Адсорбция газов и паров на пористых телах

Особенности адсорбции

Связнодисперсные (структурированные) системы отличаются от свободнодисперсных характером взаимодействия, частицы дисперсной фазы в них связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил. Такие системы называются пористыми телами. Большинство пористых, особенно высокопористых тел можно представить как более или менее жесткие про- странственные структуры — сетки или каркасы (в коллоидной химии такие системы называют гелями — уголь, торф, древесина, картон, бумага, ткани, зерно, кожа, глина, почва, слабообожженныс керамические материалы). При изменении дисперсности макропористые тела переходят в микропористые с размерами пор, соизмеримыми с размерами молекул. В этом случае, как и в случае свободнодиснерсных систем, представление о внутренней поверхности теряет физический смысл. Адсорбция газов и паров на пористых телах имеет особенности, связанные со строением пористых тел (наличием внутренней межфазной поверхности). Адсорбционная способность, то есть удерживание газов и паров пористыми телами зависит как от природы взаимодействующих тел, так и от структуры пористого тела (количества и размеров пор и капилляров, распределения их по объему, пористости и т.п.). Для описания адсорбции в зависимости от дисперсности используются различные теории и уравнения (табл. 2.4).

Описание поверхностных явлений в пористых телах

Таблица 2.4

Размеры частиц, м

Название

Теории и уравнения

<210''

микропористые

Теория объемного заполнения микропор

210 '9 -5-2-10'7

иереходнопористые

(мезапористые)

Теория БЭТ и уравнение Томсона — Кельвина

> 2*10"7 м

макропористые

Уравнения Генри и Ленгмюра

Адсорбционная способность пористых тел по отношению к влаге может сильно отличаться, так как они вступают с жидкостью в связи, различные по природе:

  • - химические, которые реализуются при сольватации, когда молекулы жидкости входят в структуру кристалла, и удалить влагу можно только с помощью химической реакции или прокаливания;
  • - физико-химические, которые проявляются при адсорбции, благодаря молекулярным силам Ван-дср-Ваальса и водородным связям;
  • - физико-мсханичсскис, обусловленные капиллярными силами.

Положительная адсорбция на пористых телах возможна при наличии достаточного сродства между адсорбентом и адсорбатом для смачивания. На практике в качестве адсорбентов, предназначенных для разделения, извлечения и очистки веществ, применяют специально синтезированные высокопористые тела — активные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты, которые отличают большая удельная поверхность, механическая прочность и избирательность. Чтобы увеличить адсорбцию, подбирают такие адсорбенты, которые получены из веществ, имеющих большое сродство к данному адсорбату (табл. 2.5).

При малых давлениях в макро- и мезапористых адсорбентах адсорбция определяется преимущественно природой взаимодействующих компонентов. Микропористая структура обеспечивает резкое увеличение адсорбционного потенциала, поэтому для увеличения поглотительной способности адсорбентов при малых давлениях изменяют их структуру, превращая в микропористые тела (например, активирование углей).

С увеличением давления газа или пара начинают действовать капиллярные силы в мсзапористых структурах. При этом адсорбционный потенциал возрастает и конденсация происходит при меньшем давлении: чем меньше размер пор, тем при более низких давлениях они заполняются.

Адсорбция газов на древесном угле при 288 К

Таблица 2.5

Газ

Молярная масса, г

Температура кипения, К

Температура

кристаллизации,

К

Поверхностное

натяжение,

мДж/м2

Адсорбция, г/см3

so2

64

263

430

37,2

379,7

NH3

17

240

405

35,6

180,9

N20

44

183

309

26,3

54,2

с2н2

26

189

308

18,2

48,9

С02

44

195

304

16,5

47,6

СО

28

81

134

12,1

9,3

N2

28

77

126

10,5

8,0

н2

2

20

33

2,8

4,7

Избирательность адсорбции определяется природой подлежащих разделению газов и паров. При малых давлениях избирательность определяется сродством к поверхности адсорбента: чем больше различие в сродстве адсорбируемых газов, тем легче разделить смесь. Для микропористых адсорбентов дополнительную роль играет молекулярно-ситовой эффект. С увеличением давления или с понижением температуры при наступлении конденсации в мезапорах основное влияние на разделение начинает оказывать природа газов и их способность к конденсации (чем меньше давление, при котором газ начинает конденсироваться, темн лучше он будет адсорбироваться).

Макропоры имеют малую поверхность и поэтому доля адсорбированного в них вещества небольшая. Основная роль макропор в адсорбентах заключается в обеспечении транспортирования молекул адсорбата к меза- и микропорам.

Пористость и дисперсность определяют удельную поверхность адсорбентов, с увеличением которой растет количество извлекаемого вещества, приходящегося на единицу массы — емкость адсорбента. При одной и той же массе адсорбента с ростом удельной поверхности уменьшается равновесная концентрация в объеме раствора. Удельная поверхность выступает в роли термодинамического параметра дополнительно к давлению и температуре.

Структура пористого тела может в значительной степени влиять и на кинетику адсорбции, так как одна из стадий процесса связана с переносом вещества внутри пор и для нее характерен диффузионный механизм. Часто эта стадия определяет время установления адсорбционного равновесия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >