Адсорбция ее сущность кратко

Обновлено: 02.07.2024

АДСО́РБЦИЯ (от лат. ad – на и sorbeo – по­гло­щать), по­гло­ще­ние ве­ще­ст­ва из га­зо­вой фа­зы или жид­ко­го рас­тво­ра по­верх­но­ст­ным сло­ем твёр­до­го те­ла или жид­ко­сти. Яв­ле­ние А. вы­зы­ва­ет­ся на­личи­ем ад­сорбц. cилового по­ля, соз­да­вае­мо­го за счёт не­ском­пен­си­ро­ван­но­сти меж­мо­ле­ку­ляр­ных cил в по­верх­но­ст­ном слое. Ве­ще­ст­во, соз­даю­щее та­кое по­ле, на­зы­ва­ет­ся ад­сор­бен­том, ве­ще­ст­во, мо­ле­ку­лы ко­то­ро­го мо­гут ад­сор­би­ро­вать­ся, – ад­сор­бти­вом, уже ад­сор­би­ров. ве­ще­ст­во – ад­сор­ба­том. Про­цесс, об­рат­ный А., – де­сорб­ция. А. – ча­ст­ный слу­чай сорб­ции . При­ме­не­ние ад­сорбц. про­цес­сов да­ти­ру­ет­ся кон. 18 в., ко­гда не­зависи­мо и прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но поя­ви­лись три пуб­ли­ка­ции: итал. на­ту­ра­лист Ф. Фон­та­на и К. Шее­ле в 1777 опи­са­ли по­гло­ще­ние га­зов дре­вес­ным уг­лем, в 1785 Т. Е. Ло­виц об­на­ру­жил спо­соб­ность та­ких уг­лей обес­цве­чи­вать рас­тво­ры вин­ных ки­слот, по­гло­щая ор­га­нич. при­ме­си.

– дать обучающимся представления о адсорбции и поверхностных явлениях; показать многообразие видов адсорбции; изучить законы, описывающие адсорбцию;
– познакомить обучающихся с адсорбентами;
– показать практическое значение адсорбции в различных отраслях промышленности, в природе и повседневной жизни;
– обеспечить усвоение знаний обучающихся на 1 уровне.

– развитие познавательных способностей обучающихся; умения анализировать, сравнивать и обобщать известные факты.

– способствовать дальнейшему воспитанию экологического сознания, развитию патриотического воспитания, знакомя студентов с достижениями русских ученых в исследовании поверхностных явлений и адсорбции.

– дать понятие адсорбции и поверхностных явлениях;
– показать уравнения, описывающие указанные процессы;
– рассмотреть применение адсорбции в повседневной жизни и промышленности;
– показать возможности адсорбции для противодействия загрязнению окружающей среды и пределы этих возможностей.

Тип занятия: изучение нового материала.

Метод проведения: объяснение с элементами беседы, с использованием технических средств, опытов и натуральных образцов.

1. Дидактический раздаточный материал.
2. Компьютер: слайд-фильм с использованием программы-презентации Power Point;
3. Пробирки, воронки, фильтры, растворы йода, крахмала, метиленового синего, метилвиолета, спиртовки, уголь активированный.

Содержание и ход занятия

1. Организация группы.

Проверяет состояние кабинета, отмечает отсутствующих.

2. Мотивация учебной деятельности. Педагог сообщает тему, цели занятия, порядок его проведения.

3. Актуализация опорных знаний.

Педагог задает вопрос: Почему капля воды имеет форму, близкую к форме шара? Что такое поверхностное натяжение?

Ответ: Молекулы поверхностного слоя жидкости на границе с газом обладают запасом потенциальной энергии, то есть поверхностной энергии. С увеличением поверхности возрастает и общая поверхностная энергия. Любая гетерогенная система имеет поверхностную энергию

где F —общая энергия поверхности; S — площадь поверхности; — удельная (приходящаяся на 1 м 2 ) поверхностная энергия — поверхностное натяжение.

Энергия системы стремится к уменьшению. В гетерогенных системах возможным путем уменьшения поверхностной энергии является сокращение поверхности, и поэтому капля жидкости имеет форму шара (шар имеет минимальную поверхность).

4. Изучение нового материала.

4.1. Адсорбция, её сущность.
4.2. Адсорбция на границе твердое тело–газ.
4.3. Адсорбция на границе твердое тело–раствор.
4.4. Обменная адсорбция.
4.5. Адсорбция из многокомпонентных растворов. Хроматография.
4.6. Адсорбция на границе раствор-газ.
4.7. Адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.

4.1. Адсорбция, её сущность.

Поверхность твердых тел самопроизвольно уменьшаться не может, она постоянна. Тогда уменьшение поверхностной энергии происходит при снижении поверхностного натяжения, что происходит при поглощении молекул газа или растворенного вещества поверхностью твердого тела. Поглощение каким-либо веществом других веществ называется сорбцией. Если этот процесс идет только на поверхности, то его называют адсорбцией. Адсорбция — это увеличение концентрации вещества на границе раздела фаз. Если поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя и распределяется по объему, то это явление называется абсорбцией. Примером абсорбции может служить поглощение водорода платиной и палладием. При обычной температуре 1 об. ч. палладия может растворить более 700 об. ч. водорода. При нагревании палладия в вакууме водород выделяется. Абсорбцией является также поглощение паров воды серной кислотой.

