Адсорбция -процесс изменения концентрации у поверхности раздела двух фаз, а в более узком и употребительном- это повышение концентрации одного вещества у поверхности раздела двух фаз, из которых одна обычно является твердым телом.
Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое - адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом - адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция.
Абсорбция- поглощения сорбата всем объёмом сорбента. Абсорбция - частный случай сорбции.
Абсорбция, как правило, означает поглощение газов в объёме жидкости или реже твёрдого тела. Поглощение твёрдым абсорбентом, например, водорода палладием, называют окклюзией. Для процесса поглощения молекул газа или жидкости поверхностью твёрдого тела в русском языке используется термин адсорбция.
На практике абсорбции подвергают не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых поглощаются жидкостью. Эти составные части смеси называют абсорбируемыми компонентами (абсорбат), а непоглощаемые части - инертным газом.
Поверхностное натяжение – избыток свободной энергии в поверхностном слое, отнесенный к поверхности поглощающего тела. 
Поверхностное растяжение растворов зависит от природы растворителя и растворенного вещества, от концентрации последнего и от температуры. Поверхностное натяжение как функция концентрации растворенного вещества при Т-const - изотерма поверхностного натяжения. 
1 и 2 – поверхностно-активные вещества (ПАВ).3 – поверхностно-инактивные вещества (ПИАВ).
Разность с в поверхностном слое– поверхностный избыток вещества Г (гамма).Для ПАВ Г>0, для ПИАВ Г<0.Поверхность твердых тел, как и жидкостей, обладает избыточной свободной энергией Гиббса. Твердые тела не могут (в отличие от жидкостей) самопроизвольно изменять площадь поверхности.Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбата, от давления газа, температуры.Зависимость адсорбируемого количества газа от давления адсорбата при постоянной температуре – изотерма адсорбции. С ростом давления увеличивается количество адсорбируемого вещества.Лэнгмюр при выводе уравнения изотермы сделал следующие допущения: 1. все 
места адсорбента одинаковы. 2. взаимодействие между частицами пренебрежимо мало. 3. адсорбционный слой состоит из одного слоя молекул, адсорбция локализованная – нет перемещения адсорбционного комплекса вдоль поверхности адсорбента.Степень заполнения адсорбента адсорбатом: Скорость адсорбции: константа скорости адсорбции.Скорость десорбции: константа скорости десорбции.Адсорбционное равновесие наступает при Уравнение изотермы хорошо передает зависимости в области низких и области высоких давлений, но не всегда оправдывается в промежуточной области.Процесс адсорбции экзотермичен: поглощение вещества протекает с выделением теплоты, десорбция – с поглощением теплоты.Если адсорбируются несколько газов: 
Для адсорбции на неоднородной поверхностибыло предложено эмпирическое уравнение Фрейндлиха. к и n – коэффициенты, постоянные для данного адсорбента и газа при данной температуре. Уравнение Фрейндлиха, наоборот, не отражает особенностей изотермы в области высоких и низких давлений, но для области промежуточных давлений согласуются с опытными данными.
38. Сорбция и её виды: абсорбция, адсорбция. Коэффициент абсорбции. Удельная адсорбция. Уравнение Ленгмюра, его линейная аппроксимация.
Сорбция – процесс самопроизвольного поглощения твердым телом или жидкостью веществ из окружающей среды; гетерогенный процесс, протекающий на границе раздела фаз (ТВ – газ, ж – газ, ж – ж). Вещество, которое поглощает называется сорбентом, поглощаемое вещество – сорбатом. В большинстве случаев сорбция – обратный процесс: наряду с поглощением вещества протекает обратный процесс его десорбции сорбента в окружающую среду.
Сорбент + сорбат ↔(сорбция, десорбция) сорбционный комплекс
При сорбции вещества с течением времени устанавливается равновесие, которое соответствует равенству скорости сорбции и десорбции. Количественно достигаемое равновесие характеризуется константой сорбционного равновесия. Сорбция, которая сопровождается диффузией вещества вглубь сорбента называется абсорбцией, а сорбция, которая сопровождается концентрированием вещества на поверхности сорбента – адсорбцией.
