Зависимость адсорбции от свойств газа

Как отмечалось выше; для положительной адсорбции адсорбент должен обладать определенным сродством к адсорбтиву.

Газ адсорбируется тем лучше, чем

• легче он сжижается;

• выше его критическая температура;

• выше его температура конденсации;

• больше значение константы a в уравнении Ван-дер-Ваальса:

(поправка учитывает взаимное притяжение молекул газа

В таблице 4.1 приведены данные, характеризующие связь между адсорбцией и физическими свойствами некоторых газов.

Связь между адсорбцией и физическими свойствами газов обнаруживается только при физической адсорбции. При хемосорбции вследствие ее специфичности такой связи обычно нет.

Таблица 4.1

Зависимость адсорбции от физических свойств некоторых газов

Газ	Молярная масса, г/моль	Температура кипения, К	Критическая температура, К	Объем газа в см3 адсорбированного 1 г угля при температуре 15 0С
SO2				379,7
NH3				180,9
N2O				54,2
C2H2				48,9
CO2				47,6
CO				9,3
N2				8,0
H2				4,7

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АДСОРБЦИИ ГАЗОВ

Адсорбция газов на твердых адсорбентах применяется для

1. извлечения отдельных компонентов из газовых смесей и для полного разделения смесей;

2. поглощения отравляющих газов;

3. рекуперации (восстановления) растворителей: ацетона, бензола, ксилола, хлороформа, сероуглерода и др.;

4. улавливания различных промышленных выбросов, очистки воздуха от агрессивных газов;

5. осушки газов в различных целях: повышения теплотворной способности природного газа, предотвращения образования ледяных «пробок» в трубопроводах, обеспечения сухой атмосферы в производствах и т. д.;

6. осуществления разнообразных гетерогенных реакций на границах раздела фаз.

Огромную роль адсорбция играет в гетерогенном катализе, когда на поверхности катализатора происходит концентрирование реагентов, определенное ориентирование, молекул, поляризация и переход в наиболее активное состояние, способствующее ускорению процесса.

Питание растений углекислым газом из воздуха связано с предварительной адсорбцией газа на листьях.

Дыхание животных и человека протекает в результате предварительной адсорбции кислорода на поверхности легких.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Адсорбция газов на поверхности твердых тел находит широкое практическое применение, в связи с этим исследование закономерностей адсорбционных процессов представляет значительный интерес.

Среди факторов, от которых зависит адсорбция газа на твердом адсорбенте, существенным является структура его поверхности. Если в жидкостях свойства поверхности в различных ее участках одинаковы, то на поверхности твердых тел положение атомов фиксировано, и строение поверхности имеет сложный и неоднородный характер. С этим связаны значительные трудности, возникающие при исследовании адсорбционных процессов на твердых адсорбентах.

Среди факторов, от которых зависит адсорбция газа или пара.на твердом адсорбенте, важным является равновесное давление адсорбтива. Зависимость адсорбции от равновесного давления при постоянной температуре выражается кривыми а = f(p), называемыми изотермами адсорбции.

На изотермах мономолекулярной адсорбции имеются три участка. При очень малых давлениях и, следовательно, малых заполнениях поверхности адсорбатом адсорбция прямо пропорциональна давлению (закон Генри).

При средних давлениях изотерма становится криволинейной. Для этой области справедливо уравнение Фрейндлиха, которым часто пользуются для практических расчетов.

При высоких давлениях адсорбция перестает зависеть от равновесного давления адсорбтива – этот участок изотермы параллелен оси давлений, достигается предельная адсорбция.

Строгая теория изотермы мономолекулярной адсорбции была создана И.Ленгмюром. В основу этой теории положена следующая модель.

1.Поверхность адсорбента представляет собой набор энергетически одинаковых активных центров, на которых адсорбируются молекулы адсорбтива.

2.На одном центре адсорбируется только одна молекула адсорбтива.

3.Адсорбция на данном центре не влияет на адсорбцию на других центрах, т. е. взаимодействием адсорбированных молекул можно пренебречь.

Этой модели отвечает уравнение Ленгмюра, которое полностью описывает изотерму мономолекулярной адсорбции.

С помощью теории Ленгмюра можно также описать ступенчатую адсорбцию. Модель Ленгмюра является идеализированной, она пригодна только в тех случаях, когда имеет место мономолекулярная адсорбция.

Модель адсорбции, принципиально отличную от ленгмюровской, предложил Поляни. Согласно этой модели вблизи поверхности адсорбента существует силовое поле, убывающее с удалением от поверхности. Вследствие этого давление адсорбтива, вдали от поверхности равное р, вблизи поверхности возрастает и на некотором расстоянии от нее достигает значения p_S, при котором адсорбтив конденсируется. Эта модель получила название потенциальной теории адсорбции. Теория Поляни позволяет описать адсорбцию на пористых адсорбентах и качественно объяснить характер S–образной изотермы.

Дальнейшим развитием теории полимолекулярной адсорбции явилась теория БЭТ.

Эта теория постулирует, что при температурах ниже критической каждая молекула, адсорбированная в первом слое, является центром для молекул, образующих второй слой и т. д. При этом считается, что теплота адсорбции во всех слоях, кроме первого, равна теплоте конденсации. Уравнение БЭТ описывает всю S–образную изотерму адсорбции. Решение уравнения БЭТ позволяет определить удельную поверхность адсорбента.

Существует еще один механизм, приводящий к дополнительной адсорбции адсорбтивов ниже их критической температуры на пористых адсорбентах. Это капиллярная конденсация. Если в поре образуется вогнутый мениск адсорбата, то в ней начинается конденсация при давлениях, меньших, чем давление насыщенного пара над плоской поверхностью. Капиллярная конденсация приводит к резкому подъему изотермы адсорбции.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем состоят особенности адсорбции газов и паров на твердых поверхностях?

2. Чем отличается физическая адсорбция от хемосорбции?

3. Какие участки есть на изотерме Ленгмюра? Какие математические уравнения характеризуют каждый участок?

4. Перечислите основные положения теории Ленгмюра.

5. Как с помощью теории Ленгмюра можно объяснить
ступенчатую адсорбцию?

6. В чем состоит сущность потенциальной теории Поляни?

7. Какие допущения лежат в основе теории БЭТ?

8. Как с помощью теории БЭТ можно определить удельную поверхность адсорбента?

9. Какой процесс называется капиллярной конденсацией?

10.От каких факторов зависит адсорбция на пористых адсорбентах?

11.Какие свойства газов влияют на их адсорбцию?

Закончив изучение главы 4, вы должны

1) знать:

• основные положения теорий мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции газов на твердых поверхностях;

• уравнения Фрейндлиха, Ленгмюра, БЭТ, Кельвина, что они характеризуют;

• факторы, от которых зависит адсорбция газов и паров на непористых и пористых адсорбентах;

2) уметь:

• объяснять характер различных изотерм адсорбции;

• определять величины и К с помощью уравнения Ленгмюра;

• графически решать уравнение БЭТ.

Глава 5