То вещество (обычно твердое), на поверхности которого идет адсорбция, принято называть адсорбентом, а вещество, которое адсорбируется, — адсорбтивом. Адсорбцию Г обычно выражают количеством адсорбтива х, приходящимся на единицу площади поверхности адсорбента S (моль/м 2 ):

Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию а относят к единице массы адсорбента m: a = x/m

Вопрос педагога: На границе каких поверхностей может происходить адсорбция?

Ответ: Адсорбция может идти на поверхности раздела фаз: газ — твердое тело, раствор — твердое тело, газ — раствор, жидкость — раствор.

4.2. Адсорбция на границе твердое тело–газ.

Рассмотрим адсорбцию на границе твердое тело-газ. Адсорбция газов и паров твердыми адсорбентами была известна давно. Еще в XVIII в, открыта способность свежепрокаленного древесного угля поглощать газы, а в период первой мировой войны был создан противогаз благодаря работам русского химика Н.Д.Зелинского.

Адсорбция газа на твердом адсорбенте идет самопроизвольно. Одновременно с адсорбцией протекает противоположный процесс — десорбция — переход адсорбированных молекул в газовую фазу. При равенстве их скоростей наступает равновесие: адсорбция - десорбция. С повышением температуры адсорбция уменьшается, а понижение температуры, наоборот, увеличивает адсорбцию. Поэтому адсорбционное равновесие всегда рассматривают при постоянной температуре.

Обучающиеся проводят опыт: В пробирку налить 2-3 мл крахмального раствора и добавить немного иодной воды. Жидкость окрашивается в синий цвет из-за образования адсорбционного соединения иода с крахмалом. Содержимое пробирки нагреть до исчезновения окраски, а затем охладить. Что наблюдается? Как зависит адсорбция и десорбция от температуры? Графическая зависимость адсорбции от равновесного давления при условии постоянства температуры называется изотермой адсорбции.

На рис. 1 показаны две изотермы адсорбции, отвечающие температурам Т₁ и Т₂, причем Т ₁ 1/n

где х — количество адсорбированного газа; m — масса адсорбента; р — равновесное давление газа; К и 1/n — постоянные.

Формула Фрейндлиха применима для сравнительно небольшого интервала средних значений давления, для того интервала, где изотерма адсорбции имеет криволинейный характер. В широком интервале давлений изотерму адсорбции описывает уравнение Ленгмюра:

4.3. Адсорбция на границе твердое тело–раствор

А сейчас рассмотрим адсорбцию на границе твердое тело–раствор. Русский ученый Т.Е. Ловиц впервые предложил применять уголь для очистки спирта от сивушных масел и для удаления из воды неприятно пахнущих веществ (дезодорация воды).

Адсорбция из растворов на твердом адсорбенте — процесс более сложный, чем адсорбция газов, необходимо учитывать взаимодействие растворитель — адсорбент и растворитель — растворенное вещество.

В качестве адсорбентов наиболее часто применяют древесный или костный уголь, силикагель, глины, пористые стекла. Обычный древесный уголь имеет невысокую адсорбционную способность, так как поры его заполнены смолами и продуктами неполного сгорания, образующимися при его получении. Для повышения адсорбционной способности угля его активируют, нагревая в атмосфере водяного пара и тем самым освобождая поры его от ненужных веществ. Удельная поверхность активного угля, т. е. суммарная поверхность всех пор 1 кг угля, может достигать больших значений.

Другим широко применяемым адсорбентом является силикагель – диоксид кремния. Силикагель выпускается в виде пористых крупинок. Новым типом адсорбентов являются пористые стекла, получаемые при удалении из стекол щелочных и щелочноземельных компонентов. Широко используются как адсорбенты предварительно активированные кислотой глины — бентониты, осадочные горные породы — диатомит (кизельгур), трепел. Их применяют для очистки сиропов, соков, масел, нефтепродуктов.

Педагог демонстрирует образцы адсорбентов.

Все адсорбенты можно разбить на два основных типа: гидрофильные, которые хорошо смачиваются водой, и гидрофобные, которые водой не смачиваются, но смачиваются неполярными органическими жидкостями. К гидрофильным адсорбентам относятся силикагель, глины, пористое стекло. Их не следует применять при адсорбции растворенных веществ из водных растворов, так как они могут адсорбировать растворитель — воду. Эти адсорбенты целесообразнее использовать при адсорбции из неводных растворов. Гидрофобные адсорбенты — активный уголь, графит, тальк — хорошо адсорбируют из водных растворов, так как сами они водой не смачиваются. Большое значение для адсорбции имеет пористость адсорбента.

Обучающиеся проводят опыты. Опыт 1. Адсорбция углем и силикагелем раствора фуксина.

В 2 пробирки приливают по 5 мл раствора фуксина, в одну пробирку вносят 0,5г истолченного активированного угля, а во вторую 0,5 г силикагеля, взбалтывают в течение 4-5мин и фильтруют. Отмечают окраску растворов, отвечают на вопросы: Почему используется истолченный уголь? Какой адсорбент: уголь или силикагель можно использовать для очистки воды?