Абсорбция играет важную роль в обмене веществ, в частности в газообмене с окружающей седой. В качестве сорбента выступает жидкая фаза, в которой происходит растворение газов, либо между двумя несмешивающимися жидкостями происходит перераспределение вещества. Абсорбционное равновесие характеризуется константой распределения, где С 1 и С 2 соответствуют константе вещества в абсорбенте и в окружающей среде.
К распр = С 1 /С 2
Значение К распр зависит от природы контактирующих фаз и температуры. В целом выполняется правило: подобное растворяется в подобном, т е полярные вещества будут лучше растворяться в полярных растворителях, а неполярные – в неполярных (HCI; NH 3 – очень хорошо растворяются в воде, неполярный кислород хорошо растворяется в перфтордекалине C 10 F 22 , J 2 в CCI 4). Если К распр намного больше 1, то сорбируемое вещество преимущественно переходит в абсорбент; если намного меньше 1, то практически не сорбируется. Если извлекаемое вещество газ, то его абсорбция сопровождается резким уменьшением объема системы, что в соответствии с принципом Ле-Шателье означает: растворимость газов возрастает с увеличением порциального давления (закон Генри)
С = КгР (х)
Кг – константа Генри (константа абсорбционного равновесия); С – концентрация газа в жидкости (моль/л); Р – порциональное давление газа х.
Увеличение растворимости газов с ростом давления объясняет кессонную болезнь водолазов, летчиков, которая наблюдается при переходе человека из области высокого давления в область низкого. Количественно абсорбция газов жидкости характеризуется коэффициентом абсорбции – объем газов, который при стандартных условиях может быть поглощен одним объемом жидкости. Если абсорбция сопровождается химическим взаимодействием с растворителем, то коэффициент абсорбции резко возрастает, азот – 0,024 – в 1 л воды растворяется 24 мл азота, кислород – 0,05, SO 2 – 80, HCI – 500, NH 3 – 1300. При хемосорбции резко изменятся химический состав абсорбента (при растворении SO 2 и NO 2 в воде увеличивается кислотность среды). SO 2 + H 2 O ↔ H 2 SO 3 ↔ 2H + + SO 3 2-
2NO 2 + H 2 O ↔ HNO 3 + HNO 2 ↔ 2H+ + NO 2 - + NO 3 -
При растворении аммиака повышается щелочность растворов
NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 OH ↔ OH - + NH 4 +
В присутствии электролитов растворимость газов в жидкостях резко уменьшается (высаливание – закон Сеченова)
Адсорбция: в отличие от абсорбции адсорбция связана с поглощением вещества на поверхности раздела контактирующих фаз. При адсорбции различают адсорбент – вещество, на поверхности которого протекает адсорбция и адсорбат – компонент, который концентрируется на поверхности адсорбента. Адсорбция бывает:
Физическая – обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия и образования Н связей (Э = 4-40 кДж/моль). Благодаря незначительной энергии физическая адсорбция всегда обратима и сопровождается экзотермичностью.
Химическая – не обратима, связана с химическим взаимодействием адсорбента и адсорбата (Эсв = 400 кДж/моль).
На практике чаще всего используют для поглощения газов, паров, растворимых веществ – твердые адсорбенты (сажа, активированный уголь, аморфный SiO 2 , Al 2 O 3 и т д). количественно адсорбция характеризуется удельной адсорбцией Г – равновесное количество поглощаемого вещества на единицу поверхности или массы твердого адсорбента
Г = n/m [ммоль/Гадс][мэкв/Гадс][мг/Гадс]
Адсорбция – чисто поверхностный процесс – молекулы сорбируемого вещества покрывают поверхность адсорбента мономолекулярным слоем. Сорбция протекает на активных центрах сорбента: выступах, впадинах, капиллярах, трещинах, ребрах, углах – для кристаллических сорбентов.
