Lọc khí hấp phụ

Phương pháp này dựa trên khả năng của một số chất rắn hấp thụ có chọn lọc các thành phần khí từ hỗn hợp khí. Có mặt ở hỗn hợp khí Các phân tử khí hoặc hơi bị ô nhiễm tích tụ trên bề mặt hoặc trong các lỗ của vật liệu rắn. Chất được hấp thụ từ pha khí gọi là chất hấp phụ, và một chất rắn trên bề mặt hoặc các lỗ rỗng trong đó xảy ra sự hấp phụ của chất bị hấp thụ - chất hấp phụ. Pha khí trong đó chứa thành phần được chiết - khí mang và sau khi thành phần được chiết chuyển sang trạng thái hấp phụ, nó được gọi là hấp phụ.

Áp dụng trong trường hợp này:

1) khi các phương pháp khác không hiệu quả;

2) nồng độ các chất ô nhiễm rất thấp và cần phải đảm bảo thu hồi được tạp chất được chiết xuất do chi phí hoặc mức độ nguy hiểm đáng kể. Sử dụng phương pháp hấp phụ, SO 2, hydrocarbon, clo, hydrogen sulfide, carbon disulfide và các chất khác được loại bỏ khỏi khí thải.

Hiện tượng hấp phụ là do sự xuất hiện lực hấp dẫn giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất hấp phụ tại mặt phân cách giữa các pha tiếp xúc. Sự chuyển các phân tử chất ô nhiễm từ khí mang sang lớp bề mặt của chất hấp phụ xảy ra nếu lực hút của chất hấp phụ lớn hơn lực hút tác dụng lên chất hấp phụ từ các phân tử khí mang. Các phân tử của chất bị hấp phụ, di chuyển lên bề mặt chất hấp phụ, làm giảm năng lượng của nó, dẫn đến giải phóng nhiệt, khoảng 60 kJ/mol (nhỏ). Lực hấp dẫn là khác nhau - vật lý hoặc hóa học và do đó được phân biệt:

Hấp phụ vật lý - trong đó sự tương tác của các phân tử chất ô nhiễm với bề mặt chất hấp phụ được xác định bởi sự phân tán yếu, lực cảm ứng(Lực Van der Wals). Trong trường hợp này, các phân tử bị hấp phụ không tham gia tương tác hóa học với các phân tử của chất hấp phụ và vẫn giữ được tính chất riêng của chúng.

Hấp phụ vật lý được đặc trưng bởi tốc độ xử lý cao, độ bền liên kết thấp và nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ tăng, lượng chất bị hấp phụ vật lý giảm và áp suất tăng dẫn đến lượng hấp phụ tăng. Ưu điểm là dễ dàng đảo ngược quy trình bằng cách:

a) giảm áp suất

b) tăng nhiệt độ. Các phân tử bị hấp phụ dễ dàng được giải hấp mà không bị biến đổi thành phần hóa học và chất hấp phụ tái sinh có thể được sử dụng nhiều lần. Quá trình này có thể được thực hiện theo chu kỳ, xen kẽ giai đoạn hấp thụ và giải phóng thành phần được chiết xuất.

Hấp phụ hóa học - dựa trên sự tương tác hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Các lực tác dụng trong trường hợp này lớn hơn nhiều và nhiệt lượng tỏa ra trùng với nhiệt của phản ứng hóa học và lên tới 20 - 400 kJ/mol.

Sự khác biệt chính:

) các phân tử hấp phụ, dễ dàng tham gia vào tương tác hóa học, được giữ chắc chắn trên bề mặt và trong các lỗ của chất hấp phụ;

) tốc độ phản ứng tại nhiệt độ thấp nhỏ nhưng tăng khi nhiệt độ tăng.

Tuy nhiên, cả hai loại hấp phụ đều đi kèm với nhau, giá trị cao nhấtđể lọc khí có sự hấp phụ vật lý.

Chất hấp phụ công nghiệp

Bất kỳ chất rắn nào cũng có bề mặt và do đó có khả năng là chất hấp phụ.

Trong công nghệ, các chất hấp phụ có bề mặt bên trong phát triển cao thu được từ quá trình (thiêu kết), tổng hợp và xử lý đặc biệt được sử dụng.

Chất hấp phụ phải có:

− công suất động lớn (thời gian hành động bảo vệ);

− diện tích bề mặt riêng lớn;

- tính chọn lọc;

- độ ổn định nhiệt và cơ học;

- khả năng tái sinh;

- dễ sản xuất;

− chi phí thấp;

Đó là than hoạt tính, gel silica, zeolit, khoáng sét, thủy tinh xốp và các loại khác.

Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ (hoạt tính)

Nó được sử dụng để xác định kích thước của thiết bị và hiệu quả lọc khí.

Có khả năng tĩnh và động của chất hấp phụ. Kích thước [gram chất hấp thụ/trên 100g. chất hấp phụ hoặc mol/g]

Khả năng tĩnh cho thấy lượng chất mà chất hấp phụ có thể hấp phụ ở điều kiện cân bằng.

Công suất động tương ứng với chất được lớp hấp phụ hấp thụ từ khi bắt đầu quá trình cho đến khi bắt đầu “đột phá” của chất hấp phụ, tức là. khi vết chất hấp phụ xuất hiện trong khí mang rời khỏi lớp hấp phụ.

Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào bản chất của chất, nó tăng khi tăng diện tích bề mặt, độ xốp và giảm kích thước lỗ. Nó tăng lên: khi nồng độ các chất ô nhiễm trong khí mang tăng lên; áp suất trong hệ thống. Khi nhiệt độ và độ ẩm tăng lên, khả năng hấp phụ giảm nên chúng được sấy khô trước khi sử dụng. Chất hấp phụ tốt không bị mất hoạt tính khi thực hiện hàng trăm, hàng nghìn chu trình.

Làm sạch khí hấp phụ có hiệu quả nhất khi xử lý khối lượng lớn khí có hàm lượng tạp chất thấp, ví dụ, để làm sạch tốt các khí xử lý từ các hợp chất lưu huỳnh và carbon dioxide, cũng như khi loại bỏ hơi chất độc hại và chất gây ung thư. Thích hợp nhất là sử dụng nó khi cần giảm hàm lượng tạp chất xuống vài phần triệu hoặc thậm chí thấp hơn, ví dụ, các chất ô nhiễm có mùi nồng có thể được phát hiện khi hàm lượng của chúng trong không khí khoảng 100 ppb, vì vậy nó là cần thiết để giảm nồng độ thậm chí thấp hơn.

Hiệu quả của hệ thống hấp phụ được xác định chủ yếu bởi tính chất của chất hấp phụ, phải:

− có khả năng hấp phụ cao;

− có tính chọn lọc cao;

- có độ bền cơ học cao;

− tái sinh tốt;

- có chi phí thấp.

Chất hấp phụ được chia thành ba nhóm:

) chất rắn không phân cực trên bề mặt xảy ra sự hấp phụ vật lý.

) hấp phụ phân cực - hóa học xảy ra mà không làm thay đổi cấu trúc của phân tử khí và bề mặt chất hấp phụ.

) các chất trên bề mặt xảy ra sự hấp phụ thuần túy hóa học và giải hấp các phân tử khí sau phản ứng hóa học, đòi hỏi phải thay thế chúng.

Chất hấp phụ không phân cực phổ biến nhất là than hoạt tính, bao gồm các nguyên tử trung tính cùng loại và có bề mặt với phân phối đồng đềuđiện tích ở cấp độ phân tử.

Ban hành:

) cho hệ thống thông gió dân dụng AG, KAU, SKT. Kích thước hạt 1 - 6 mm, ρ n =380 - 600 kg/m3.

than thu hồi AR, ART, SKT - 3.

) than sàng phân tử MSC.

Lượng khí bị hấp phụ bởi 1 g chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng phụ thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, cũng như nhiệt độ và áp suất. Sự phụ thuộc khối lượng (m) của chất ô nhiễm bị hấp phụ vào chất bị hấp phụ (than hoạt tính) tại t=const.

Đường đẳng nhiệt hấp phụ cho thấy rằng vì hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt nên lượng chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng giảm khi nhiệt độ tăng.

Tái sinh chất hấp phụ bao gồm:

giải hấp, sấy khô, làm mát

a) nhiệt (160  170°)

b) tại nhiệt độ cao(300 - 400°)

c) sự dịch chuyển (lạnh)

Tính toán chất hấp phụ

Các đại lượng chính cần xác định là: đường kính của thiết bị và chiều cao từ của lớp hấp phụ tại thời điểm xử lý nhất định.