Опыт 2. Влияние растворителя на адсорбцию. Разбавленный раствор метилвиолета хорошо взболтать с порошком угля и отфильтровать. Когда вся жидкость отфильтруется, на фильтр с углём прилить немного спирта. Какого цвета спиртовый раствор капает из воронки? В каком растворителе лучше растворяется метилвиолет? Из водного или спиртового раствора лучше адсорбируется метилвиолет углем?

Педагог: Очень сложна зависимость адсорбции от строения молекул адсорбтива. Многие молекулы органических веществ (кислот, спиртов, аминов) состоят из двух частей: полярной группы и неполярного углеводородного или ароматического радикала. Например, молекула уксусной кислоты состоит из полярной группы —СООН и неполярного углеводородного радикал —СН₃. Такие молекулы называются дифильными. К полярным относятся группы —ОН, —NH₂, —SH, —CN, —NO₂, —СНО, —SO₂OH. Эти группы являются гидрофильными. В отличие от них углеводородные и ароматические радикалы гидрофобны и сольватируются молекулами неполярных растворителей. Схематически дифильные молекулы изображают в виде символа —О, в котором прямой чертой обозначен углеводородный (неполярный) радикал, а кружком — полярная группа.

Дифильные молекулы растворенного вещества при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности так, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная — к неполярной. Например, при адсорбции органической кислоты из водного раствора на неполярном адсорбенте – угле, молекулы ее будут ориентироваться, как показано на рис. 3. При адсорбции этой же кислоты из ее раствора в бензоле (неполярный растворитель) на полярном адсорбенте — силикагеле ориентация будет другой.

Уголь обычно применяют как адсорбент для водных растворов. Например, в спиртовом производстве из водноспиртовой смеси адсорбцией на угле удаляют сивушные масла. В сахарной и крахмало-паточной промышленности углем обесцвечивают сахарные и глюкозные сиропы. Гидрофильные адсорбенты (силикагель, глины) используют для очистки масел, нефтепродуктов.

4.4. Обменная адсорбция

Для очистки воды используют обменную адсорбцию.

Обменная адсорбция – это процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой — адсорбентом. При этом твердая фаза поглощает из раствора ионы одного знака (катионы или анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Обменная адсорбция имеет большое значение для земледелия, т. к. от природы поглощенных почвой катионов зависит ее плодородие. К обмену ионов способны не только почвы, но и ряд природных и синтетических силикатов.

Были синтезированы ионообменные смолы — катиониты (обменивают катионы ) и аниониты (обменивают анионы)

Наиболее важное применение ионитов — это получение в производственных условиях деминерализованной воды, т. е. воды, не содержащей растворенных солей, включая и соли, определяющие жесткость воды. Для полного обессоливания воды ее последовательно пропускают через катионитовый и анионитовый фильтры.

RH(т) + NaCl (р-р), RNa (т) + НС1 (р-р)

При последующей обработке воды анионитом в ОН-форме поглощаются анионы (хлорид-ионы)

R'OH (т) + НС1 (р-р), R'Cl (т) + Н₂O

где RH и R'OH –смола, способная к обмену катионов или анионов соответственно.

Подобные процессы идут при удалении из воды и других солей.

Иониты легко регенерируют обработкой растворами кислот (катионит) или растворами едкого натра или соды (анионит). Иониты используются при очистке заводских сточных вод. В сточных водах многих производств содержатся ионы тяжелых металлов — хрома, меди, свинца и т. п. Все они очень вредны для живых организмов окружающей среды и в то же время очень ценны для народного хозяйства. Их выделяют, пропуская воду через ионит. Ионитная очистка используется в сахарной промышленности для очистки диффузного сока от электролитов — патокообразователей, что позволяет повысить выход сахара и уменьшить количество менее ценной патоки. Широко используются иониты в виноделии. Обработка виноматериалов ионитами позволяет удалить из них катионы металлов, способствующие помутнению вина. Анионитной обработкой можно удалить из фруктовых соков кислоты, имеющие неприятный вкус (например, яблочную) и заменить их другими. В ликеро-водочном, пивоваренном производствах и производстве фруктовых вод проводят ионитную обработку воды.

4.5. Адсорбция из многокомпонентных растворов. Хроматография

Явление адсорбции используется в хроматографии — метода разделения и анализа сложных многокомпонентных смесей. Впервые этот метод был предложен русским ботаником М. С. Цветом для разделения на составные компоненты хлорофилла. Пропуская раствор хлорофилла через стеклянную трубку, заполненную оксидом алюминия, М. С. Цвет обнаружил, что различные компоненты этого сложного вещества адсорбируются на разных уровнях по высоте колонки. В верхней части, очевидно, накапливается компонент, обладающий наибольшей адсорбционной способностью, затем с меньшей. Так как отдельные компоненты хлорофилла окрашены, то эти зоны легко отличить по окраске. Такой окрашенный столбик адсорбента М. С. Цвет' назвал хроматограммой сам метод анализа – хроматографическим. С помощью хроматографического метода можно разделять сложные органические вещества, даже близкие по строению, а также неорганические соединения. Если промывать. хроматографическую колонку (см. рис. 4) чистым растворителем, зоны будут перемешаться вниз. В растворе можно анализировать компоненты, получим адсорбционную хроматограмму, по которой можно рассчитать состав раствора. Хроматография очень широко применяется для разделения витаминов, аминокислот, ферментов, лекарственных и других веществ.

