Главная Водоотведение

Пример адсорбции. Сорбционная очистка Адсорбция, ее виды

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.

Адсорбция является универсальным методом, позволяющим практически полностью извлечь примесь из газовой или жидкой среды. В химической промышленности, в частности в ТНВ, адсорбционный метод широко используется для гладкой очистки и осушки технологических потоков, улучшения качества сырья и продуктов и является одним из методов защиты окружающей среды.

Адсорбция – это концентрирование веществ на поверхности или в объеме твердого тела. В процессе адсорбции участвуют как минимум два компонента. Твердое вещество, на поверхности или в объеме которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом . Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе называется адсорбтивом , а после того, как оно перешло в адсорбированное состояние – адсорбатом . Любое твердое вещество обладает поверхностью, и следовательно, потенциально является адсорбентом. Однако, в технике используют твердые адсорбенты с развитой внутренней поверхностью. Развитие внутренней поверхности в твердом теле достигается путем создания специальных условий в процессе его синтеза или в результате дополнительной обработки.

С термодинамической точки зрения адсорбция проявляется с уменьшением свободной энергии Гиббса (G). Как и все процессы, сопровождающие уменьшением энергии Гиббса, адсорбция является самопроизвольным процессом. Переход вещества из газовой или жидкой фазы в адсорбированное состояние связан с потерей по меньшей мере одной степени свободы, (трехмерная объемная газовая или жидкая фаза  двухмерная поверхностная фаза), что ведет к уменьшению энтропии системы (S). Поскольку энтальпия (Н) связана с энергией Гиббса и энтропией уравнением Н = G + TS, то в процессе адсорбции она убывает, и следовательно, адсорбция – процесс экзотермический.

Адсорбционные явления делят на два основных типа: физическую адсорбцию и хемосорбцию (сорбцию, основанную на силах химического взаимодействия). Физическая адсорбция вызывается силами молекулярного взаимодействия: дисперсионными и электростатическими. Дисперсионные силы вносят основной вклад в энергию взаимодействия молекул. Так, молекулы любого адсорбтива обладают флуктуирующими диполями и квадруполями, вызывающими мгновенные отклонения распределения электронной плотности от среднего распределения. При сближении молекул адсорбтива с атомами или молекулами адсорбента движение флуктуирующих диполей приобретает систематический и строго упорядоченный характер, что приводит к возникновению притяжения между ними. В ряде случаев дисперсионные силы усиливаются электростатическими силами – ориентационными и индукционными. Ориентационные силы возникают при взаимодействии полярных молекул с поверхностью, содержащей, электростатические заряды (ионы, диполи), а индукционные – вызываются изменением электронной структуры молекул адсорбтива и адсорбента под действием друг друга.

В отличие от физической адсорбции, при хемосорбции не сохраняется индивидуальность адсорбтива и адсорбента. При сближении молекул адсорбтива с поверхностью адсорбента происходит перераспределение электронов взаимодействующих компонентов с образованием химической связи. Если физическую адсорбцию можно сравниь с конденсацией, то хемосорбция рассматривается как химический процесс, протекающий на поверхности раздела фаз.

Физическую адсорбцию и хемосорбцию можно отличить на основании численного значения теплоты адсорбции. Теплота адсорбции компонентов промышленных газов соизмерима с теплотой их конденсации и не превышает 85-125 кДж/моль. Теплота хемосорбции одного моля вещества достигает нескольких сотен кДж. Хемосорбция, как правило, протекает с небольшой скоростью, это обстоятельство часто используется для ее распознания. Кроме того, хемосорбция может протекать при высоких температурах, когда физическая адсорбция пренебрежимо мала. При хемоморбции характерным является резкое, скачкообразное изменение поглотительной способности по извлекаемому компоненту при переходе от адсорбента одной химической природы к адсорбенту другой природы. При хемосорбции адсорбированные молекулы не могут перемещаться по поверхности адсорбента, их положение фиксировано, и такая адсорбция называется локализованной. Физическая адсорбция может быть как локализованной, так и не локализованной. Обычно, при повышении температуры молекулы приобретают подвижность и характер процесса изменяется: локализованная адсорбция переходит в нелокализованную.