) vận tốc khí giả định cho phép (vận tốc trong tiết diện tự do)

ω 0 = (0,016 r ρ us d e g / ρ g) 0,5

d e - đường kính tương đương của hạt, m,

ρ g - mật độ khí, kg/m 3,

ω 0 ≤ 0,3 m/s.

Cấu trúc xốp của chất hấp phụ

Cấu trúc xốp có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất hấp phụ của chất hấp phụ.

Bề mặt hấp phụ bao gồm:

bề mặt bên ngoài, tùy thuộc vào số lượng macropores và là 0,5 2,0 m 2 / h, tức là. 2,0 0,5% tổng bề mặt;

bề mặt bên trong được hình thành bởi các bức tường của micropores. Có thể bằng 500  1000 m 2/h.

Bề mặt của vật xốp:

N A - Số Avagadro,

a m là giá trị hấp phụ tương ứng với việc phủ lên bề mặt một lớp đơn phân tử bị hấp phụ liên tục,

S m - diện tích bị chiếm bởi một phân tử bị hấp phụ,

S m = 1,53 · V 2/3, V là thể tích mol của chất bị hấp phụ.

SmN2 = 1,62m2.

Tổng độ xốp chất rắn có thể được xác định bởi mật độ của nó.

Có mật độ thực (ρ ist), rõ ràng (ρ kazh) và khối lượng lớn (ρ us) của các vật thể xốp.

Đúng - khối lượng của một đơn vị thể tích của một vật thể dày đặc (không chứa lỗ chân lông).

Rõ ràng - khối lượng trên một đơn vị thể tích của vật liệu xốp, bao gồm thể tích lỗ rỗng, nhưng không bao gồm thể tích khoảng trống giữa các hạt.

Khối lượng - khối lượng của một đơn vị thể tích của vật xốp, bao gồm thể tích của chất đậm đặc, thể tích lỗ chân lông và thể tích khoảng trống giữa các hạt.

Tổng thể tích lỗ rỗng:

V ∑ = 1∕ρ mỗi = - 1∕ρ nguồn, g∕cm 3 .

Than hoạt tính ρ nguồn, = 1750 2100 ρ mỗi nguồn = 500 1000 ρ us = 200 600

Silica gel dạng hạt mềm ρ ist = 2100 2300 ρ mỗi cái = 1300 1400 ρ us = 800 850

Silica gel hạt thô ρ ist = 2100  2300 ρ mỗi cái = 750  850 ρ us = 500 600

Zeolit ​​ρ nguồn = 2100 2300 ρ mỗi nguồn = 1200 1400 ρ us = 600 800

Đặc tính của chất hấp phụ

Than hoạt tính- Chất hấp thụ có nguồn gốc hữu cơ (từ than đá, than bùn, nguyên liệu gỗ, chất thải sản xuất giấy, xương động vật, vỏ hạt, hạt trái cây, v.v.).

Đầu tiên, nguyên liệu gốc được xử lý nhiệt ở nhiệt độ t = 600  900°C, độ ẩm và nhựa bay hơi khỏi than, sau đó để tạo độ xốp, nó được kích hoạt - xử lý bằng hơi nước, khí hoặc thuốc thử hóa học (CO, CO 2, NH 3, hơi nước) ở nhiệt độ t = 800  900°С. Bằng cách đo nhiệt độ, tốc độ nạp chất kích hoạt và thời gian kích hoạt, chúng ta thu được sự hấp phụ khác nhau - đặc tính cấu trúc các nhãn hiệu than hoạt tính: BAU, DAK, AR - A, AR - B, KAD, SKT - 1,2.3,4. Đặc điểm chính là ρ us và thành phần phân số. Được sản xuất dưới dạng hạt, có đường kính 2  5 mm, đường kính H™. Đôi khi chúng được nghiền thành các phần nhỏ hơn 0,15 2,5 mm và được sử dụng để lọc khí với chuyển động đứng yên và lớp hấp phụ.

Than bột d fr< 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.

Để làm sạch khí thải(thông gió) nhãn hiệu AG, KAU được sử dụng. SKT, cũng như than từ vật liệu polyme và cacbon sàng phân tử (MSC) - có hoạt tính hấp phụ cao ở vùng có nồng độ chất ô nhiễm thấp, đặc trưng bởi độ bền tăng cao, như súng tự hành - (làm từ polyme uranium).

Đặc tính tiêu cực - dễ cháy, oxy hóa ở t = 250°C, để giảm nguy cơ cháy, silica gel được thêm vào than.

Silica gel - ngậm nước vô định hình, thu được bằng tương tác thủy tinh lỏng và axit sunfuric. Đây là chất hấp phụ khoáng, sản phẩm phản ứng (SiO 2 nH 2 O) d fr = 0,2  7 mm ở dạng hạt,

ρ us = 0,2  7 g∕cm 3.

Chất hấp phụ rẻ tiền, có độ bền cơ học cao, chống mài mòn, nhiệt độ tái sinh thấp (110-120°C), dùng để làm khô khí và bẫy các chất ô nhiễm hữu cơ.

Silica gel, thu được trong môi trường axit và được rửa bằng nước axit hóa, có lỗ chân lông nhỏ. TRONG môi trường kiềm- xốp lớn.

Dựa vào hình dạng hạt:

- silica gel dạng cục (hạt có hình dạng không đều);

- dạng hạt (hạt hình cầu hoặc hình bầu dục).

- đối với các quy trình có tầng sôi - 0,1 0,25 mm

― với lớp chuyển động - 0,5  2,0 mm

― với lớp cố định - 2,0  7,0 mm

Nhược điểm - phá hủy hạt dưới tác động của độ ẩm nhỏ giọt

Gel nhôm - Al 2 O · n · H 2 O - các oxit nhôm hoạt động, giống như silica gel, là chất hấp phụ ưa nước, chúng có cấu trúc phát triển, diện tích bề mặt lớn và thích hợp để làm khô khí, thu giữ hydrocarbon và flo. Chúng có khả năng chống nước tốt hơn. Chúng có khả năng hấp thụ từ 4 đến 10% hơi nước từ khối lượng của chính chúng.

Zeolit(từ tiếng Hy Lạp: đá sôi). Tất cả các chất hấp phụ được thảo luận ở trên đều có cấu trúc không đều, do đó các phân tử có kích thước khác nhau có thể xâm nhập và tồn tại trong lỗ chân lông của chúng, tức là. chúng không có khả năng hấp phụ chọn lọc - đây là nhược điểm của chúng.

Các chất hấp phụ có cấu trúc xốp đều đặn có thể hấp phụ có chọn lọc các phân tử có cùng kích thước - đây là các khoáng chất tự nhiên siderit, faujasite, erionite, glabazite, mordenite, v.v. Bằng cách xử lý nhiệt, chúng được chuyển thành chất hấp phụ có độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và đồng đều kích thước lỗ chân lông. Trong tự nhiên có rất ít zeolit ​​tự nhiên, chúng bị lẫn nhiều tạp chất nên đã tổng hợp được khoảng 100 loại zeolit ​​dùng trong công nghiệp.

Các loại zeolit ​​được áp dụng nhiều nhất là KA, NaA, CaA, NaX, CaX. Chữ cái đầu tiên tương ứng với cation bù điện tích mạng (K +, Na +, Ca +), chữ cái thứ hai - loại mạng tinh thể.

Zeolite là chất hấp phụ độc đáo có khả năng loại bỏ amoniac, SO 2, axetylen, H 2 S, CO 2, v.v.

Tái sinh chất hấp phụ

Tái sinh bao gồm việc loại bỏ các chất hấp phụ khỏi lỗ chân lông của nó. Hiệu quả của quá trình tinh chế phụ thuộc vào chất lượng và tốc độ giải phóng chất bị hấp phụ khỏi chất hấp phụ.

Phương pháp hấp phụ:

- nhiệt (tăng nhiệt độ của lớp hấp phụ lên 110 - 130 °C - ở nhiệt độ bình thường và 300 - 400 - ở nhiệt độ cao);

- giải hấp dịch chuyển (ở 30 - 80°C);

- Giải hấp bằng trường hơi nước cấp tính hiện nay phổ biến hơn.

Thiết kế nhà máy hấp phụ

) Chất hấp phụ định kỳ có lớp hấp thụ cố định (đứng yên).