4.6. Адсорбция на границе раствор–газ.

При адсорбции на границе раствор-газ изменяется поверхностное натяжение. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, увеличивающие поверхностное натяжение или его не изменяющие, называются поверхностно-неактивными или поверхностно-инактивными. Поверхностно-активными веществами относительно воды являются многие органические соединения – жирные кислоты, их соли, спирты, амины. Относительно воды поверхностно-неактивными веществами являются все неорганические электролиты — соли, кислоты, щелочи. Примером вещества, практически не изменяющего поверхностного натяжения воды, является сахароза. Поверхностная активность дифильных молекул ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Согласно правилу (правило Траубе), по которому в гомологическом ряду нормальных жирных кислот поверхностная активность по отношению к воде возрастает приблизительно в 3,2 раза на каждую группу —СН₂—.

Молекулы ПАВ на границе системы водный раствор – газ образуют адсорбционный слой, толщиной в одну молекулу, если их концентрация достаточна. (Cм. рис. 7). При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе строение адсорбционного слоя и его поверхностное натяжение не изменяются.

4.7. Адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей

При введении поверхностно-активного вещества в одну из жидкостей оно адсорбируется на границе раздела фаз и снижает межфазное поверхностное натяжение. Дифильные молекулы ПАВ своей полярной частью ориентированы к полярной жидкости (воде), а неполярной частью — к неполярной жидкости (бензолу, маслу и т. п.). Они могут находиться в одной из жидкостей, или на границе, это зависит от активности полярной и неполярной групп, как показано на рис. 8.

Поверхности веществ могут быть гидрофильными (смачиваться водой) и гидрофобными (не смачиваться водой), что показано на рис. 9.

ПАВ могут улучшить смачиваемость поверхности, они адсорбируются своими полярными частями к воде и поверхность становится гидрофильной, что показано на рис. 10.

Смачивание используют при обогащении руд, углей. К суспензии бедной руды в воде добавляют ПАВ, которое гидрофобизирует поверхность частиц ценной породы. Пустая порода смачивается водой и тонет, а ценная порода при пропускании воздуха всплывает. Этот процесс называют флотацией.

Процесс поглощения газов (паров) или жидкостей поверхностью твердых тел (адсорбентов) называется адсорбцией. Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощаемого вещества.

В промышленности адсорбцию применяют для отбензинивания попутных и природных газов, при разделении газов нефтепереработки для получения водорода и этилена, осушки газов и жидкостей, выделения низкомолекулярных ароматических углеводородов, для очистки масел. Явление адсорбции используется в хроматографии, в противогазах.

По сравнению с другими массообменными процессами адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извлекаемых компонентов в исходной смеси и поэтому адсорбцию обычно используют на конечных технологических стадиях процессов.

Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При физической адсорбции молекулы адсорбента и поглощаемого вещества не вступают в химическое взаимодействие. При хемосорбции имеет место химическое взаимодействие молекул поглощаемого вещества с адсорбентом. При этом физическая адсорбция всегда обратима, а хемосорбция может быть необратимой. Для процессов хемосорбции характерны закономерности химических реакций ( осуществляется со значительной энергией активации, экзо - или эндотермический эффект реакции, с повышением температуры ее скорость возрастает по закону Аррениуса, и др.)

Физическая адсорбция  процесс экзотермический, т.е. идет с выделением тепла. Для газов и паров величина теплоты адсорбции мала и примерно равна теплоте их конденсации.

Исчерпание адсорбционной способности — проскок определяет время защитного действия адсорбента по отношению к данному компоненту. Количество вещества, адсорбируемого поверхностью, определяется состоянием равновесия и зависит от природы адсорбента и адсорбируемого вещества, концентрации последнего в исходной смеси, температуры процесса, а при адсорбции газовой фазы и от давления.

Адсорбируемость углеводородов обычно возрастает с увеличением их молекулярной массы, однако более значительное влияние оказывают структура и размеры их молекул.

Так, парафиновые и нафтеновые углеводороды поглощаются в меньшей степени, чем ароматические. Для ароматических углеводородов адсорбируемость возрастает с увеличением числа циклов в молекуле.

Сернистые соединения лучше сорбируются, чем содержащие их парафиновые и нафтеновые углеводороды, и имеют близкую адсорбируемость к ароматическим углеводородам. Это затрудняет отделение сернистых соединений от ароматических путем адсорбции.

Кислородные, смолистые и особенно азотистые органические соединения, содержащиеся в нефтях и нефтепродуктах, отличаются значительно более высокой адсорбируемостью, чем углеводороды, и отделение этих веществ от углеводородной смеси происходит сравнительно легко.

Непредельные низкомолекулярные углеводороды (этилен, пропилен) адсорбируются лучше, чем соответствующие предельные их аналоги (этан, пропан).

Адсорбируемость более высокомолекулярных непредельных углеводородов изучена недостаточно.

Использование адсорбции для разделения смесей, содержащих непредельные углеводороды, в ряде случаев осложняется тем, что в процессе разделения эти углеводороды подвергаются каталитическому воздействию адсорбента, в связи с чем могут происходить их химические превращения, например полимеризация.

