Скорость адсорбции. Время защитного действия

Одним из важных показателей, характеризующих процесс адсорбции и определяющих размеры адсорбционной аппаратуры, является скорость адсорбции.

В общем случае скорость процесса адсорбции определяется скоростями следующих основных стадий: 1) подвода вещества к поверхности зерен адсорбента — внешняя диффузия; 2) перемещения вещества внутри зерен по порам адсорбента — внутренняя диффузия; 3) собственно адсорбции.

Скорость процесса адсорбции обычно лимитируется скоростями внешней и внутренней диффузии или одной из них, так как скорость собственно адсорбции обычно велика. В зависимости от лимитирующей стадии различают три вида сопротивления процессу адсорбции: внешнедиффузионное, внутридиффузионное и смешанное.

Скорость внешнедиффузионного процесса зависит от температуры процесса, размера зерен адсорбента, вязкости, плотности среды и гидродинамического режима (скорость потока, состояние слоя адсорбента —

неподвижный, движущийся, псевдоожиженный).

Скорость внутридиффузионного процесса определяется законами диффузии вещества в порах адсорбента. Перемещение молекул в поровых каналах зерен адсорбента зависит от диаметра пор, их структуры, размеров адсорбируемых молекул, температуры и других факторов.

В процессе адсорбции наряду с перемещением молекул в объеме пор наблюдается также перемещение молекул на поверхности адсорбента от одного активного центра к другому, называемое поверхностной диффузией. Для протекания этого процесса требуется определенная энергия активации; его скорость возрастает с увеличением температуры процесса.

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 α_τ,α — активность адсорбента в момент времени τ и при равновесии (τ→ ∞); К _а— константа скорости адсорбции.

Константа скорости адсорбции Ка 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.

При адсорбции сначала поглощаются все компоненты смеси. Однако по достижении состояния насыщения будет происходить обратный процесс, т.е. вытеснение молекул с меньшей активностью. В результате компоненты будут располагаться в слое адсорбента послойно по мере уменьшения их активности. При выделении поглощенных компонентов из адсорбента (десорбция) они будут выходить в обратном порядке. Это явление используется в препаративной и аналитической хроматографии.

Если в слой адсорбента ввести сравнительно небольшое количество разделяемой смеси, то адсорбироваться будут все ее компоненты. Это происходит до тех пор, пока вся активная поверхность адсорбента не будет заполнена. Дальнейшее поступление исходной смеси в слой адсорбента приведет к тому, что молекулы, отличающиеся более высокой адсорбируемостью, будут частично вытеснять с поверхности адсорбента молекулы вещества с меньшей адсорбируемостью и установится равновесие между адсорбированной и неадсорбированной средами.

При продвижении исходной смеси через определенный слой адсорбента рассмотренный выше процесс протекает послойно в направлении движения исходной разделяемой смеси. Адсорбционное разделение в данном слое адсорбента будет завершено, когда в потоке, выходящем из слоя адсорбента, появится компонент, подлежащий извлечению из исходной смеси, т.е. когда в соответствии с состоянием равновесия активная поверхность адсорбента заполнится извлекаемым компонентом и произойдет «проскок» этого компонента с уходящим потоком.

Исчерпание адсорбционной способности — проскок определяет время защитного действия адсорбента по отношению к данному компоненту.