Cấp gas từ trên xuống dưới (hoặc ngược lại). Nếu cần thiết, chất hấp phụ được đặt trên kệ theo từng lớp, có lớp chất hấp phụ dạng vòng.

Để thực hiện một quá trình liên tục, ít nhất hai thiết bị được cài đặt.

) Giai đoạn đầu tiên là hấp phụ

) Giải hấp - việc cung cấp khí bị dừng và hơi nước được cung cấp. Do làm nóng chất hấp phụ, xảy ra quá trình giải hấp các thành phần được hấp thụ, các thành phần này cùng với hơi nước sẽ bị loại khỏi thiết bị phân tách.

) Làm khô chất hấp phụ - ngừng cung cấp hơi nước và phục vụ không khí nóng

) Làm mát - cung cấp không khí lạnh.

lọc khí hấp phụ

Tính toán đơn vị hấp phụ

Nó bao gồm việc xác định kích thước thiết kế (đường kính, chiều cao), thể tích của chất hấp phụ, thời gian tác dụng bảo vệ của lực cản thủy lực và một số đại lượng khác.

Trong đó V Г là tốc độ dòng thể tích của hỗn hợp ngưỡng m 3 ∕s,

Tốc độ liên quan đến phần tự do của thiết bị, m ∕s.

Đối với thiết bị có lớp cố định = 0,25 0,3 m ∕s.

) Khối lượng chất hấp phụ cho một lần nạp vào thiết bị

n y - số lượng đơn vị chuyển giao;

ß y - hệ số truyền khối lượng thể tích, kg ∕m 3 s.

hoặc

un, uk - nồng độ ban đầu và cuối cùng của chất hấp phụ trong hỗn hợp hơi-khí,

x, y - nồng độ hiện tại của chất bị hấp phụ trong chất rắn và chất bị hấp phụ trong pha hơi-khí, kg ∕m 3,

x x, y x - nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ, kg∕m 3.

Phương trình có thể được giải bằng cách tích hợp đồ họa. Cho một chuỗi các giá trị “y”, chúng ta xây dựng đồ thị theo tọa độ 1∕(y - y *) - y, sau đó, bằng cách đo diện tích của hình thang cong, chúng ta tìm thấy giá trị của tích phân mong muốn, lấy tính đến các thang đo: M 1 = l 1 ∕h 1 và M 2 = l 2 ∕h 2 ,

l 1 - giá trị thứ tự 1∕(y - y *),

h 1 - giá trị của cùng một tọa độ tính bằng mm,

l 2 - giá trị của hoành độ trên đồ thị y,

h 2 - giá trị của cùng một trục tính tính bằng mm.

Để xây dựng đồ thị dùng để tính số đơn vị nhớ, cần xác định giá trị của y x (x x). Để làm được điều này cần xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ (dòng 2) và đường vận hành của quá trình (dòng 1). Đường đẳng nhiệt hấp phụ (đường cong cân bằng0 tại t = const đóng vai trò là đặc tính chính của quá trình và 0 = f(p),

và 0 là hoạt động tĩnh,

p - áp suất riêng phần.

Có một phương trình Clapeyron giữa nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí và nó:

Kg∕m 3 .

Đường đẳng nhiệt hấp phụ được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm (hoặc tham khảo). Để xây dựng một dây chuyền làm việc cần biết tọa độ của ít nhất hai điểm đáp ứng các điều kiện vận hành của quy trình.

Ví dụ: nếu xác định y n, y k và x n (nồng độ ban đầu của thành phần chiết được trong pha rắn) thì nồng độ cuối cùng của chất hấp phụ trong pha rắn x k được xác định từ phương trình:

Thể tích của chất hấp phụ bão hòa với chất hấp phụ trên một đơn vị thời gian (kích thước của lớp làm việc).

,m 3∕ giây,

Giá trị x* (nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong pha rắn), tương ứng đặt giá trị“y” được xác định từ đường đẳng nhiệt hấp phụ. Biết tọa độ (·)A (x n;y k) và (∙)B (x k;y n), ta vẽ chúng trên đồ thị và nối chúng bằng một đường thẳng.

Để xác định x*, y* ta đặt các giá trị của “y” trong khoảng y n - y k. Nếu đường vuông góc từ (∙) y n ban đầu tiếp tục cắt đường cân bằng 2 đến (∙) Г. và chiếu lên trục x, ta thu được hợp chất cân bằng của chất bị hấp phụ trong pha rắn x* tại một giá trị y n cho trước. Nếu chưa biết đường đẳng nhiệt hấp phụ thì có thể xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của chất chuẩn. Giá trị của các giá trị hấp phụ được tính lại theo công thức:

,

Đường đẳng nhiệt của một chất chuẩn (thường là benzen), kg/kg,

Thông số của đường đẳng nhiệt xác định, kg/kg,

V 1, V 2 - thể tích mol của chất chuẩn và chất thử ở trạng thái lỏng,

M là khối lượng mol của chất, kg/mol,

Hệ số ảnh hưởng,

Mật độ của chất ở trạng thái lỏng, kg/m3.

Là chất hấp phụ, chúng tôi chọn than hoạt tính loại AR-A, d e = 1,3 ∙ 10 -3 m.

Ta chấp nhận = 0,28m/s thì ,

.

Để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ, chúng tôi sử dụng chữ lồng để xác định áp suất hơi nước bão hòa một số chất, qua đó xác định áp suất riêng phần của các chất theo công thức:

(1)

trong đó P 1, P 2 - áp suất riêng phần của chất chuẩn và chất thử, mm Hg (Pa),

Р S,1 - áp suất hơi bão hòa của chất chuẩn tại nhiệt độ tuyệt đối(mm Hg),

Р S,2 - áp suất hơi bão hòa của chất thử.

Khi tính điểm đẳng nhiệt của chất đang nghiên cứu, tọa độ và lấy từ đường cong của chất chuẩn, các giá trị P S,1, P S,2 được lấy từ bảng áp suất hơi bão hòa. P 2 - tính theo công thức (1).

Biểu thị áp suất riêng phần theo nồng độ tương ứng, chúng ta thu được:

(2)

Hệ số ái lực với dietyl ete (Bảng 36, Kuznetsov).

) theo bảng 25 (dữ liệu cân bằng về hấp phụ hơi benzen và hỗn hợp của chúng với không khí trên than hoạt tính , ,

) theo sơ đồ (trang 115), ta xác định tọa độ các điểm đường đẳng nhiệt hấp phụ của dietyl ete, P S,1 - đối với benzen - 75 mm Hg (9997,5 Pa), Р S, 2 - đối với dietyl ete - 442 mm Hg ( 58918,6 Pa).

) Hệ số truyền khối:

Hệ số truyền khối thể tích trong pha khí và pha rắn lần lượt là s -1,

m - hệ số phân phối (độ dốc trung bình của đường cân bằng).

Vì - thường rất nhỏ nên chúng ta bỏ qua giá trị.

Dựa trên điều này, nó phụ thuộc vào trạng thái thủy động lực trong thiết bị và tính chất vật lý của dòng chảy.

Để tính toán định hướng K y, các phương trình tiêu chí được sử dụng:

Tại Re > 30

Tại Re = 2 - 30

Tại Re< 2

Ở đâu - Tiêu chuẩn khuếch tán Nusselt.

D e - đường kính tương đương của hạt hấp phụ, m

,

Vận tốc dòng khí, m/s

Độ xốp của lớp hấp phụ cố định,

Mật độ, kg/m 3

Độ nhớt động lực, Pa s

- Tiêu chuẩn khuếch tán Prandtl.

) Chiều cao của lớp hấp phụ cố định trong thiết bị

,

h - chiều cao của thiết bị chuyển tải,

trong đó G g là lưu lượng khối khí, kg∕s

S sl - mặt cắt lớp, m 2

Phương trình cân bằng chất hấp thụ;

Phương trình động học hấp phụ;

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ.

: (đối với benzen),

:

Đường đẳng nhiệt hấp phụ để giải phương trình được chia thành ba vùng:

vùng đất - sự phụ thuộc tuyến tính giữa nồng độ khí và lượng chất bị hấp thụ và người ta thường cho rằng đường đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo định luật Henry.