Некоторые адсорбенты, например активированный уголь, преимущественно адсорбируют углеводороды, имеющие более высокую температуру кристаллизации, вследствие чего используются для депарафинизации жидких нефтепродуктов

5 .2 Характеристики адсорбентов

Адсорбенты  пористые твердые вещества с сильно развитой поверхностью пор. Удельная поверхность пор может составлять от 200 до 1000 м 2 / г, а средний радиус пор от 0,2 до 10 нм. Адсорбенты применяют в виде таблеток или шариков размером от 2 до 6 мм, а также порошков размером от 20 до 500 мкм. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, алюмосиликаты, цеолиты и др. Цеолиты (молекулярные сита) - синтетические адсорбенты с регулируемым размером пор, представляющий собой алюмосиликаты натрия и калия. Синтетические адсорбенты активнее, но значительно дороже природных. В качестве адсорбентов используются активированный уголь, силикагель, алюмосиликаты, цеолиты и др.

Общая химическая формула Ме_2/пО А1₂0₃ xSi0₂ уН₂0, где Me — катион щелочного металла; п — его валентность. В качестве катионов в состав природных цеолитов обычно входят натрий, калий, кальций, реже магний, барий, стронций. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами Si0₄ и А10₄. В качестве природных цеолитов используют различные минералы: содалит, шабазит, морденит, фожазит и др.

Синтетические цеолиты имеют строение и геометрическую структуру, аналогичные природным цеолитам. Аналогами фожазита являются синтетические цеолиты типа X и Y.

Различают синтетические цеолиты типов А, X и Y.

Цеолиты типа А относятся к низкокремнистым формам: в них отношение Si0₂:Al₂0₃ не превышает 2.

Цеолиты типа X имеют мольное отношение Si0₂:Al₂0₃, которое может изменяться от 2,2 до 3,3.

Цеолиты типа Y характеризуются вышеупомянутым соотношением в пределах от 3,1 до 6. При увеличении этого показателя повышается кислотостойкость цеолитов. Размеры входных окон, определяющих избирательность цеолитов, изменяются от 3 до 9 А.

Важной характеристикой адсорбентов является их активность, под которой понимают массу адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента в условиях равновесия:

где l  масса поглощенных компонентов,

g масса адсорбента.

По отношению к разным компонентам смеси активность адсорбента различна. Так, парафиновые и нафтеновые углеводороды поглощаются в меньшей степени, чем ароматические, непредельные и гетероатомные углеводороды (содержащие атомы S, N, O). С увеличением размера молекул (молекулярной массы) сорбируемость молекул обычно возрастает.

Адсорбенты характеризуются также временем защитного действия, под которым понимают промежуток времени, в течение которого концентрация поглощаемых компонентов на выходе из слоя адсорбента не изменяется. При большем времени работы адсорбента происходит проскок поглощаемых компонентов, связанный с исчерпанием активности адсорбента. В этом случае необходима регенерация адсорбента.

В адсорберах периодического действия также имеет место износ адсорбента в результате давления вышележащего слоя адсорбента и условий десорбции. Из этих соображений высоту насыпного слоя в периодических адсорберах принимают обычно не более 3 м.

Изотерма адсорбции

Равновесие при адсорбции характеризуется определенной зависимостью между активностью адсорбента и парциальным давлением или концентрацией вещества в смеси. Состояние равновесия описывается уравнением Лэнгмюра:

где с- концентрация или парциальное давление адсорбируемого вещества;

а- активность (емкость) адсорбента,

А₁, А₂, b, d коэффициенты и показатель степени, зависящие от природы адсорбента, адсорбируемого вещества и температуры.

Приведенные уравнения называются уравнениями изотермы адсорбции (рисунок 20.1) .

Рис. 5.1 Общий вид изотермы адсорбции при разных температурах

Процесс адсорбции состоит из двух стадий: поглощения вещества поверхностью адсорбента и диффузии вещества в порах адсорбента. При адсорбции сначала поглощаются все компоненты смеси, однако после достижения состояния насыщения будет происходить обратный процесс- вытеснение молекул с меньшей степенью активности. Поэтому в слое адсорбента компоненты располагаются послойно по мере уменьшения активности. При десорбции компоненты выходят в обратном порядке. Это используется в препаративной и аналитической хроматографии.

Процессу адсорбции способствуют более низкие температуры, адсорбент для газов - повышенное давление. При удалении адсорбированных компонентов из адсорбента (при десорбции), наоборот, следует повышать температуру и понижать давление для газовых смесей.

В общем случае твердые частицы адсорбента имеют поры различного размера и формы, поэтому перенос вещества внутри гранул адсорбента может осуществляться одновременно различными способами.

Во многих случаях изменение активности адсорбента во времени удовлетворительно описывается следующим уравнением:

где а_{τ ,}а — активность адсорбента в момент времени τ и при равновесии (τ →∞); К_а — константа скорости адсорбции.

Константа скорости адсорбции К_а зависит от температуры и концентрации адсорбируемого компонента.

С увеличением температуры скорость достижения равновесного состояния возрастает, при этом величина активности в условиях равновесия будет меньше, чем при более низкой температуре. Типичные кинетические кривые адсорбции приведены на рис. 5.2.