Количество поглощаемого газа или пара в твердых сорбентах зависит от следующих факторов: природы и площади поверхности сорбента, природы поглощаемого газа или пара, концентрации или плотности газа (пара). Для кристаллической сорбции удельная поверхность составляет до 10м 2 . У пористых сорбентов удельная поверхность может достигать 10 3 , 10 5 м 2 /г. Чем больше удельная поверхность, тем активнее сорбент. Сорбируемость газа или пара определяется его сродством к поверхности сорбента: полярные молекулы лучше сорбируются на полярных сорбентах (пары воды поглощаются силикогелем SiO 2); неполярные вещества на неполярные сорбенты (масла активируемым углем). При физической адсорбции многокомпонентной газовой смеси лучше сорбируется тот газ, который легче сжимается (повышение температуры кипения). Т к физическая сорбция – экзотермический процесс, то с ростом температуры в соответствии с принципом Ле-Шателье эффективность адсорбции резко уменьшается. Зависимость удельной адсорбции от концентрации (давления) описывается изотермой Ленгвьюра
Г = Г бесконеч * КС/ 1+КС, Г = альфа * с / 1 + ветта*с, где
Г бесконеч – максимальная удельная адсорбция, К – константа сорбционного равновесия, С – равновесная концентрация, установившаяся в растворе.
При низких концентрациях в растворе знаменателем можно пренебречь Кс<<1, тогда уравнение принимает вид Г = Г бесконеч КС, т е удельная адсорбция прямо пропорциональна равновесной концентрации. При очень больших С, КС>>1 тогда удельная адсорбция Г => Г бесконеч
Таким образом изотерма Ленгвьюра имеет вид
Для получения целевых продуктов, выделения компонентов из газовых смесей, удаления посторонних примесей из газовых и жидких смесей, осушки и в других случаях применяют сорбционные установки. Сорбция - физико-химический процесс, в результате которого происходит поглощение каким-либо телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды. Понятие сорбции включает как абсорбцию , так и адсорбцию .
Абсорбция - поглощение газа в объеме, а также избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение газа может происходить либо в результате его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией , а во втором - хемосорбцией . Возможно также сочетание обоих механизмов процесса.
Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция . Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.
Абсорбентами служат однородные жидкости или растворы активного компонента в жидком растворителе. Во всех случаях к абсорбентам предъявляют ряд требований, среди которых наиболее существенными являются высокая абсорбционая способность, селективность, низкое давление паров, химическая инертность по отношению к распространенным конструкционным материалам (при физической абсорбции - также к компонентам газовых смесей), нетоксичность, огне- и взрывобезопасность, доступность и невысокая стоимость.
С технологической точки зрения лучшим является тот абсорбент, расход которого для проведения заданного процесса меньше, т. е. в котором растворимость поглощаемого вещества выше. Поэтому абсорбенты выбирают в основном по данным о растворимости в них поглощаемых веществ.
Процесс физической абсорбции газа сопровождается выделением теплоты и, следовательно, повышением температуры абсорбента и контактирующей с ним газовой смеси. При значительном росте температуры возможно резкое понижение растворимости газа, поэтому для поддержания требуемой производительности абсорбера приходится в ряде случаев прибегать к его охлаждению внутренними или внешними охлаждающими элементами.
В абсорбционных процессах участвуют две фазы - газовая и жидкая. Газовая фаза состоит из непоглощаемого газа-носителя и одного или нескольких абсорбируемых компонентов. Жидкая фаза представляет собой раствор абсорбируемого (целевого) компонента в жидком поглотителе. При физической абсорбции газ-носитель и жидкий поглотитель (абсорбент) инертны взаимно и по отношению к переходящему компоненту.
Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, которое устанавливается при продолжительном соприкосновении фаз и зависит от состава фаз, температуры, давления и термодинамических свойств компонента и абсорбента.
В технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.