Khi đó thời gian hấp phụ:

;

trong đó y n là nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ, kg∕m 3

x* - lượng cân bằng của chất bị hấp phụ, kg∕kg (lấy từ đường đẳng nhiệt hấp phụ nhân với mật độ lớn chất hấp phụ).

diện tích - đường cong

hàm lượng chất trong dòng khí ở đâu, cân bằng với số lượng, bằng một nửa chất được chất hấp phụ hấp thụ tối đa ở nhiệt độ nhất định, kg/m3.

vùng - lượng chất được hấp thụ bởi chất hấp phụ đạt đến giới hạn và không đổi

) Chiều cao của vùng truyền khối (chiều cao của lớp làm việc)

,

thời gian bão hòa cân bằng, giây

thời gian tác dụng bảo vệ ở nồng độ đột phá tối thiểu,

khả năng hấp phụ chưa sử dụng,

) Độ giảm áp suất trong lớp (công thức áp dụng được nếu lớp xốp E = 0,4)

∆Р - độ giảm áp suất trong lớp, kg/m 3

g - 9,81 m/s 2

d e - đường kính hạt tương đương, m

G - vận tốc khối khí, kg/(m 2 ∙s)

1)- Tại<0,25м/с, ламинарный режим

)- vùng chuyển tiếp

)- trong lớp zeolit

- cho quả bóng, - đối với xi lanh

Thay các giá trị thu được vào phương trình

Chúng ta hãy biểu thị áp suất riêng phần theo nồng độ thể tích theo phương trình

0,005125t.k. Re>30 thì 80,23

Hấp phụ là quá trình hấp thụ có chọn lọc một thành phần khí, hơi hoặc dung dịch bằng bề mặt xốp của chất rắn (chất hấp phụ). Sự hấp phụ được sử dụng để làm sạch các khí có hàm lượng chất gây ô nhiễm dạng khí hoặc hơi thấp để thu được nồng độ thể tích rất thấp. Sự hấp phụ được sử dụng để thu giữ các hợp chất lưu huỳnh, hydrocarbon, clo, oxit nitơ, hơi dung môi hữu cơ, v.v. từ khí và khí thải thông gió.

Quá trình hấp phụ có tính chọn lọc và thuận nghịch. Mỗi chất hấp thụ chỉ có khả năng hấp thụ một số chất nhất định chứ không hấp thụ những chất khác. Chất hấp thụ luôn có thể được tách ra khỏi chất hấp thụ bằng cách giải hấp.

Không giống phương pháp hấp thụ hấp phụ cho phép lọc khí ở nhiệt độ cao.

Thành phần hấp thụ mục tiêu nằm trong khí cần tinh chế được gọi là chất hấp phụ, thành phần tương tự ở trạng thái hấp phụ, tức là chất được hấp thụ trong chất hấp phụ, được gọi là chất hấp phụ.

Dựa vào bản chất tương tác của chất hấp phụ với bề mặt, sự hấp phụ vật lý và hóa học được phân biệt.

Sự hấp phụ vật lý được xác định bởi các lực tương tác giữa các phân tử (hiệu ứng phân tán, định hướng và cảm ứng). Lực liên phân tử yếu nên trong quá trình hấp phụ vật lý chỉ xảy ra biến dạng nhẹ của các hạt bị hấp phụ. Loại hấp phụ này hoàn toàn quá trình vật lý với năng lượng hoạt hóa khoảng 4,12 kJ/mol. Với sự hấp phụ vật lý, các phân tử khí và hơi được hấp thụ được giữ bởi lực van der Waals, với sự hấp phụ hóa học - lực hóa học. Trong quá trình hấp phụ vật lý, sự tương tác của các phân tử với bề mặt chất hấp phụ được xác định bởi các lực tương đối yếu (tán sắc, cảm ứng, định hướng). Hấp phụ vật lý được đặc trưng bởi tốc độ cao, cường độ liên kết thấp giữa bề mặt chất hấp phụ và chất hấp phụ và nhiệt độ hấp phụ thấp (lên tới 60 kJ/mol).

Hấp phụ hóa học (hấp phụ hóa học) được thực hiện nhờ lực hóa trị không bão hòa của lớp bề mặt. Trong trường hợp này, các hợp chất hóa học bề mặt có thể được hình thành, tính chất và cấu trúc của chúng vẫn chưa được hiểu rõ. Người ta chỉ biết rằng chúng khác với tính chất của các hợp chất số lượng lớn. Khi hình thành các hợp chất bề mặt cần phải vượt qua rào cản năng lượng, thường là 40.100 kJ/mol. Bởi vì quá trình hấp thụ hóa học đòi hỏi năng lượng kích hoạt đáng kể nên đôi khi nó được gọi là kích hoạt hấp phụ. Trong quá trình hấp phụ vật lý, sự tương tác của các phân tử với bề mặt chất hấp phụ được xác định tương đối lực yếu(phân tán, cảm ứng, định hướng). Hấp phụ vật lý được đặc trưng bởi tốc độ cao, cường độ liên kết thấp giữa bề mặt chất hấp phụ và chất hấp phụ và nhiệt hấp phụ thấp (lên tới 60 kJ/mol). Sự hấp phụ hóa học dựa trên phản ứng hóa học giữa chất bị hấp phụ và chất bị hấp phụ. Lực tác dụng trong trường hợp này lớn hơn nhiều so với quá trình hấp phụ vật lý và nhiệt thoát ra trùng với nhiệt của phản ứng hóa học (nó dao động trong khoảng 20.400 kJ/mol).

Giá trị hấp phụ vật lý và hóa học giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng khi nhiệt độ nhất định hấp phụ vật lý có thể đột ngột được kích hoạt.

Trong quá trình hấp phụ, có thể có tốc độ hấp thụ rất cao và chiết xuất hoàn toàn các thành phần, việc cô lập chúng bằng sự hấp thụ là không thể do nồng độ của chúng trong hỗn hợp thấp.

Hấp phụ tiếp tục là phương pháp chính để làm sạch khí thải của quá trình. Về nguyên tắc, sự hấp phụ có thể được sử dụng để loại bỏ bất kỳ chất gây ô nhiễm nào khỏi dòng khí. Trong thực tế, phạm vi ứng dụng của nó bị giới hạn ở một số hoạt động, kỹ thuật và điều kiện kinh tế. Do đó, theo yêu cầu an toàn cháy nổ, các khí chứa thành phần nổ lớn hơn 2/3 giới hạn nồng độ dễ cháy thấp hơn không thể được xử lý hấp phụ.

Nồng độ tối ưu của các chất ô nhiễm trong khí cung cấp để xử lý nằm trong khoảng 0,02...0,5% thể tích. (về mối liên hệ với trọng lượng phân tử~100). Khả năng kỹ thuật hiện đại không cho phép giảm nồng độ chất ô nhiễm thông qua hấp phụ theo tiêu chuẩn vệ sinh. Trên thực tế, nồng độ cuối cùng tối thiểu của các chất ô nhiễm tương ứng với các đặc tính có thể chấp nhận được của thiết bị hấp phụ là 0,002...0,004% vol. Vì vậy, việc hấp phụ làm sạch khí bằng nội dung ban đầu chất gây ô nhiễm dưới 0,02% là phù hợp nếu đó là sản phẩm đắt tiền hoặc chất thuộc loại nguy hiểm cao.

Xử lý khí thải với nồng độ ban đầu cao (hơn 0,2...0,4% thể tích đối với các hợp chất có trọng lượng phân tử khoảng 100...50) của chất ô nhiễm đòi hỏi một lượng đáng kể chất hấp phụ và do đó , kích thước lớn của chất hấp phụ. Sự cồng kềnh của thiết bị cũng là do giá trị tốc độ dòng chảy qua lớp hấp phụ thấp (lên tới 0,5 m/s), vì ở tốc độ cao hơn, độ mài mòn và cuốn theo của chất hấp phụ tăng mạnh. Do đó, tổn thất chất hấp phụ do cuốn theo có thể lên tới 5% mỗi ngày với tốc độ dòng chảy 1...1,5 m/s.

Tuy nhiên, khả năng của quá trình hấp phụ còn lâu mới cạn kiệt. Trong một số trường hợp, nó có thể được sử dụng để tạo ra một hệ thống xử lý thế hệ mới không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh mà còn đáp ứng các yêu cầu về kinh tế. Ví dụ, sự hấp phụ có thể được sử dụng trong sơ đồ tinh chế hai giai đoạn để cô đặc trước các chất ô nhiễm hữu cơ pha loãng cao, sau đó được đưa đi trung hòa nhiệt. Như vậy, nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải thông gió có thể tăng lên hàng chục lần.

Sự hấp phụ có thể xảy ra ở lớp cố định, lớp chuyển động (chuyển động) hoặc lớp hấp phụ sôi (lỏng).