0 τ

Рис. 5.2 Кинетические кривые адсорбции при разных температурах

5.4 ДЕСОРБЦИЯ

Для выделения поглощенных при адсорбции компонентов с целью направления их на дальнейшую переработку применяется процесс десорбции. В тех случаях, когда в газовом потоке или в растворе, проходящем через слой адсорбента, концентрации (парциальные давления) адсорбируемых компонентов ниже равновесных, данные компоненты будут покидать поверхность адсорбента и переходить в газовый (жидкостный) поток, т. е. десорбироваться. Это будет происходить до тех пор, пока не установится новое состояние равновесия.

На промышленных адсорбционных установках необходимо производить регенерацию адсорбента с целью восстановления его адсорбционной способности. Поэтому после окончания стадии адсорбции осуществляется стадия десорбции поглощенных компонентов из адсорбента.

Десорбция облегчается с повышением температуры и увеличением расхода десорбирующего агента. Десорбция газообразных и легколетучих компонентов облегчается при понижении давления в системе.

В результате десорбции адсорбционная способность адсорбента может восстанавливаться полностью или частично в зависимости от адсорбционной способности десорбируемых компонентов, выбранного метода десорбции, рабочих параметров процесса. В ряде случаев оправдано неполное восстановление активности адсорбента, так как при этом сокращаются эксплуатационные затраты.

Зависимость активности адсорбента а (по отношению к первоначальной его активности а₀) от числа регенераций N представлена на рис.5.3. Приведенная кривая показывает, что наибольшее снижение активности адсорбента наблюдается после первой регенерации. В дальнейшем активность снижается постепенно и в меньшей степени. Такой характер восстановления активности адсорбента объясняется тем, что при регенерации часть его активной поверхности остается занятой адсорбированными компонентами и в дальнейшем исключается из участия в процессе адсорбции.

При использовании в качестве десорбирующих агентов полярных растворителей активность адсорбента восстанавливается наиболее полно. При окислительной регенерации активность адсорбента восстанавливается практически полностью. Температурный режим окислительной регенерации для силикагелей обычно 300 + 350 оС, для алюмосиликатов 600 + 650 оС. Недопустим перегрев адсорбента, так как это вследствие спекания пор адсорбента приводит к снижению или полной потере его активности

Рис. 5.3 Характер восстановления активности адсорбента при регенерациях

5.5 Методы осуществления процесса адсорбции

В промышленности применяют следующие варианты процесса адсорбции:

1. с неподвижным слоем адсорбента;

2. с псевдоожиженным слоем адсорбента.

3. с движущимся слоем адсорбента;

5.5.1 Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента

Адсорберыс неподвижным слоем адсорбента представляют собой вертикальные аппараты, заполненные гранулированным адсорбентом. В промышленной практике общая высота слоя адсорбента предопределяется необходимым его объемом и величиной гидравлического сопротивления слоя адсорбента; обычно она составляет от 2 до12 м. После насыщения адсорбента стадия адсорбции прекращается, и адсорбент должен быть регенерирован. Для регенерации через слой насыщенного адсорбента пропускают водяной пар, инертный газ, растворитель и др. Иногда регенерацию адсорбента проводят, выжигая поглощенные компоненты в специальном аппарате.

Адсорбент представляет собой зерна неправильной формы размером 2-10 мм. Неподвижный режим адсорбента используют для предотвращения разрушения его.

Рис. 5.4. Распределение концентраций в потоках, покидающих адсорбер по высоте стационарного слоя адсорбента

5.5.2 Адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента

Адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента позволяют также осуществлять непрерывный процесс адсорбции. В этом случае в качестве адсорбента используются мелкие гранулы (обычно не более 500 мкм). Адсорбер должен иметь несколько слоев для уменьшения возможности проскока газов через слой адсорбента. Газ движется противотоком вверх. Конструктивно адсорбер может иметь один или несколько кипящих слоев (рис. 5.5), обеспечивающих контакт фаз в противотоке (ступенчато-противоточный адсорбер). В таком адсорбере на специальных контактных устройствах (тарелках) осуществляется взаимодействие между газом и порошкообразным адсорбентом, в результате чего адсорбент переводится в состояние псевдоожижения. Адсорбент, двигаясь сверху вниз через переточные устройства, передается с одной контактной ступени на другую. Газ движется в аппарате противотоком снизу вверх. Для отделения из газового потока частичек адсорбента перед выходом из адсорбера газ направляют в циклоны. В аппаратах с псевдоожиженным (кипящим) слоем адсорбента можно интенсифицировать процесс массопередачи при адсорбции за счет уменьшения размера гранул и более интенсивного обновления их контактной поверхности.

В процессе адсорбции с псевдоожиженным слоем адсорбента наблюдается самый интенсивный тепло-массоперенос (а также химическая реакция в каталитических процессах), поэтому есть тенденция замены стационарных процессов (адсорбции, катализа) на процессы с псевдоожиженным слоем

Использование данной технологии сдерживается следующими недостатком: образование потерь адсорбента при недостаточном пылеулавливании и необходимости добавлять свежий адсорбент.

Рис. 5.5. Схема адсорбера с псевдоожиженным слоем адсорбента:

1 — корпус; 2 — контактная тарелка; 3 — переточное устройство; 4 — циклон; 5 — люк-лаз/ Потоки: / — исходный газ; II — регенерированный адсорбент; III — отработанный газ; /V — отработанный адсорбент

5.5.3 А дсорбер с движущимся слоем адсорбента

Адсорбер с движущимся слоем адсорбента обычно представляет собой аппарат, в верхней секции которого осуществляется стадия адсорбции, а в нижней части - стадия десорбции. Для циркуляции адсорбента в системе применяют пневмотранспорт. Адсорберы с движущимся слоем адсорбентаприменяются для извлечения этилена из его смеси с водородом и метаном, водорода из смеси газов и т.п. В этом случае процесс ведется непрерывно и каждая его стадия осуществляется в определенном аппарате или части аппарата, причем адсорбент последовательно перемещается между отдельными аппаратами по системе пневмотранспорта. В качестве адсорбента часто применяется гранулированный активированный уголь. Потерянный в результате сорбент компенсируется добавлением свежего . При этом размеры зерен в процессе с движущимся слоем адсорбента в 10-30 раз крупнее , чем в псевдоожиженном , это приводит к снижению интенсивности массопереноса, а значит и увеличению размеров аппарата при той же производительности.

В зарубежной литературе процессы адсорбции с движущимся слоем адсорбента называют гиперсорбцией.

Рис. 5.6 Аппарат с движущимся слоем адсорбента -нет

5.6 О сновы расчета адсорбера

При расчете адсорбера обычно пользуются экспериментальными данными по активности адсорбента для соответствующих компонентов смеси. Общее количество поглощенных компонентов в единицу времени:

Если адсорбер имеет неподвижный слой, то при длительности процесса адсорбции будет поглощено следующее количество вещества:

Средняя активность адсорбента:

Необходимое для адсорбции количество адсорбента равно:

Расчет числа теоретических тарелок может быть выполнен с использованием изотермы адсорбции и рабочей линии по аналогии с расчетом других массобменных процессов (рисунок 20.3). Число теоретических тарелок определяется графическим построением ломаной линии между изотермой адсорбции и рабочей линией. На основе такого построения производится определение общего числа теоретических тарелок. Необходимая высота адсорбера определяется по уравнению:

где h_э - высота слоя адсорбента, эквивалентная одной теоретической тарелке, определяется экспериментально.

Рис. 20.3. Графическое определение числа теоретических ступеней изменения концентраций для адсорбера: ОС — изотерма адсорбции; АВ — рабочая линия

АДСО́РБЦИЯ -и; ж. [от лат. ad- - к и sorbere - поглощать, всасывать]. Поглощение вещества из газа или раствора поверхностным слоем жидкого или твёрдого адсорбента (используется в химии, технике и т.п. для разделения и очистки веществ).

(от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. Адсорбенты обычно имеют большую удельную поверхность — до нескольких сотен м 2 /г. Физическая адсорбция — результат действия дисперсионных или электростатических сил. Если адсорбция сопровождается химической реакцией поглощаемого вещества с адсорбентом, то она называется хемосорбцией. В промышленности адсорбция осуществляют в специальных аппаратах — адсорберах; применяют для осушки газовой очистки органических жидкостей и воды, улавливания ценных или вредных отходов производства.

АДСО́РБЦИЯ (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение какого-либо вещества (адсорбата) из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом). Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию (см. ХЕМОСОРБЦИЯ) ). Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) , которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. Существенное отличие физической адсорбции — ее обратимость. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.
Явление адсорбции связано с тем, что силы межмолекулярного взаимодействия на грАݐؑƐՠраздела фаз нескомпенсированы, и, следовательно, пограничный слой обладает избытком энергии – свободной поверхностной энергией (см. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ) . В результате притяжения поверхностью раздела фаз находящихся вблизи нее молекул адсорбата свободная поверхностная энергия уменьшается, т.е. процессы адсорбции энергетически выгодны. Адсорбция всегда является экзотермическим процессом, т. е. протекает с выделением теплоты адсорбции Hs.
Значения энтальпии (см. ЭНТАЛЬПИЯ) физической адсорбции достаточно велики (порядка 10 ккал/моль) из-за слабых атомных взаимодействий. Физическая адсорбция легко обратима, поэтому, например, в случае адсорбции газа, достаточно легко может осуществиться замена адсорбированного слоя газа другим газом. Это явление называется обменной адсорбцией.
Процесс адсорбции заканчивается установлением адсорбционного равновесия между адсорбентом и адсорбатом. Условием равновесия является равенство химических потенциалов обеих фаз. С ростом температуры или давления адсорбата в объеме увеличивается частота попаданий молекул адсорбата на поверхность адсорбента; пропорционально ей возрастает скорость адсорбции и увеличивается равновесное количество адсорбированных молекул. Кривые зависимости равновесной адсорбции от температуры или давления адсорбата называются, соответственно, изобарой и изотермой адсорбции.
Адсорбированные молекулы могут перемещаться по поверхности, совершая при этом колебательные движения, то приближаясь к поверхности, то удаляясь от нее. Время, в течение которого молекула находится на поверхности, называется временем адсорбции. С ростом температуры время адсорбции уменьшается: чем выше температура, тем интенсивнее колебательное движение, и больше вероятность того, что в процессе таких колебаний связь молекулы с поверхностью будет разорвана и молекула покинет поверхность. Процесс, при котором адсорбированные молекулы покидают поверхность, называется десорбция (см. ДЕСОРБЦИЯ) . Скоростью адсорбции (десорбции) называется отношение количества молекул, адсорбирующихся (десорбирующихся) за единицу времени, к единице поверхности или массы адсорбента. Если скорости адсорбции и десорбции равны друг другу, устанавливается адсорбционное равновесие. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и др.).
В случае контакта поверхности кристалла и жидкого раствора из жидкости на поверхность твердого тела переходят молекулы, находящиеся в растворе. Между их концентрациями в растворе и на поверхности адсорбента устанавливается равновесие. Вещества, адсорбируемые из раствора, называются поверхностно-активными веществами (см. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (ПАВ)) (ПАВ). Высокая адсорбируемость ПАВов связана с сильным снижением поверхностного натяжения (см. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ) раствора на данной поверхности по сравнению с поверхностным натяжением чистого растворителя на этой же поверхности. Инактивные вещества повышают поверхностное натяжение и ухудшают адсорбцию.
Если теплота адсорбции сравнима с поверхностной энергией адсорбента, то в процессе адсорбции может существенно меняться кристаллическая структура поверхности твердого тела, причем при физической адсорбции перестройке подвергаются в основном поверхности молекулярных кристаллов, а в случае хемосорбции изменения поверхностной структуры наблюдаются даже для металлов и ионных кристаллов. Адсорбированные на поверхности пленки сильно изменяют свойства поверхности, а в ряде случаев затрагивают и более толстые приповерхностные слои.
Адсорбция играет важную роль во многих природных процессах, таких, как обогащение почв и образование вторичных рудных месторождений. Именно благодаря адсорбции осуществляется первая стадия поглощения различных веществ из окружающей среды клетками и тканями биологических систем, функционирование биологических мембран, первые этапы взаимодействия ферментов с субстратом, защитные реакции против токсичных веществ. Многие адсорбенты (активный уголь, каолин (см. КАОЛИН) , иониты (см. ИОНИТЫ) и др.) служат противоядиями, поглощая и удаляя из организма вредные вещества. Адсорбенты обычно имеют большую удельную поверхность — до нескольких сотен м 2 /г. В промышленности адсорбцию осуществляют в специальных аппаратах — адсорберах; применяют для осушки газов, очистки органических жидкостей и воды, улавливания ценных или вредных отходов производства.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Полезное