Адсорбция Движущей силой

Веществ на поверхности.

Физическая адсорбция. Адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями, например силами Ван-дер-Ваальса. Теплота физической адсорбции, как правило, невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль (примерно 40 кДж/моль). Процесс физической адсорбции обратим, относится к неактивируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбата окажутся на поверхности твёрдого или жидкого тела. Наиболее часто физическую адсорбцию связывают с взаимодействием поверхности с газовой фазой. Количество адсорбированного газа снижается при уменьшении давления и возрастании температуры.

(2.4)

к Р

(а) и температуры (б ) (пояснения в тексте)

(2.5)

где а к в уравнении (2.5).

Процесс адсорбции почти всегда сопровождается выделением теплоты, которое называют теплотой адсорбции. Прочность адсорбционного слоя пропорциональна теплоте адсорбции.

На рисунке 2.1, б

Химическая адсорбция. Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийся образованием химических соединений. При хемосорбции выделяется значительное количество теплоты. Обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 80–125 кДж/моль. Взаимодействие кислорода с металлами (окисление) даёт значительно более высокие значения теплоты, достигающие 400 кДж/моль.

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Адсорбция в химии

Введение

Адсорбцией называют процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела — адсорбента.

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества. В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли. Адсорбция отравляющих веществ из воздуха была использована Н.Д. Зелинским при создании противогаза во время первой мировой войны.

Адсорбция газов на твердых поверхностях используется в некоторых отраслях пищевой промышленности, а именно масложировой (например, в производстве маргарина) и в бродильной (например, в производстве дрожжей) для очистки технологических газовых потоков с целью предотвращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Поглощение паров воды происходит на пористых веществах, которые выполняют роль твердого адсорбента. Подобные процессы наблюдаются в отношении сахара, соли и сухарей.

Адсорбция, ее виды

Адсорбционный способ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяет в несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения. Адсорбция различных пищевых кислот, лимонной в частности, снижает по сравнению с водой поверхностное натяжение большинства прохладительных напитков. Адсорбция веществ на поверхности раздела жидкость — газ способствует устойчивости пен. Подобный процесс имеет место в бродильной промышленности при производстве дрожжей и некоторых других полупродуктов. Усиление смачивания водой различных поверхностей широко используется в промышленности в качестве сопутствующего процесса при мойке оборудования, подготовке сырья, обработке полуфабрикатов и т.д. Адсорбция на границе твердое тело — жидкость широко применяется при очистке жидкостей (например, диффузионного сока при производстве сахара, растительных масел и соков) от примесей.

Развитие теории адсорбционных сил еще не достигло такой стадии, когда по известным физико-химическим свойствам газа и твердого тела можно было бы рассчитать изотерму адсорбции, не проводя экспериментальных исследований. Поэтому попыткам описать экспериментальные изотермы с помощью различных теоретических уравнений, которым соответствуют определенные модели адсорбции, посвящено огромное количество работ. Если теоретическое уравнение изотермы адсорбции хорошо воспроизводит экспериментальные данные, то можно рассчитать неизвестные величины адсорбции при разных условиях (р и Т) и определить различные геометрические параметры твердых тел. Рассмотрим лишь немногие, наиболее распространенные теоретические уравнения изотерм адсорбции.

Делись добром 😉

АДСОРБЦИЯ В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества - адсорбента называется адсорбцией. Процесс адсорбции подобно процессу абсорбции избирателен, т. е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента, например, при нагревании. Этот процесс регенерации - обновления абсорбента называется десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом - только поверхностью твердого поглотителя - адсорбента.

В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро-водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Равновесие при адсорбции

Количество вещества, поглощенного адсорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Условия равновесия для адсорбции

Линии равновесия, соответствующие уравнениям (7.75) и (7.76), получили название изотерм сорбции. Изотермы сорбции (рис. 26) строят по опытным данным. Характер кривой изотермы сорбции зависит от многих факторов, в том числе от удельной поверхности адсорбента, объема пор, структуры и распределения пор, свойств поглощаемого вещества и, конечно, от температуры.

Движущая сила процесса адсорбции определяется как разность между рабочей и равновесной концентрациями поглощаемого вещества в парогазовой или жидкой фазах.