GIỚI THIỆU

Sự phát triển này là sự trình bày về tài liệu khóa học đặc biệt bài giảng mà tác giả đã thực hiện trong nhiều năm qua cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành về lĩnh vực hấp phụ. Tác giả hy vọng rằng điều này trợ giảng sẽ lấp đầy khoảng trống tồn tại trong khoa học và văn học giáo dục về chủ đề đang được xem xét và sẽ giúp các nhà nghiên cứu mới làm quen với các vấn đề và thành tựu chính của khoa học hấp phụ - nhánh phức tạp nhất của nhiệt động lực học.

Phương án phát triển đề xuất không xem xét các phần quan trọng như hấp phụ trên chất hấp phụ trung tính, kèm theo quá trình ngưng tụ mao quản, sử dụng thiết bị nhiệt động lực học thống kê phân tử, mô hình mạng phức tạp, hóa học lượng tử và phương pháp sốđể phân tích hiện tượng hấp phụ. Tác giả hy vọng sẽ thực hiện được những bổ sung cần thiết trong năm 2008-2009. và sẽ biết ơn tất cả các ý kiến ​​​​và đề xuất để cải thiện điều này

Bài giảng 1. Phương pháp thặng dư Gibbs. Bài giảng 2. Phương pháp nội dung đầy đủ.

Bài giảng 3. Nhiệt động lực học của quá trình hấp phụ. Lý thuyết cân bằng hóa học của sự hấp phụ.

Bài giảng 4. Nhiệt động lực học của quá trình hấp phụ hỗn hợp chất lỏng nhị phân và nhiệt động lực học của dung dịch bị hấp phụ.

Bài 5: Mô tả cân bằng hấp phụ của khí, hơi và dung dịch trên vật liệu hấp phụ xốp vĩ mô và vi mô.

Bài giảng 1. Phương pháp thặng dư Gibbs.

Giới thiệu.

Sự hấp phụ là sự dày lên của một chất ở ranh giới pha, gây ra bởi sự không bão hòa của các liên kết của các nguyên tử hoặc phân tử trên bề mặt và do đó, sự tồn tại của trường hấp phụ mở rộng, nói đúng ra, đến các điểm ở rất xa bề mặt của vật chất. chất hấp phụ ở pha khối. Tình huống này dẫn đến sự cần thiết phải tính đến các tính năng sau các hệ thống như vậy: 1. Việc phân chia hệ thống thành các pha hấp phụ và pha khối không thể được thực hiện một cách nghiêm ngặt1,2.

2. Pha hấp phụ, được xác định trên cơ sở bất kỳ xem xét bổ sung nào (luôn luôn gần đúng), sẽ không đồng nhất về mặt năng lượng (nó sẽ nằm trong trường hấp phụ không đồng nhất) và, vì tính không đồng nhất này không thể được tính đến trong khuôn khổ nhiệt động lực học hiện tượng học, việc mô tả các đặc tính của pha hấp phụ phải được thực hiện bằng cách sử dụng các giá trị tham số trung bình của pha (nồng độ, thế năng hóa học, v.v.)3.

Các thông số của pha hấp phụ: nồng độ - c,x, hệ số hoạt độ -γ, thế năng hóa học -μ được đánh dấu bằng một dòng phía trên ký hiệu tương ứng hoặc bằng chỉ số R.

3. Sự hiện diện của trường hấp phụ phải được tính đến khi biểu thị thế hóa học, tức là sử dụng hóa chất hoàn chỉnh

thế của các thành phần của pha hấp phụ3 (để biết thêm chi tiết, xem phát triển phương pháp cho một khóa học về hóa lý, ch. 2: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/tolmachev/tolmachev.pdf):

Đối với pha khí hoặc pha hơi số lượng lớn:

μ(P, T)= μ0

1)+RTln

P iγ tôi

P tôi, st.

μ i (Ci , T)= μ0 i,id. (T, Ci,st. = 1)+ RTln

C iγ tôi

C tôi, nghệ thuật.

1) =μ 0

1)- RTlnRT

Đối với pha lỏng số lượng lớn:

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

μ i(Ci , T, P)= μ o i,id. (T, P, Cst. )+ RTln

C iγ tôi

C i,st.= 1 hoặc C i,st =C i 0

C tôi, nghệ thuật.

Đối với giai đoạn hấp phụ:

Hãy giới thiệu tính năng mới tiểu bang:

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

Trong đó: W là bề mặt (thể tích lỗ rỗng) của chất hấp phụ, σ là sức căng bề mặt (áp suất bên trong).

Sử dụng các phương trình Maxwell, chúng ta có:

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

Và, theo đó (s i là diện tích mol một phần (thể tích) của chất bị hấp phụ):

i = μ 0 i,id.(T, P,

tôi, nghệ thuật. )+ RT ln

− s i (σ − σ0 )

c tôi, nghệ thuật.

i = μ 0 i,x,id.(T, P,

tôi, nghệ thuật. = 1)+ RT ln

i,x − s i(σ − σ 0)

Trạng thái tiêu chuẩn của chất hấp phụ và trạng thái tham chiếu của γ i:

tôi, nghệ thuật. =

tôi, c, đếm. = 1 lúc

tôi, nghệ thuật. = 1

i,x,count.. = 1 tại

tôi, nghệ thuật. = 1

Ngoài các lựa chọn nêu trên để chọn trạng thái tiêu chuẩn, áp suất hơi bão hòa và dung dịch bão hòa đôi khi được coi là các lựa chọn thay thế. Khi phân tích cân bằng giữa các pha, sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng trạng thái tiêu chuẩn các thành phần ở hai pha cân bằng

nhau, ví dụ, áp suất hơi bão hòa và nồng độ tinh khiết

chất lỏng hoặc chất bị hấp phụ ở trạng thái bão hòa hoàn toàn của chất hấp phụ (C i,st. = C 0 i).

Trong trường hợp này:

μ i = RT ln

P iγ tôi

RT ln

− s i (σ − σ0

P i,s

Với tôi, s

Cần lưu ý hai dạng phương trình Gibbs-Duhem được sử dụng rộng rãi cho các dung dịch hấp phụ trong phương pháp hàm lượng tổng. Trong các mô hình cũ, chất hấp phụ thường không được coi là một thành phần của dung dịch hấp phụ mà chỉ được coi là nguồn của trường hấp phụ (năng lượng bề mặt). Ví dụ, trong trường hợp này, trong quá trình hấp phụ hơi nước một thành phần, phương trình Gibbs-Duhem có dạng (P,T=const.):

tôi + Wdσ= 0

(W là diện tích bề mặt của chất hấp phụ, μi là tổng thế năng hóa học của chất bị hấp phụ).

TRONG mô hình hiện đại chất hấp phụ (R) là thành phần của dung dịch hấp phụ. Nó được giới thiệu ở dạng trung tâm hấp phụ (như trong mô hình Langmuir và Tolmachev) hoặc ở dạng chỗ trống (khoảng trống tự do có kích thước nhất định trong dung dịch hấp phụ).

Trong trường hợp này, phương trình Gibbs-Duhem có thể được trình bày dưới hai dạng tương đương (cặp một thành phần, P,T=const.):

(diện tích mol của các thành phần - s=const., s i +s R =W ) (1.8) rút gọn về dạng:

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

Các phương trình (1.7), (1.8) cho phép sử dụng đẳng thức tổng thế ở các pha cân bằng và (1.9) thuận tiện hơn cho việc phân tích tính chất của dung dịch hấp phụ.

bạn Các tính năng trên của hệ thống hấp phụ đã dẫn đến sự phát triển của hai phiên bản mô tả nhiệt động lực học của chúng:

1.Phương pháp thừa Gibbs 1.2 - mô tả chặt chẽ về mặt nhiệt động lực học của những thay đổi trong quá trình hấp phụ các đặc tính toàn bộ hệ thống như một tổng thể dựa trên xác định bằng thực nghiệm giá trị hấp phụ vượt quá(xem bên dưới) mà không chia thành hai giai đoạn. Phương pháp này rõ ràng không cho phép người ta thu được bất kỳ thông tin nào về các tính chất của pha hấp phụ và do đó, không đủ thông tin, đặc biệt là khi giải vấn đề thực tế, vì nó không cung cấp thông tin về khả năng của chất hấp phụ liên quan đến các thành phần của pha khối, về cấu trúc, tính chất của nó, v.v.