Прямоточная схема взаимодействия веществ в процессе абсорбции показана на рис. 1, а. В этом случае потоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу, при этом газ с большей концентрацией распределяемого вещества приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию распределяемого вещества, и наоборот. Противоточная схема абсорбции показана на рис. 1, б. По этой схеме в одном конце аппарата приводят в контакт свежий газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределенного вещества, а в противоположном - меньшие. В схемах с рециркуляцией предусмотрен многократный возврат в аппарат жидкости или газа. Схема с рециркуляцией жидкости показана на рис. 1, в. Газ проходит через аппарат снизу вверх, и концентрация распределяемого вещества в нем изменяется от Yн до Yк Поглощающая жидкость подводится к верхней части аппарата при концентрации распределяемого вещества Yн затем смешивается с выходящей из аппарата жидкостью, в результате чего ее концентрация повышается до Xс. Рабочая линия представлена на диаграмме отрезком прямой: крайние точки его имеют координаты Yн, Хк и Xк, Хс соответственно. Значение Хс определяют из уравнения материального баланса.
Рис. 1. : а - прямоточная; б - противоточная; в - с рециркуляцией жидкости; г - с рециркуляцией газа; д - многоступенчатая с рециркуляцией жидкости; е - доля компонента, используемая для рециркуляции
Схема абсорбции с рециркуляцией газа приведена на рис. 1, г. Материальные соотношения здесь аналогичны предыдущим, а положение рабочей линии определяют точки Ас*(Yс, Хк) и B*(Yк, Хн). Ординату Yc находят из уравнения материального баланса. Одноступенчатые схемы с рециркуляцией могут быть как прямоточными, так и противоточными.
Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут быть прямоточными и противоточными, с рециркуляцией газа и жидкости. На рис. 1, д показана многоступенчатая противоточная схема с рециркуляцией жидкости в каждой ступени. На диаграмму рабочие линии наносят отдельно для каждой ступени, как и в случае нескольких отдельных ступенчатых аппаратов. В рассматриваемом случае рабочую линию составляют отрезки А1В1, А2В2 и А3В3.
Анализ описанных процессов позволяет сделать вывод, что одноступенчатые схемы с рециркуляцией абсорбента или газа по сравнению со схемами без рециркуляции имеют следующие отличия: при одном и том же расходе свежего абсорбента количество жидкости, проходящей через аппарат, значительно больше; результатом такого режима являются повышение коэффициента массопередачи и снижение движущей силы процесса. При определенном соотношении между диффузионными сопротивлениями в жидкой и газовой фазах такая схема может способствовать уменьшению габаритов аппарата. Очевидно, что рециркуляция жидкости целесообразна в том случае, если основное сопротивление массопередаче составляет переход вещества от поверхности раздела фаз в жидкость, а рециркуляция газа - когда основным сопротивлением процесса является переход вещества из газовой фазы к поверхности раздела фаз.
Многоступенчатые схемы с рециркуляцией обладают всеми преимуществами одноступенчатых схем и вместе с тем обеспечивают большую движущую силу процесса. Поэтому чаще выбирают варианты схем с многоступенчатой рециркуляцией.
Необходимо отметить, что процессы абсорбции характеризуются тем, что из-за малой относительной летучести абсорбента перенос вещества происходит преимущественно в одном направлении - из газовой фазы в жидкую. Переход поглощаемого вещества из газового состояния в конденсированное (жидкое) сопровождается уменьшением энергии в нем. Таким образом, в результате абсорбции происходит выделение теплоты, количество которой равно произведению количества поглощенного вещества на теплоту его конденсации. Связанное с этим повышение температуры взаимодействующих фаз, которое определяют с помощью уравнения теплового баланса, уменьшает равновесное содержание поглощаемого вещества в жидкой фазе, т. е. ухудшает разделение. Поэтому при необходимости целесообразен отвод теплоты абсорбции.
Конструктивно абсорбционные аппараты выполняют аналогично теплообменным, ректификационным, выпарным и сушильным аппаратам. По принципу действия абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные, барботажные и распылительные.
