристики, т.е. механизм адсорбции.

Твердые поверхности в качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело – газ (Т-Г) т твердое тело – жидкость (Т-Ж).

В отличие от поверхности жидкости поверхность твердых тел геометрически и энергетически неоднородна – твердые адсорбенты могут иметь поры. Одной из основных характеристик подобных адсорбентов является пористость П, она равна отношению суммарного объема пор V п к общему объему адсорбента V об, т.е. . В зависимости от пористости твердые адсорбенты делятся на две группы: непористые и пористые .

Поверхность раздела фаз у непористых адсорбентов соответствует контуру твердого тела. У пористого адсорбента эта поверхность значительно больше за счет наличия пор. Часто пористые адсорбенты применяют в виде порошков.

Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название сорбции.

Различают четыре основных сорбционных процесса: абсорбцию, адсорбцию, капиллярную конденсацию, хемосорбцию.

Абсорбцией называют поглощение газа или пара всем объемом твердого вещества или жидкости.

Этот процесс состоит в проникновении молекул газа в массу сорбента и заканчивается образованием твердого или жидкого раствора. Распространение молекул газа в твердой или жидкой фазе происходит главным образом путем диффузии. Так как в твердых веществах скорость диффузии очень мала, то абсорбция в них протекает очень медленно и для установления равновесия требуется значительное время.

Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением.

Адсорбция является чисто поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата (газа или растворенного вещества) с поверхностью адсорбента за счет сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, электростатических сил. Скорость такого процесса велика, и адсорбция протекает мгновенно.

Капиллярная конденсация представляет собой процесс сжижения пара в порах твердого сорбента. Пар может конденсироваться лишь при температуре ниже критической. Если образующаяся жидкость хорошо смачивает стенки капилляров, т.е. поверхность сорбента, то в капиллярах образуются вогнутые мениски в результате слияния жидких адсорбционных слоев, возникающих на стенках капилляров. Капиллярная конденсация происходит под действием не адсорбционных сил, а сил притяжения молекул пара к поверхности вогнутого мениска жидкости в порах. Протекает она достаточно быстро и заканчивается в течение нескольких минут.

Хемосорбция – это процесс адсорбции, который протекает под действием сил основных валентностей, поэтому ее относят к химической адсорбции.

Вопрос 2. Физическая и химическая адсорбция и их особенности

Адсорбция на твердых поверхностях может быть объяснена наличием силовых полей притяжения, возникающих за счет неуравновешенных связей в кристаллической решетке.

Адсорбционные силы слагаются из валентных сил взаимодействия (химических) и более слабых Ван-дер-ваальсовых (физических). Роль тех и других при различных случаях адсорбции различна. Так, в самом начале адсорбции большинства газов, когда их давление мало, наблюдается химическая адсорбция; с увеличением давления она уступает место физической, которая в основном определяет адсорбцию газов. На адсорбцию влияет не только природа адсорбента, но и адсорбтива. На твердых адсорбентах сильнее адсорбируются те газы, которые легче сжижаются, т.е. критическая температура которых выше.

Физическая адсорбция является обратимым экзотермическим процессом; при повышении температуры адсорбция уменьшается, а десорбция усиливается. Теплоты физической адсорбции невелики и обычно составляют 8-20 кДж/моль. Физическая адсорбция не носит специфического избирательного характера. Хемосорбция, напротив, специфична. Она зависит как от природы адсорбента, так и от природы адсорбата. Энергия связи адсорбент – адсорбат достаточно велика и примерно равна теплоте образования химических соединений (80-800 кДж/моль). С повышением температуры хемосорбция возрастает, подчиняясь законам химической кинетики и равновесия гетерогенных реакций. Хемосорбция часто необратима и приводит к образованию прочных поверхностных соединений между адсорбентом и адсорбатом.

Следует отметить, что явления физической и химической адсорбции четко различаются только в крайних случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо (физическая адсорбция) и лишь небольшая часть связана прочно и может быть удалена длительным прогреванием и вакуумированием (химическая адсорбция). Например, кислород на металлах или водород на никеле адсорбируются при низких температурах по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать адсорбция с заметной энергией активации. В определенном интервале повышения температур прирост химической адсорбции перекрывает падение физической адсорбции.

Вопрос 3. Основные положения теории адсорбции

Существуют теории: мономолекулярной адсорбции (Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра), теория полимолекулярной адсорбции (Теория полимолекулярной адсорбции Поляни) и Обобщенная теория Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ).

Вопрос 4. Понятие о молекулярной и полимолекулярной адсорбции. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра и его физический смысл.

В 1915г. И.Ленгмюр предложил теорию мономолекулярной адсорбции. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра справедливо для широкого интервала концентраций и для границ раздела, как подвижных (ж-г, ж-ж), так и твердых (т-г, т-ж).

Вывод уравнения изотермы Ленгмюра для твердых адсорбентов базируется на ряде исходных предпосылок:

1) адсорбционные силы подобны силам основных валентностей и действуют на малых расстояниях;

2) адсорбционной активностью обладает не вся поверхность, а лишь определенные активные центры, расположенные преимущественно на выпуклых участках поверхности: выступах, ребрах, углах;

3) молекулы адсорбированного газа фиксируются на адсорбционных центрах, не перемещаются по поверхности адсорбента и не взаимодействуют друг с другом.

4) Каждый активный центр обладает малым радиусом действия и способен насыщаться. Поэтому активный центр может провзаимодействовать лишь с одной молекулой адсорбата. В результате этого на поверхности адсорбента может образоваться только один (мономолекулярный) слой адсорбата (мономолекулярная адсорбция).

5) Адсорбированные молекулы удерживаются данным активным центром только в течение определенного промежутка времени. Через некоторое время молекулы отрываются от активного центра и переходят в газовую фазу.

Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра для адсорбции из растворов уравнение имеет вид:

(1)

для адсорбции газов:

(2)

где К – константа равновесия адсорбции. Она тем больше, чем сильнее выражено сродство данного адсорбируемого вещества к данному адсорбенту. Помимо природы адсорбента и адсорбата на величину К влияет температура. С повышением температуры усиливается процесс десорбции, так как возрастает кинетическая энергия молекул адсорбата и константа К уменьшается.

А ПР - предельная адсорбция. Величина А ПР зависит от числа адсорбционных центров на единице поверхности или массы адсорбента и размеров молекул адсорбата. Чем крупнее молекулы адсорбата, тем больше площадь, приходящаяся на молекулу в адсорбционном слое, и тем меньше величина А ПР.

Графическое изображение изотермы адсорбции Ленгмюра приведено на рис. 1. Для кривой характерно наличие трех участков: начального линейного, среднего в виде отрезка параболы и конечного линейного, идущего параллельно оси абсцисс.

Рис 1 Изотерма адсорбции Ленгмюра

Анализ уравнения Ленгмюра показывает, что в зависимости от концентрации адсорбата оно может принимать различные формы.

При малых концентрациях, когда К<<1, этой величиной в знаменателе можно пренебречь и уравнение принимает вид:

Согласно этому выражению, адсорбция растет линейно с увеличением концентрации. На графике изотермы адсорбции этому условию соответствует начальный участок кривой (I).

В области больших концентраций К>>1 и в знаменателе уравнения (2) можно пренебречь единицей, тогда

Полученное равенство указывает на насыщение поверхности адсорбатом. На графике изотермы адсорбции этому условию соответствует горизонтальный линейный участок III, на котором величина адсорбции уже не зависит от концентрации. Для описания среднего участка кривой используют уравнение Фрейндлиха.

Определения величин К и А ПР в уравнении Ленгмюра проводят графическим способом. Для этого берут линейную форму уравнения. Для этого делят единицу на обе части уравнения () . Получают уравнение типа y=a+bx:

(5)

График представляет собой прямую (рис.2):

Рис 2 Графическое определение констант уравнения адсорбции Ленгмюра: ОА=α=1/А пр; ОD "= 1/С 1 /2=К

Отрезок оси ординат ОА=а, отсекаемый при экстраполяции прямой, равен величине обратной А ПР.

Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Адсорбционное равновесие, т.е. равновесное распределение вещества между пограничным слоем и граничащими фазами, является динамическим и быстро устанавливается.

Частицы, которые находятся на поверхности твердого тела, обладают избыточной энергией.

За счет этого молекулы окружающей среды притягиваются к металлу и концентрируются на его поверхности. Этот процесс протекает всегда самопроизвольно и с положительным тепловым эффектом.

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую.

Физическая адсорбция обусловлена вандер-ваальсовскими силами. Энергия связи между молекулами адсорбата и поверхностью металла невелика (порядка 40-50 кДж/моль). Равновесие устанавливается быстро. Адсорбированные вещества могут быть легко удалены с поверхности. Физическая адсорбция наиболее отчетливо проявляется при низких температурах, близких к температуре конденсации адсорбата.

Хемосорбцией называется процесс адсорбции, сопровождающийся химической реакцией между молекулами адсорбированного вещества и металлом. Энергия связи между атомами оценивается величинами 150- 160кДж/моль. Связь, возникающая между металлом и окислителем, имеет ионный характер. Металл отдает атому адсорбированного вещества электроны. Процесс хемосорбции протекает очень быстро (доли секунды). Внешняя поверхность адсорбированной пленки при этом заряжается отрицательно, а внутренняя - положительно.

Количество адсорбированного вещества, отнесенное к единице поверхности, зависит от температуры среды и концентрации адсорбата в газовой или жидкой фазе.

называется изотермой адсорбции.

Впервые теоретическое обоснование изотермы адсорбции было дано Ленгмюром. Им было сделано несколько допущений, упрощающих модель процесса.

Предполагалось, что:

поверхность адсорбента энергетически однородна;

частицы адсорбата на поверхности никак не взаимодействуют друг с другом;

на один активный центр поверхности приходится одна частица адсорбированного вещества;

может образовываться только мономолекулярный адсорбционный слой.

будет прямо пропорциональна давлению газа Р и величине свободной поверхности металла

Константа, характеризующая скорость процесса адсорбции.

Скорость обратного процесса - десорбции - будет прямо пропорциональна поверхности, занятой реагирующими молекулами:

доля поверхности металла, занятая частицами адсорбата.

При установлении равновесия скорость адсорбции равна скорости десорбции:

(3.2), получаем:

Решая уравнение (3.4) относительно в, получим:

где Ь - адсорбционный коэффициент.

Уравнение (3.6) носит название изотермы. Ее графическое выражение дано на рис. 3.3.

получается горизонтальный участок, отвечающий

образованию заполненного монослоя.

или при низком давлении газа

и тогда из (3.6) получим:

При этих условиях степень заполнения поверхности мала и пропорциональна давлению.

Выражение (3.7) отражает закон распределения и носит название изотермы Генри.

и

мы получаем из уравнения (3.6):

Это означает, что все активные центры на поверхности металла полностью заполнены адсорбированным веществом и дальнейшее увеличение его парциального давления в газовой фазе не влияет на количество вещества, адсорбированного на поверхности твердого тела. Этому состоянию отвечает правый участок на кривой изотермы, т.е. прямая линия (рис. 3.3).

Если на поверхности металла адсорбируется смесь газов, то степень заполнения поверхности г-м газом рассчитывается по уравнению

где сумма берется по всем п компонентам газовой смеси.

В большинстве случаев поверхность твердого металла энергетически неоднородна. Она представляет собой серию элементарных площадок, обладающих различной теплотой адсорбции.

Экспериментальные данные более точно описываются уравнением:

Коэффициент, отражающий функцию распределения, а ао - адсорбционный коэффициент при наибольшей теплоте адсорбции.

Выражение (3.9) получило название логарифмической изотермы адсорбции. Экспериментально она впервые была описана в работах А.Н. Фрумкина и А.И. Шлыгина. Теоретический вывод уравнения этой изотермы сделан М.И. Темкиным.

Адсорбция может быть мономолекулярной и полимолекулярной. В последнем случае на поверхности адсорбента образуется несколько слоев. Первый мономолекулярный слой обусловлен силами взаимодействия между поверхностью твердого тела и адсорбатом. Второй и последующие слои удерживаются ван-дер-ваальсовскими силами. Слои адсорбата распределяются по поверхности неравномерно. На некоторых участках их может быть два или три слоя. Одновременно могут остаться участки, закрытые монослоем или совсем свободные от адсорбата (рис. 3.5).

На рис. 3.4 представлена изотерма адсорбции кислорода. Участки аb и bс отвечают мономолекулярной адсорбции, участок ей - полимолекулярной. На рис. 3.5 представлена схема заполнения поверхности металла адсорбированным веществом по теории Брунау-эра.