2. Phương pháp hàm lượng tổng, 3-6 dựa trên việc chia hệ thống thành hai pha (xem bên dưới) và mô tả các đặc tính của nó như một hệ thống không đồng nhất sử dụng nồng độ tuyệt đối của các thành phần trong mỗi pha cân bằng. Về mặt nhiệt động lực học, phương pháp này ít nghiêm ngặt hơn, bởi vì nó dựa trên xấp xỉ mô hình, xác định ranh giới giữa pha khối và pha hấp phụ, nhưng rõ ràng nó mang lại nhiều thông tin hơn, bởi vì cho phép người ta thu được các đặc tính của pha hấp phụ, điều này cực kỳ quan trọng theo quan điểm thực tế, và ngoài ra, cho phép người ta so sánh chúng với các đặc tính được tính toán trên cơ sở các mô hình phân tử khác nhau, nhất thiết phải liên quan đến việc xác định một sự sắp xếp cụ thể của các phân tử trên bề mặt chất hấp phụ.

Về vấn đề này, một phần đáng kể thông tin hiện đại về sự hấp phụ được trình bày trong khuôn khổ của phương pháp hàm lượng tổng và phương pháp dư được sử dụng để thu được thông tin sơ cấp và mang tính sáng tạo (xem bên dưới) khi chọn mô hình để chuyển sang phương pháp nội dung đầy đủ. Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn về cả hai phương pháp này:

1.2. Phương pháp thừa Gibbs.

Hãy bắt đầu một bản tóm tắt ngắn gọn về những điều cơ bản của “Phương pháp vượt quá Gibbs” bằng hai trích dẫn nêu khá đầy đủ ý chính của phương pháp và phản ánh hai cách tiếp cận để đánh giá giá trị của phương pháp này trong lý thuyết hiện đại Hiện tượng hấp phụ:

1. “Điểm đặc biệt trong cách tiếp cận của Gibbs là ông ngay lập tức từ bỏ nỗ lực mô tả sự hấp phụ ở bất kỳ đại lượng tuyệt đối nào, nghĩa là coi lớp xen kẽ là một vật thể vật lý nhất định có ranh giới tự nhiên và do đó, chứa một lượng chất nhất định”. TRONG một khối lượng nhất định, có thể tương đương với giá trị hấp phụ đo được. Việc xem xét như vậy sẽ trái với các nguyên tắc đo hấp phụ. Theo Gibbs, giá trị của độ hấp phụ (G), cũng như các hàm nhiệt động gắn liền với nó, là số lượng dư thừa, để tính toán cái nào, thay vì một hệ thống, chúng ta cần xem xét hai hệ thống: hệ thống thực mà chúng ta quan tâm và hệ thống được giới thiệu theo một cách nhất định hệ thống so sánh - mức 0 để đo các đặc tính hấp phụ”2 và hơn thế nữa: “Ưu điểm của số lượng vượt quá là chúng được đo trực tiếp trong thí nghiệm và do đó không liên quan đến bất kỳ mô hình nào. Với sự giúp đỡ của họ, có thể xây dựng một lý thuyết nhiệt động lực học chỉ bao gồm các đại lượng thực nghiệm”2;

2. “Một số đặc điểm của hình thức nhiệt động lực học được đề xuất để mô tả hiện tượng hấp phụ, đối với chúng tôi, có vẻ trái ngược hoàn toàn với trạng thái hiện tại thuyết hấp phụ. Giá trị hấp phụ được Gibbs xác định là một giá trị vượt quá nhất định, đó là sự khác biệt về lượng chất hấp phụ trong hệ thống hấp phụ thực và trong hệ thống giả định được đặc trưng bởi cùng các thông số trạng thái vĩ mô (thể tích, áp suất, nhiệt độ) như hệ thống thực, nhưng trong đó các pha cùng tồn tại là đồng nhất theo một giao diện toán học nhất định. Giá trị hấp phụ vượt quá được xác định trực tiếp từ thí nghiệm hấp phụ và trong bất kỳ phương trình nào

Lý thuyết hấp phụ của Gibbs chỉ được phép sử dụng giá trị này. Theo quan điểm của chúng tôi, việc sử dụng trong mọi trường hợp chỉ hấp phụ quá mức đã đặt phương pháp Gibbs vào tình thế mâu thuẫn không thể dung hòa được với khoa học hấp phụ vào cuối thế kỷ 20. Trên thực tế, trong bất kỳ phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ nào (ví dụ phương trình Langmuir) hoặc phương trình trạng thái của pha hấp phụ, dựa trên các khái niệm động học phân tử, vấn đề không phải là số lượng phân tử dư thừa đi vào mà là số đầy đủ các phân tử thực trong vùng không đồng nhất. Nhiệt hấp phụ được xác định bằng thực nghiệm có liên quan đến sự thay đổi entanpy khi tất cả, chứ không chỉ lượng dư, các phân tử đi vào trường chất hấp phụ. Trong không gian hai chiều chuyển pha không chỉ dư thừa mà tất cả các phân tử bị hấp phụ đều tham gia. Cuối cùng, khi sử dụng phương pháp nhiệt động lực học thống kê để mô tả hiện tượng hấp phụ cần nhớ rằng trong vật lý thống kê không có phân tử “dư thừa” nào cả. Vì vậy, đối với hầu hết mọi nghiên cứu hiện đại sự hấp phụ phải được đưa vào

xem xét tất cả các phân tử của chất bị hấp phụ, trong khi trong các phương trình nhiệt động theo Gibbs, nhân danh “sự chặt chẽ” phù du, chỉ cần tính đến sự hấp phụ dư thừa”5

Bản chất của phương pháp nàyĐầu tiên chúng ta hãy xem xét ví dụ về sự hấp phụ của một chất khí đơn thành phần.

Chúng ta hãy đưa vào ba bình giống hệt nhau (I, II, III) (Hình 1) có thể tích V 0 những lượng mol khí bằng nhau n 0. Để thành bình I tuyệt đối không hấp thụ một loại khí nhất định– khi đó áp suất của nó trong bình I sẽ là P 0, mật độ mol ρ 0 và số mol n 0 = ρ 0 V 0. Gọi thành đáy bình II là bề mặt hấp thụ. Khi đó mật độ khí ở bề mặt sẽ tăng lên và ở xa bề mặt trong thể tích của bình sẽ giảm xuống ρ ρ kéo dài xuống chất hấp phụ phía dưới

bề mặt (pha hấp phụ được xác định bằng bề mặt hình học nằm ở thành dưới của bình II).

Sự thay đổi lượng khí trong thể tích bình II so với bình I:

ne = V ρ		− V ρ

biểu thị lượng khí dư ở gần bề mặt so với lượng của nó trong cùng một thể tích ở xa bề mặt được gọi là

giá trị hấp phụ vượt quá hoặc sự hấp phụ vượt quá trong thời gian ngắn của một loại khí nhất định. Rõ ràng chỉ có số lượng này và có thể được đo bằng thí nghiệm hấp phụ thực tế. Nó thường được gọi là đơn vị trọng lượng (hoặc diện tích bề mặt) của chất hấp phụ. Ví dụ:

G =			V0 ρ0	− V 0

Bây giờ chúng ta hãy tiến hành trên tàu phân khu III thành các pha khối và pha hấp phụ bằng cách vẽ (phương pháp sẽ được thảo luận dưới đây) ranh giới pha ở một khoảng cách nhất định so với bề mặt hấp phụ. Trong trường hợp này chúng ta có thể tính toán giá trị tuyệt đối sự hấp phụ khí trong thể tích của pha hấp phụ ( trung bình trên toàn bộ khối lượng

pha hấp phụ)V và thể tích của pha khí sẽ bằng:
V = V0 - V

Thật vậy, độ hấp phụ tuyệt đối n sẽ bằng nhau.

Hấp phụ ở bề mặt phân cách khí rắn

Một đặc điểm đặc trưng của bề mặt rắn là độ xốp của chúng. Bản chất của bề mặt chất hấp phụ, kích thước và hình dạng lỗ chân lông của nó ảnh hưởng đến sự hấp phụ, thay đổi các đặc tính định lượng và chất lượng của nó, tức là. cơ chế hấp phụ.

Bề mặt rắn làm chất hấp phụ được sử dụng để hấp phụ khí hoặc chất lỏng và quá trình hấp phụ xảy ra ở bề mặt tiếp xúc rắn-khí (S-G) và rắn-lỏng (S-L).