2. Адсорбция. Конструкции, принцип действия адсорбционных аппаратов
Адсорбция - процесс поглощения газов (паров) или жидкостей поверхностью твердых тел (адсорбентов). Явление адсорбции связано с наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и поглощаемого вещества. По сравнению с другими массообменными процессами адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извлекаемых компонентов в исходной смеси.
Различают два основных вида адсорбции: физическую и химическую (или хемосорбцию ). Физическая адсорбция вызывается силами взаимодействия молекул поглощаемого вещества с адсорбентом (дисперсионными или ван-дер-ваальсовскими). Однако молекулы, соприкасаясь с поверхностью адсорбента, насыщают его поверхность, что ухудшает процесс адсорбции. Химическая адсорбция характеризуется химическим взаимодействием между средой и адсорбентом, что может образовывать новые химические соединения на поверхности адсорбента. Оба вида адсорбции экзотермичны.
Переход вещества из газовой и жидкой фаз в адсорбированное состояние связан с потерей одной степени свободы, т. е. сопровождается уменьшением энтропии и энтальпии системы, следовательно, выделением теплоты. При этом различают дифференциальную и интегральную теплоты адсорбции; первая выражает количество выделяющейся теплоты при поглощении очень малого количества вещества (2 г/100 г адсорбента), вторая - при поглощении до полного насыщения адсорбента. Повышение температуры в каждом процессе адсорбции зависит от теплоты адсорбции и массовой скорости газового (парового) потока, от температуропроводности этого потока и адсорбента, количества адсорбированного вещества и его концентрации. Так как адсорбционная способность адсорбента снижается с ростом температуры, экзотермичность процесса должна учитываться в инженерных расчетах. При больших тепловыделениях прибегают к охлаждению слоя адсорбента.
Процессы адсорбции отличаются избирательностью и обратимостью, позволяя поглощать (адсорбировать) из газовых (паровых) смесей и растворов один или несколько компонентов, а затем в других условиях выделять (десорбировать) их из твердой фазы. При этом избирательность зависит от природы адсорбента и адсорбируемых веществ, а предельное удельное количество поглощаемого вещества зависит еще от его концентрации в исходной смеси и температуры, а в случае газов - также от давления.
Адсорбенты - пористые тела с сильно развитой поверхностью пор. Удельная поверхность пор может достигать 1000 м2/г. Адсорбенты применяют в виде таблеток или шариков размером от 2 до 6 мм, а также порошков с размером частиц от 20 до 50 мкм. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, силикагель, алюмосиликаты, цеолиты (молекулярные сита) и др. Важной характеристикой адсорбентов является их активность, под которой понимают массу адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента в условиях равновесия. Активность адсорбента равна:
где М - масса поглощенных компонентов; G - масса адсорбента.
Адсорбенты характеризуются также временем защитного действия , под которым понимают время, в течение которого концентрация поглощаемых веществ 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 или замена адсорбента.
В связи с разнообразием адсорбентов и адсорбируемых веществ единая теория адсорбции пока не разработана. Закономерности процессов адсорбции, в которых определяющую роль играют ван-дер-ваальсовские силы притяжения, можно удовлетворительно описать так называемой потенциальной теорией адсорбции. Согласно этой теории на поверхности адсорбента образуется полимолекулярный адсорбционный слой, энергетическое состояние молекул в котором определяет и значением адсорбционного потенциала, являющегося функцией расстояния от поверхности, и не зависит от температуры. Наибольшее знание адсорбционный потенциал имеет на поверхности адсорбента. Потенциальная теория применима к процессам адсорбции на адсорбентах, размеры пор которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. В таких случаях происходит не послойное, а объемное заполнение пор.
Для описания процесса мономолекулярной адсорбции наибольшее применение получила теория Лангмюра, согласно которой за счет некомпенсированных сил у поверхностного атома или молекулы адсорбента адсорбированная молекула удерживается некоторое время не поверхности. Адсорбция происходит в особых точках поверхности - центрах адсорбции. Материальные потоки, участвующие в процессах адсорбции и десорбции, содержат переносимые и «инертные» компоненты. Под первыми понимаются вещества, переходящие из одной фазы в другую, а под вторыми - те которые в таком переносе не участвуют. В твердой фазе «инертным» компонентом является адсорбент.