Рабочая линия для непрерывных процессов адсорбции соответствует уравнению (7.6).

В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбента. Поэтому для поддержания скорости процесса в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбента.

Адсорбенты

Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле.

Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией - прокаливанием при температуре около 900 °С. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600… 1700 м2. Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активированного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органических веществ, чем пары воды. Недостатками активированных углей являются их небольшая механическая прочность и горючесть.

Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля лежит в пределах от 0,2 до 7 мм.

Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400…770 м2. Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и материалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и обладает большой механической прочностью.

Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с размерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтра-ционных мембран.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и поэтому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.

Иониты. Это природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов следует отнести к хемосорбции - адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Наибольшее распространение в промышленности получили ионообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание сиропов. Смолы применяют также в некоторых случаях при обработке воды. Последние успехи в области синтеза ионитов позволяют надеяться на их успешное использование в нетрадиционных технологиях, например в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.

В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью применяют рыбий клей (желатин) и другие вещества.

Расчет адсорберов

Порядок расчета адсорберов аналогичен порядку расчета абсорберов. И только фиксированная поверхность массообмена, которую несложно определить, позволяет воспользоваться неко-торыми кинетическими уравнениями и более точно рассчитать требуемые размеры аппарата, не прибегая к определению числа ступеней изменения концентрации.

Материальный баланс. Уравнение материального баланса процесса адсорбции соответствует уравнению (7.3):

Кинетика процесса адсорбции. Процесс поглощения вещества при адсорбции в общем случае описывается критериальным уравнением для систем с твердой фазой:

Количество теплоты, выделяемое при адсорбции. Удельную теплоту адсорбции г (Дж/моль) обычно определяют опытным путем и для разных веществ приводят в справочниках. При отсутствии опытных данных можно воспользоваться следующим уравнением:

Физическая и химическая адсорбция

Адсорбция – поглощение веществ из растворов или газов поверхностным слоем твёрдого тела или жидкости. Движущей силой процесса является наличие на поверхности некомпенсированных сил межатомного взаимодействия, за счёт чего и притягиваются молекулы адсорбированного вещества – адсорбата. Происходит не только снижение поверхностной энергии, но и образование на поверхности различной по составу пленки.

Термодинамическое состояние атомно-чистой поверхности способствует активному протеканию процесса адсорбции. Известно, что на чистой металлической поверхности содержится около 105 адсорбционных позиций, приходящихся на 1 см2.

Различают физическую и химическую адсорбцию веществ на поверхности. Возможны и промежуточные виды взаимодействий на границе раздела фаз.

Процесс физической адсорбции обратим, относится к неактивируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбата окажутся на поверхности твёрдого или жидкого тела. Наиболее часто физическую адсорбцию связывают с взаимодействием поверхности с газовой фазой. Количество адсорбированного газа снижается при уменьшении давления и возрастании температуры.

Простейшие уравнения мономолекулярной адсорбции предложены Генри и Ленгмю ром. Уравнение Генри (так называемая изотерма Генри)

(2.4)

где Θ — степенях заполнения молекулами адсорбата однородной поверхности адсорбента, к — коэффициент пропорциональности, зависящий главным образом от температуры и характера взаимодействия адсорбента с адсорбентом, Р — давление, справедливо при очень низких Θ степенях заполнения молекулами адсорбата однородной поверхности адсорбента.

Изотерма Генри представляет собой прямую линию 1 (рисунок 2.1, а). С увеличением давления Р рост адсорбированного мономолекулярного слоя замедляется. Молекула адсорбата испытывает трудности в закреплении на еще не занятом пространстве поверхности адсорбента.

Рисунок 2.1 — Зависимость изменения количества адсорбированного вещества от давления (а) и температуры (б ) (пояснения в тексте)

Изотерма приобретает выпуклый характер 2, а значение в стремится к единице (см. рисунок 2.1, а). Выпуклые изотермы описываются уравнением Ленгмюра

(2.5)

где а – адсорбционный коэффициент, аналогичный по физическому смыслу константе к в уравнении (2.5).