Смотреть что такое "адсорбция" в других словарях:

АДСОРБЦИЯ — (от лат. ad на, при и sorbeo поглощаю), процесс, приводящий к аномально высокой концентрации в ва (а д с о р б а т а) из газообразной или жидкой среды на поверхности её раздела с жидкостью или тв. телом (а д с о р б е н т о м). Частный случай… … Физическая энциклопедия

Адсорбция — [adsorptio всасывание, поглощение] поглощение поверхностью фазово инородного тела (адсорбента) каких либо веществ (адсорбатов) из смежной газовой или жидкой среды, протекающее на границе раздела фаз. А. из газовой фазы или из растворов нашла… … Геологическая энциклопедия

АДСОРБЦИЯ — (от лат. ad на при и sorbeo поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. Адсорбенты обычно имеют большую удельную поверхность до нескольких сотен м²/г. Физическая адсорбция… … Большой Энциклопедический словарь

адсорбция — Самопроизвольное изменение концентрации раствора или газовой смеси вблизи поверхности раздела фаз. Примечание Адсорбирующее твердое тело называется адсорбентом, адсорбируемое вещество адсорбатом. [ГОСТ 17567 81] адсорбция Удерживание физическими… … Справочник технического переводчика

АДСОРБЦИЯ — (от лат. ad на и sorbeo поглощаю) поглощение различных веществ из растворов или воздушной среды поверхностями твердых тел. Может быть физической или химической (с образованием химических соединений), чаще всего сопровождается выделением тепла.… … Экологический словарь

адсорбция — поглощение вещества из раствора или газа поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом); играет важную роль в биол. системах, широко применяется в биохимии для разделения и очистки веществ. (Источник: «Микробиология: словарь… … Словарь микробиологии

адсорбция — и, ж. adsorption f. <лат. ad при + sorbere поглощать, всасывать. спец. Поглощение, всасывание вещества из раствора или газа поверхностью твердого тела или поверхностным слоем жидкости. Явления адсорбции. Адсорбция газов. Работы по изучению… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

адсорбция — – самопроизвольное изменение концентрации растворенного вещества на границе раздела фаз. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] Адсорбция – поглощение вещества поверхностью твердого или жидкого сорбента. Словарь по аналитической химии [3] … Химические термины

АДСОРБЦИЯ — (от латинского ad на, при и sorbeo поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. В промышленности адсорбцию осуществляют в аппаратах адсорберах. На адсорбции основаны осушка газов,… … Современная энциклопедия

АДСОРБЦИЯ — АДСОРБЦИЯ, притяжение газа или жидкости к поверхности твердого тела или жидкости, в отличие от абсорбции, при которой подразумевается проникновение одного вещества в другое (как, например, губка пропитывается водой). Количество адсорбируемого… … Научно-технический энциклопедический словарь

Читайте также:

  
• Подвиг евгения никонова кратко
  
• Аудиокнига история пугачевского бунта кратко
  
• Войска не входящие в виды и рода войск вс рф кратко
  
• Этнический состав южной африки кратко
  
• Учет объемов файлов при их хранении передаче кратко