Скорость процесса адсорбции зависит от условий транспорта адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента (внешний перенос), а также от переноса адсорбируемого вещества внутрь зерен адсорбента (внутренний перенос). Скорость внешнего переноса определяется гидродинамической обстановкой процесса, а внутреннего - структурой адсорбента и физико-химическими свойствами системы.
Процессы адсорбции проводятся в основном следующими способами:
1) с неподвижным слоем адсорбента;
2) с движущимся слоем адсорбента;
3) с псевдоожиженным слоем адсорбента.
Принципиальные схемы адсорбционных процессов показаны на рис. 2.
Рис. 2. : а - с неподвижным слоем адсорбента; б - с движущимся слоем адсорбента; в - с псевдоожиженным слоем адсорбента
При применении зернистого адсорбента используют схемы с неподвижным (рис. 2, а) и с движущимся (рис. 2, б) адсорбентами. В первом случае процесс проводится периодически. Вначале через адсорбент L пропускают парогазовую смесь G и насыщают его поглощаемым веществом; после этого пропускают вытесняющее вещество В или нагревают адсорбент, осуществляя таким образом десорбцию (регенерацию адсорбента).
Во втором случае адсорбент L циркулирует в замкнутой системе: его насыщение происходит в верхней - адсорбционной - зоне аппарата, а регенерация - в нижней - десорбционной. При применении пылевидного адсорбента используют схему (рис. 8.2, в) с рециркулирующим псевдоожиженным адсорбентом.
Лекция №20
Адсорбцией называют поглощение газов, паров и жидкостей твердыми пористыми телами, носящими название адсорбентов; адсорбируемое вещество, находящееся в газе или жидкости, называют адсорбтивом , а после его перехода в фазу адсорбента – адсорбатом . Используемые на практике адсорбенты обладают сильно развитой внутренней поверхностью (до 1000 м 2 /г), образующейся путем специальной обработки или синтеза твердых материалов.
Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, так как извлечение вещества осуществляется твердым, а не жидким поглотителем.
Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандерваальсовыми силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата. При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений.
Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешенно силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи.
Заполнение адсорбатом поверхности адсорбента частично уравновешивает поверхностные силы и вследствие этого снижает поверхностное натяжение (свободную удельную поверхностную энергию). Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы.
Процессы адсорбции избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией , которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента.
Наиболее рационально адсорбцию применять для обработки смесей с низкой концентрацией извлекаемых веществ. В этом случае увеличивается продолжительность работы адсорбционного аппарата – адсорбера – на стадии собственно адсорбции до его переключения на десорбцию.
Типичными примерами адсорбции являются осушка газов и жидкостей, разделение смесей углеводородов, рекуперация растворителей, очистка вентиляционных выбросов и сточных вод и т.п. За последнее время значение адсорбции существенно возросло, особенно в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ .
8.1. Основные промышленные адсорбенты и их свойства
Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой.
В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r < 10–9 м). Роль переходных пор (10–9 < r < 10–7 м) и макропор (r > 10–7 м) в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам.
Адсорбенты характеризуются своей поглотительной , или адсорбционной , способностью , определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Величина поглотительной способности зависит от типа адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров – от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью .
По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные . К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные) угли, углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты и глинистые породы.
Активные угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.) с целью удаления летучих. После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850–900 °С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (например, сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.).
Удельная поверхность активных углей очень высока и составляет 6×105–17×105 м2/кг, а их насыпная плотность 200–900 кг/м3. Активные угли применяют в виде частиц неправильной формы размером 1–7 мм, цилиндров диаметром 2–3 мм и высотой 4–6 мм и порошка с размером частиц менее 0,15 мм. Последний вид активных углей применяют для разделения растворов.
К основным недостаткам активных углей относится их горючесть и невысокая механическая прочность.
Силикагель – обезвоженный гель кремниевой кислоты () – используют для адсорбции полярных соединений. Его применяют в процессах осушки газов и жидкостей, при разделении органических веществ в газовой фазе и в хроматографии. Силикагель получают обработкой раствора силиката натрия (растворимое стекло) серной кислоты (иногда хлороводородной) или растворами солей, имеющих кислую реакцию. Образовавшийся гель промывают водой и сушат до конечной влажности 5–7 %, так как при такой влажности силикагель обладает наибольшей адсорбционной способностью. Удельная поверхность силикагеля составляет 4×105–7,7×105 м2/кг, насыпная плотность – 400–800 кг/м3. Размер частиц неправильной формы изменяется в довольно широком интервале – от 0,2 до 7 мм.
К достоинствам силикагелей относится их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей. Недостатком силикагелей по сравнению с активными углями является, помимо их более низкой удельной поверхности, резкое снижение поглотительной способности по отношению к парам органических веществ в присутствии влаги.
По сорбционным свойствам к силикагелю близко примыкают алюмогели , получаемые термической обработкой гидроксида алюминия при температурах 600–1000 °С. Поры полученного сорбента (92 % ) имеют диаметр 1–3 нм, удельную поверхность 2×10 5 –4×10 5 м 2 /кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 . Алюмогели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел, применяют в качестве катализаторов и их носителей.
Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами .
Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка.
Особенно широко цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве катализаторов и их носителей.
Для очистки жидкостей от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0÷1,5)·10 5 м 2 /кг. Также для очистки жидкостей могут применяться некоторые виды торфов.
Отметим, что адсорбенты характеризуются еще статической и динамической активностью. Под статической активностью понимают количество вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента от начала адсорбции до установления равновесия. Этот вид активности определяют в статических условиях, т.е. без движения смеси газов или раствора. При движении смеси сквозь слой адсорбента через определенный промежуток времени адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент, и происходит «проскок» этого компонента с последующим увеличением концентрации компонента в уходящей из слоя смеси вплоть до наступления равновесия. Количество вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента до начала проскока, называют динамической активностью адсорбента. Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому количество адсорбента определяют по его динамической активности.
Равновесие при адсорбции
Равновесная концентрация (кг/кг чистого адсорбента) поглощаемого вещества в адсорбенте может быть представлена в виде функции концентрации с и температуры Т :
или в виде функции парциального давления р и температуры Т в случае адсорбции газов:
где с – концентрация адсорбтива в объемной фазе, кг/м3; р – парциальное давление адсорбтива в объемной фазе, Па.
Между концентрацией 
адсорбируемого вещества в газовой смеси и его парциальным давлением р
, согласно уравнению Клапейрона, существует прямая пропорциональность:
где R – газовая постоянная, Дж/(кг·К).
Зависимость или при постоянной температуре называется изотермой адсорбции .
Изотермы адсорбции изображаются кривыми, форма которых определяется в основном природой адсорбата и адсорбента и его пористой структурой. Из всего многообразия форм изотерм для анализа процессов адсорбции следует выделить выпуклую и вогнутую (рис. 8.1). Важно отметить, что начальные участки изотерм линейны.
Равновесные зависимости описываются рядом эмпирических и теоретических уравнений. Наиболее плодотворной для описания равновесия адсорбционных процессов оказалась теория объемного заполнения пор, явившаяся развитием потенциальной теории адсорбции.
Под адсорбционным потенциалом А понимают работу, совершаемую адсорбционными силами при переносе одного моля адсорбтива из равновесной газовой фазы давлением р на поверхность адсорбционной пленки, давление над которой принимается равным давлению насыщенного пара адсорбтива pS при рассматриваемой Т .
Рис. 8.1. Выпуклая и вогнутая изотермы адсорбции
Адсорбционный потенциал выражается соотношением
(8.2)
В процессе адсорбции объем микропор V п заполняется адсорбатом, объем которого может быть вычислен через величину равновесной адсорбции:
(8.3)
где М – молекулярная масса адсорбата; V – молярный объем адсорбата.