Không giống như bề mặt chất lỏng, bề mặt chất rắn không đồng nhất về mặt hình học và năng lượng - chất hấp phụ rắn có thể có lỗ rỗng. Một trong những đặc điểm chính của chất hấp phụ này là độ xốp P, nó bằng tỷ lệ giữa tổng thể tích lỗ rỗng V p với tổng thể tích của chất hấp phụ V vol, tức là. . Tùy thuộc vào độ xốp, chất hấp phụ rắn được chia thành hai nhóm: không xốp Và xốp.

Giao diện pha của chất hấp phụ không xốp tương ứng với đường viền của vật rắn. Trong chất hấp phụ xốp, bề mặt này lớn hơn nhiều do có các lỗ rỗng. Chất hấp phụ xốp thường được sử dụng ở dạng bột.

Quá trình hấp thụ khí hoặc chất hòa tan vật liệu cứng hoặc chất lỏng có thể chảy qua các cơ chế khác nhau và được gọi chung là sự hấp thụ.

Có bốn quá trình hấp phụ chính: hấp thụ, hấp phụ, ngưng tụ mao quản, hấp phụ hóa học.

Hấp thụđề cập đến sự hấp thụ khí hoặc hơi bởi toàn bộ thể tích của chất rắn hoặc chất lỏng.

Quá trình này bao gồm sự xâm nhập của các phân tử khí vào khối chất hấp thụ và kết thúc bằng sự hình thành dung dịch rắn hoặc lỏng. Sự phân bố của các phân tử khí ở pha rắn hoặc lỏng xảy ra chủ yếu bằng sự khuếch tán. Vì trong chất rắn Vì tốc độ khuếch tán rất thấp nên sự hấp thụ trong chúng diễn ra rất chậm và cần có thời gian đáng kể để thiết lập trạng thái cân bằng.

Hấp phụ gọi là nồng độ tự phát trên bề mặt rắn hoặc lỏng của một chất có sức căng bề mặt thấp hơn.

Hấp phụ là một quá trình bề mặt thuần túy, bao gồm sự tương tác của các phân tử hoặc ion của chất hấp phụ (khí hoặc chất tan) với bề mặt chất hấp phụ do lực van der Waals, liên kết hydro, lực tĩnh điện. Tốc độ của quá trình này cao và sự hấp phụ xảy ra ngay lập tức.

ngưng tụ mao mạch là quá trình hóa lỏng hơi nước trong các lỗ của chất hấp phụ rắn. Hơi nước chỉ có thể ngưng tụ ở nhiệt độ dưới mức tới hạn. Nếu chất lỏng thu được làm ướt thành mao mạch, tức là. bề mặt của chất hấp phụ, khi đó các mặt khum lõm được hình thành trong mao mạch là kết quả của sự hợp nhất của các lớp hấp phụ lỏng xuất hiện trên thành mao mạch. Sự ngưng tụ mao quản xảy ra dưới tác động không phải của lực hấp phụ mà là lực hút của các phân tử hơi lên bề mặt của một mặt khum chất lỏng lõm trong lỗ chân lông. Nó diễn ra khá nhanh và kết thúc trong vòng vài phút.

Hấp thụ hóa học- Đây là quá trình hấp phụ xảy ra dưới tác dụng của các lực hóa trị bazơ nên được xếp vào loại hấp phụ hóa học.

Câu 2. Sự hấp phụ vật lý, hóa học và đặc điểm của chúng

Sự hấp phụ trên bề mặt chất rắn có thể được giải thích bằng sự hiện diện của các trường lực hấp dẫn phát sinh do các liên kết không cân bằng trong mạng tinh thể.

Lực hấp phụ bao gồm lực tương tác hóa trị (hóa học) và lực van der Waals yếu hơn (vật lý). Vai trò của cả hai trong các trường hợp hấp phụ khác nhau là khác nhau. Do đó, ngay khi bắt đầu quá trình hấp phụ của hầu hết các loại khí, khi áp suất của chúng thấp, sự hấp phụ hóa học được quan sát thấy; với áp suất ngày càng tăng, nó nhường chỗ cho vật lý, yếu tố chủ yếu quyết định sự hấp phụ của khí. Sự hấp phụ bị ảnh hưởng không chỉ bởi bản chất của chất hấp phụ mà còn bởi chất hấp phụ. Trên các chất hấp phụ rắn, những khí dễ hóa lỏng hơn sẽ bị hấp phụ mạnh hơn, tức là nhiệt độ tới hạn cái nào cao hơn.

Hấp phụ vật lý là một quá trình tỏa nhiệt thuận nghịch; Khi nhiệt độ tăng thì khả năng hấp phụ giảm và quá trình giải hấp tăng. Nhiệt hấp phụ vật lý thấp và thường lên tới 8-20 kJ/mol. Sự hấp phụ vật lý không có tính chất chọn lọc cụ thể. Ngược lại, sự hấp thụ hóa học là cụ thể. Nó phụ thuộc cả vào bản chất của chất hấp phụ và bản chất của chất bị hấp phụ. Năng lượng liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ khá cao và xấp xỉ bằng nhiệt tạo thành hợp chất hóa học(80-800 kJ/mol). Khi nhiệt độ tăng, quá trình hấp phụ hóa học tăng theo quy luật động học hóa học và cân bằng phản ứng không đồng nhất. Quá trình hấp phụ hóa học thường không thể đảo ngược và dẫn đến sự hình thành các hợp chất bề mặt mạnh giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

Cần lưu ý rằng hiện tượng hấp phụ vật lý và hóa học chỉ được phân biệt rõ ràng trong những trường hợp cực đoan. Thông thường, các phương án trung gian được thực hiện khi phần lớn chất bị hấp phụ liên kết tương đối yếu (hấp phụ vật lý) và chỉ liên kết một chút. hầu hếtđược liên kết chặt chẽ và có thể được loại bỏ bằng cách gia nhiệt và hút bụi kéo dài (hấp phụ hóa học). Ví dụ, oxy trên kim loại hoặc hydro trên niken được hấp phụ ở nhiệt độ thấp theo định luật hấp phụ vật lý, nhưng khi nhiệt độ tăng lên, sự hấp phụ bắt đầu xảy ra với năng lượng kích hoạt đáng chú ý. Trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, sự gia tăng hấp phụ hóa học sẽ chồng lấp sự giảm hấp phụ vật lý.

Câu 3. Nguyên lý cơ bản của lý thuyết hấp phụ

Có các lý thuyết: hấp phụ đơn phân tử (lý thuyết hấp phụ đơn phân tử của Langmuir), lý thuyết hấp phụ đa phân tử (lý thuyết hấp phụ đa phân tử của Polyany) và lý thuyết tổng quát của Brunauer, Emmett và Teller (BET).

Câu hỏi 4. Khái niệm hấp phụ phân tử và đa phân tử. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và ý nghĩa vật lý của nó.

Năm 1915 I. Langmuir đề xuất lý thuyết hấp phụ đơn phân tử. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có giá trị đối với nhiều nồng độ và bề mặt tiếp xúc, cả chất di động (l-g, l-g) và chất rắn (s-g, s-g).

Dẫn xuất phương trình đẳng nhiệt Langmuir cho chất hấp phụ rắn dựa trên một số tiền đề ban đầu:

1) lực hấp phụ tương tự như lực hóa trị cơ bản và tác dụng trong khoảng cách ngắn;

2) không phải toàn bộ bề mặt có hoạt động hấp phụ mà chỉ có một số trung tâm hoạt động nhất định nằm chủ yếu trên các vùng lồi của bề mặt: các phần nhô ra, các cạnh, góc;

3) Các phân tử của khí hấp phụ được cố định trên các trung tâm hấp phụ, không di chuyển dọc theo bề mặt chất hấp phụ và không tương tác với nhau.

4) Mỗi ​​trung tâm hoạt động có bán kính hoạt động ngắn và có khả năng bão hòa. Do đó, trung tâm hoạt động chỉ có thể tương tác với một phân tử chất bị hấp phụ. Kết quả là chỉ có một lớp chất hấp phụ (đơn phân tử) có thể hình thành trên bề mặt chất hấp phụ (hấp phụ đơn phân tử).

5) Các phân tử bị hấp phụ chỉ được giữ lại ở một vị trí hoạt động nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Sau một thời gian, các phân tử tách ra khỏi trung tâm hoạt động và bước vào pha khí.

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của sự hấp phụ từ dung dịch có dạng:

(1)

để hấp phụ khí:

(2)

Trong đó K là hằng số cân bằng hấp phụ. Ái lực của một chất bị hấp phụ nhất định đối với một chất hấp phụ nhất định càng lớn. Ngoài bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, giá trị K còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Với nhiệt độ ngày càng tăng, quá trình giải hấp tăng cường, vì nó tăng động năng phân tử bị hấp phụ và hằng số K giảm.