Следует отметить, что уравнение Ленгмюра справедливо только для мономолекулярной адсорбции на однородной поверхности, возможностью притяжения молекул адсорбата между собой и их подвижностью вдоль поверхности адсорбента пренебрегают. При дальнейшем увеличении давления адсорбата происходит заполнение второго, третьего и других слоев. Процесс переходит в полимолекулярную адгезию.

Поверхность твёрдых адсорбентов в основном неоднородна. Одни участки благоприятны для адсорбции, другие – наоборот. С ростом давления адсорбата полимолекулярная адсорбция происходит одновременно по всей поверхности с различной степенью интенсивности.

Процесс адсорбции почти всегда сопровождается выделением теплоты, которое называют теплотой адсорбции.

Прочность адсорбционного слоя пропорциональна теплоте адсорбции. При переходе к полимолекулярной адсорбции теплота адсорбции приближается к теплоте конденсации адсорбата.

Температурные условия оказывают большое влияние на протекание процесса физической адсорбции. Высокая подвижность молекул на поверхности при повышении температуры приводит к десорбции образующегося слоя. Дальнейшее повышение температуры может переводить физическую адсорбцию в химическую – хемосорбцию, имеющую более прочные связи.

На рисунке 2.1, б приведена качественная зависимость адсорбции газовой среды от температуры при постоянном давлении. При низких температурах изобара 1 описывает физическую адсорбцию. При достижении определенной температуры возможен процесс перехода физической адсорбции к хемосорбции. Происходит рост адсорбируемого вещества (кривая 2). При заполнении всей поверхности адсорбатом снова начинает снижаться количество адсорбированного вещества (кривая 3). Адсорбция в области 1 обратима, а в области 2 необратима. В случае охлаждения системы процесс переходит из области 3 в область 4.

Слабые междуатомные связи на поверхности при физической адсорбции, по-видимому, в малой степени способны уравновесить некомпенсированные связи поверхностных атомов. Соответственно этому не следует ожидать значительного снижения уровня свободной поверхностной энергии. При подготовке поверхности изделий для нанесения покрытий следует учитывать слабые связи физически адсорбированных веществ (твердых, жидких и газообразных).

Физическая и химическая адсорбция

Взаимодействие кислорода с металлами (окисление) даёт значительно более высокие значения теплоты, достигающие 400 кДж/моль.

Подобно химическим реакциям хемосорбция требует для своего протекания значительной энергии активации. Следовательно, при увеличении температуры процесс хемосорбции ускоряется. Происходит так называемая активируемая адсорбция. Хемосорбция относится к избирательным процессам и зависит от химического сродства абсорбента и адсорбата, которое наряду с температурой определяет скорость протекания реакции. Например, при взаимодействии газов с чистыми металлами или металлоподобными поверхностями наблюдается исключительно быстрая хемосорбция, что связано со слабой насыщенностью связями поверхностных атомов. Хемосорбция протекает при минимальных значениях энергии активации. Хемосорбция на твёрдых поверхностях зависит от кристаллографической ориентации зёрен, наличия различных дефектов и др. Хемосорбция начинается на наиболее активных участках поверхности. Принято считать, что хемосорбция происходит до тех пор, пока вся поверхность не покроется мономолекулярным слоем адсорбата. По сравнению с физической адсорбцией хемосорбция чувствительна к давлению окружающей среды.

Наличие на поверхности хемосорбированных пленок в значительной мере уравновешивает некомпенсированные оборванные связи поверхностных атомов. Поверхностная энергия при этом достигает минимальных значений, что следует учитывать при подготовке поверхностей для нанесения покрытий. Для удаления хемосорбированных поверхностных соединений (загрязнений) требуются значительные энергетические воздействия.

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ К ПРИМЕНЕНИЮ АДСОРБЕНТОВ

Любые препараты необходимо принимать по рекомендации врача и следуя инструкции! Основным противопоказанием к приему адсорбентов для кишечника является их индивидуальная непереносимость. Препараты активированного угля не рекомендуется использовать при желудочном кровотечении, язвенных поражениях ЖКТ и др.; препараты лигнина – при нарушении углеводного обмена, анацидном гастрите, склонности к запорам. Необходимо учитывать, что при приеме адсорбирующих средств внутрь может уменьшаться эффективность других лекарственных средств, принимаемых с ними одновременно. Поэтому важно делать интервал между приемом адсорбентов и других препаратов.