Установлено, что для разных веществ, адсорбирующихся на одном адсорбенте, отношение адсорбционных потенциалов при одинаковых значениях V п постоянно и равно коэффициенту аффинности b, представляющему собой отношение молярных объемов в жидком состоянии, или парахоров, данного и стандартного вещества, значение которого находят в справочнике.
Для ряда микропористых адсорбентов распределение различных заполненных участков адсорбционных объемов имеет вид распределения Гаусса:
(8.4)
где W 0 – общий объем микропор; Е – параметр функции распределения.
При совместном решении уравнений (8.2) и (8.3) с учетом коэффициента аффинности получено уравнение, описывающее изотермы адсорбции для микропористых адсорбентов с однородной пористой структурой (синтетические цеолиты):
Для адсорбентов со сложными микропористыми структурами (микропористые силикагели, активные угли)
(8.6)
где – константы характеризующие адсорбент; Т – температура.
Наряду с соотношениями, основанными на теории объемного заполнения пор, для описания адсорбционного равновесия используют ряд других уравнений, среди которых наиболее известно уравнение Ленгмюра.
Частицы, находящиеся на поверхности каждой фазы, образуют особую поверхностную фазу, свойства которой существенно отличаются от свойств внутренних областей фазы. Частицы, расположенные на поверхности, взаимодействуют как с однородными частицами, так и с частицами другого рода (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Поверхностный слой вещества в конденсированном состоянии
Следствием этого явления является то, что средняя энергия g s частицы, находящейся на поверхности раздела фаз, отличается от средней энергии такой же частицы в объеме фазы g v .. Важной характеристикой поверхностной фазы является поверхностная энергия G s – разность средней энергии частицы, находящейся на поверхности, и частицы, находящейся в объеме фазы, умноженная на число частиц на поверхности N:
G s =N(g s -g v)
Под поверхностной энергией
понимается энергия Гиббса (Gs) - образования поверхности. Она равна произведению удельной поверхностной энергии σ на площадь поверхности раздела фаз S:
Удельная поверхностная энергия (Дж/м 2) равна работе, необходимой для образования единицы площади свободной поверхности. Удельная поверхностная энергия определяется природой того или иного вещества. Чем выше энергия взаимодействия между частицами вещества, тем выше удельная поверхностная энергия. С увеличением температуры удельная поверхностная энергия уменьшается. Вблизи критической температуры поверхностное натяжение равно нулю.
Термин поверхностная энергия применяется к границе раздела газ - твердое тело. Для границы раздела конденсированных фаз (жидкость − жидкость, жидкость − твердое вещество) применяют термин межфазная энергия. Для границы раздела фаз жидкость − газ (пар) обычно используют термин удельная поверхностная энергия, называемая поверхностным натяжением.
Поверхностное натяжение σ − важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз, определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как работу, необходимую для увеличения единицы длины контура свободной поверхности:
где ΔL – увеличение длины контура свободной поверхности, м;
σ – поверхностное натяжение, н/м.
Благодаря поверхностному натяжению жидкость при отсутствии внешних силовых воздействий принимает форму шара, отвечающую минимальной величине поверхности и, следовательно, наименьшему значению свободной поверхностной энергии. Одним из путей понижения свободной поверхностной энергии является сорбция.
Сорбция (от лат. sorbeo – поглощаю) − поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое им вещество − сорбатом (или сорбтивом). Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента – это абсорбция ; поверхностным слоем твёрдого или жидкого сорбента − это адсорбция.
Абсорбция − поглощение веществ из газовой смеси жидкостями. В технике абсорбция обычно пользуется для извлечения из газовой смеси какого-либо компонента. Абсорбция улучшается с повышением давления и понижением температуры.
Адсорбция − процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела.
Адсорбент – вещество, способное адсорбировать другое вещество. Адсорбтив – вещество, которое может адсорбироваться. Адсорбат – адсорбированное вещество.