Và PR là sự hấp phụ hạn chế. Giá trị của A PR phụ thuộc vào số lượng trung tâm hấp phụ trên một đơn vị bề mặt hoặc khối lượng của chất hấp phụ và kích thước của các phân tử chất bị hấp phụ. Các phân tử chất bị hấp phụ càng lớn thì diện tích lớn hơn, trên mỗi phân tử trong lớp hấp phụ và giá trị A PR càng nhỏ.

Biểu diễn đồ họa của đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được thể hiện trên hình 2. 1. Đường cong được đặc trưng bởi sự có mặt của ba phần: phần tuyến tính ban đầu, phần giữa có dạng đoạn parabol và phần tuyến tính cuối cùng chạy song song với trục hoành.

Hình 1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Phân tích phương trình Langmuir cho thấy tùy thuộc vào nồng độ chất bị hấp phụ, nó có thể có các dạng khác nhau.

Ở nồng độ thấp, khi K<<1, этой величиной в знаменателе можно пренебречь и уравнение принимает вид:

Theo biểu thức này, sự hấp phụ tăng tuyến tính khi tăng nồng độ. Trên đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ, điều kiện này tương ứng với phần đầu của đường cong (I).

Trong vùng có nồng độ cao K>>1 và sự thống nhất có thể bị bỏ qua trong mẫu số của phương trình (2), khi đó

Đẳng thức thu được cho thấy độ bão hòa của bề mặt với chất hấp phụ. Trên đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ, điều kiện này tương ứng với mặt cắt ngang tuyến tính III, trong đó giá trị hấp phụ không còn phụ thuộc vào nồng độ. Phương trình Freundlich được sử dụng để mô tả phần giữa của đường cong.

Các giá trị K và A PR trong phương trình Langmuir được xác định bằng đồ thị. Để làm điều này, hãy lấy dạng tuyến tính của phương trình. Để làm điều này, hãy chia đơn vị thành cả hai vế của phương trình (). Chúng ta nhận được một phương trình như y=a+bx:

(5)

Đồ thị là một đường thẳng (Hình 2):

Hình 2. Xác định bằng đồ thị các hằng số của phương trình hấp phụ Langmuir: OA=α=1/A pr; ОD "= 1/С 1/2=К

Đoạn của trục hoành OA=a bị cắt khi ngoại suy đường thẳng, bằng giá trịđảo ngược A PR.

Hấp phụ là sự thay đổi nồng độ của một chất tại bề mặt tiếp xúc. Cân bằng hấp phụ, tức là sự phân bố cân bằng của vật chất giữa lớp ranh giới và các pha lân cận, rất năng động và được thiết lập nhanh chóng.

Các hạt nằm trên bề mặt chất rắn có năng lượng dư thừa.

Nhờ đó, các phân tử môi trường bị hút vào kim loại và tập trung trên bề mặt của nó. Quá trình này luôn xảy ra một cách tự phát và có hiệu ứng nhiệt tích cực.

Có hai loại hấp phụ: vật lý và hóa học.

Sự hấp phụ vật lý là do lực van der Waals. Năng lượng liên kết giữa các phân tử bị hấp phụ và bề mặt kim loại thấp (khoảng 40-50 kJ/mol). Trạng thái cân bằng được thiết lập nhanh chóng. Các chất bị hấp phụ có thể dễ dàng loại bỏ khỏi bề mặt. Sự hấp phụ vật lý được thể hiện rõ nhất ở nhiệt độ thấp gần với nhiệt độ ngưng tụ của chất bị hấp phụ.

Hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ kèm theo phản ứng hóa học giữa các phân tử của chất bị hấp phụ và kim loại. Năng lượng liên kết giữa các nguyên tử ước tính khoảng 150-160 kJ/mol. Liên kết xảy ra giữa kim loại và chất oxy hóa có bản chất là ion. Kim loại nhường electron cho nguyên tử của chất bị hấp phụ. Quá trình hấp phụ hóa học xảy ra rất nhanh (một phần giây). Bề mặt bên ngoài của màng hấp phụ được tích điện âm và bề mặt bên trong mang điện tích dương.

Lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường và nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí hoặc pha lỏng.

gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ.

Lần đầu tiên cơ sở lý thuyếtđường đẳng nhiệt hấp phụ được đưa ra bởi Langmuir. Ông đã đưa ra một số giả định để đơn giản hóa mô hình quy trình.

Người ta đã giả định rằng:

bề mặt của chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lượng;

các hạt hấp phụ trên bề mặt không tương tác với nhau theo bất kỳ cách nào;

có một hạt chất bị hấp phụ trên mỗi trung tâm bề mặt hoạt động;

Chỉ có thể hình thành lớp hấp phụ đơn phân tử.

sẽ tỷ lệ thuận với áp suất khí P và kích thước bề mặt tự do của kim loại

Hằng số đặc trưng cho tốc độ của quá trình hấp phụ.

Tốc độ quá trình ngược lại- giải hấp - sẽ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt bị chiếm giữ bởi các phân tử phản ứng:

phần bề mặt kim loại bị chiếm bởi các hạt hấp phụ.

Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp:

(3.2), ta có:

Giải phương trình (3.4) cho b, ta thu được:

trong đó b là hệ số hấp phụ.

Phương trình (3.6) được gọi là đường đẳng nhiệt. Biểu thức đồ họa của nó được đưa ra trong hình. 3.3.

một mặt cắt ngang thu được tương ứng với

sự hình thành của một lớp đơn đầy.

hoặc ở áp suất khí thấp

và từ (3.6) ta có:

Trong những điều kiện này, mức độ lấp đầy bề mặt nhỏ và tỷ lệ thuận với áp suất.

Biểu thức (3.7) phản ánh định luật phân bố và được gọi là đường đẳng nhiệt Henry.

Và

chúng ta thu được từ phương trình (3.6):

Điều này có nghĩa là tất cả các trung tâm hoạt động trên bề mặt kim loại đều được lấp đầy hoàn toàn bằng chất bị hấp phụ và việc tăng thêm áp suất riêng phần của nó trong pha khí không ảnh hưởng đến lượng chất được hấp phụ trên bề mặt chất rắn. Phần bên phải trên đường đẳng nhiệt tương ứng với trạng thái này, tức là đường thẳng (Hình 3.3).

Nếu hỗn hợp khí bị hấp phụ trên bề mặt kim loại thì mức độ lấp đầy bề mặt ừm khí được tính bằng phương trình

trong đó tổng được lấy trên tất cả n thành phần của hỗn hợp khí.

Trong hầu hết các trường hợp bề mặt kim loại cứng không đồng nhất về mặt năng lượng. Nó là một loạt các nền tảng cơ bản với nhiệt khác nhau sự hấp phụ.

Số liệu thực nghiệm được mô tả chính xác hơn bằng phương trình:

Hệ số phản ánh hàm phân bố, ao là hệ số hấp phụ ở nhiệt hấp phụ cao nhất.

Biểu thức (3.9) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ logarit. Nó lần đầu tiên được mô tả bằng thực nghiệm trong các tác phẩm của A.N. Frumkin và A.I. Shlygina. Đạo hàm lý thuyết của phương trình đường đẳng nhiệt này được thực hiện bởi M.I. Temkin.

Sự hấp phụ có thể là đơn phân tử hoặc đa phân tử. TRONG trường hợp sau Một số lớp được hình thành trên bề mặt chất hấp phụ. Lớp đơn phân tử đầu tiên được tạo ra bởi lực tương tác giữa bề mặt chất rắn và chất hấp phụ. Lớp thứ hai và các lớp tiếp theo được giữ bởi lực van der Waals. Các lớp hấp phụ phân bố không đều trên bề mặt. Ở một số khu vực có thể có hai hoặc ba lớp. Đồng thời, các khu vực có thể vẫn được bao phủ bởi một lớp đơn hoặc hoàn toàn không có chất hấp phụ (Hình 3.5).

Trong hình. Hình 3.4 thể hiện đường đẳng nhiệt hấp phụ oxy. Phần ab và bc tương ứng với sự hấp phụ đơn phân tử, trong khi phần tương ứng với sự hấp phụ đa phân tử. Trong hình. Hình 3.5 biểu diễn sơ đồ lấp đầy bề mặt kim loại bằng chất bị hấp phụ theo lý thuyết Brunauer.