Сорбционная очистка

НЕОСМЕКТИН® – АДСОРБЕНТ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Современный препарат Неосмектин® способствует устранению диареи различного происхождения, метеоризма, изжоги, вздутия и тяжести в животе. Неосмектин® действует в двух направлениях.

СПОСОБСТВУЕТ УСТРАНЕНИЮ ФАКТОРОВ, ПРОВОЦИРУЮЩИХ РАССТРОЙСТВА ПИЩЕВАРЕНИЯ

Патогенная микрофлора, кишечные газы, токсины иногда являются причиной расстройства пищеварения. Неосмектин® адсорбирует их, способствуя их выведению из организма. Таким образом, препарат способствует устранению не симптомов, а самих факторов, которые могут провоцировать проблемы с пищеварением.

защищает слизистую желудочно-кишечного тракта

Неосмектин® стабилизирует слизистый барьер желудочно-кишечного тракта, создавая на его поверхности защитную пленку, которая предохраняет слизистую от повреждения болезнетворными микроорганизмами и дает ей возможность быстрее восстановиться.

Процесс сорбции представляет собой поглощение одной средой - жидкостью или твердым телом других окружающих сред - веществ, газов или других жидкостей. То вещество, которое поглощает окружающую среду - сорбент . Вещество, газ, или жидкость, которые поглощаются сорбентом, называют сорбатом или сорбтивом.

Явление сорбции подразделяют в зависимости от механизма поглощения одних сред другими на адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Адсорбция и абсорбция различаются по тому, каким образом одно вещество распределяется в другом. При абсорбции поглощение и распределение вещества происходит по всему объему жидкого абсорбента. При адсорбции твердый, жидкий или газообразный сорбат скапливается на поверхности раздела фаз адсорбента (на поверхности твердого вещества или жидкости).

Выделяют физическую адсорбцию, при которой скопление веществ на поверхности адсорбента происходит вследствие неспецифических межмолекулярных сил, не зависящих от природы веществ.
Хемосорбция (или химическая адсорбция) - это сорбционные процессы, при которых происходят химические превращения между сорбентом и поглощаемым веществом.
Адсорбция растворенных в жидкости веществ на поверхности твердого сорбента происходит по причине разности межмолекулярных сил на поверхности раздела фаз. При адсорбции выделяют два вида взаимодействия между молекулами :
- молекулы растворенного вещества взаимодействуют с молекулами или атомами поверхности адсорбента;
- молекулы растворенного вещества взаимодействуют с водой в процессе гидратации.
Конечная сила удержания вещества на поверхности адсорбента складывается из разности указанных выше сил межмолекулярного взаимодействия. При повышении энергии гидратации молекул растворенного вещества ослабляется адсорбция вещества из раствора, поскольку в этом случае молекулы растворенного вещества испытывают более сильное противодействие.

Понятия статической и динамической сорбции

При статической сорбции поглощаемое вещество в виде газа или жидкости контактирует или перемешивается с неподвижно расположенным сорбентом. Статическая сорбция реализуется в оборудовании с перемешивающими устройствами.

При динамической сорбции через слой сорбента пропускается поглощаемая подвижная жидкая или газообразная фаза. Динамическая сорбция реализуется в аппаратах с псевдоожиженным слоем и фильтрах разного типа.

В зависимости от вида сорбции можно выделить статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность сорбента - это количество поглощенного вещества, отнесенное к единице массы сорбента к моменту достижения равновесия. Условия, при которых достигается равновесие - постоянная температура жидкости и начальная концентрация вещества.

Динамическая активность сорбента определяется либо как время от начала пропускания поглощаемого вещества до его проскока, то есть выхода за слой сорбента, либо как предельное количество вещества, поглощенной на единицу объема или массы сорбента до момента проскока поглощаемого вещества через слой сорбента.

В адсорберах промышленного типа динамическая активность сорбента находится в диапазоне 45-90% .

В реальных условиях сорбционные процессы протекают по динамическому типу, так как это более приемлемо для автоматизации производственного процесса и его непрерывности.

Связь между количеством поглощенного сорбентом вещества и веществом, оставшимся в растворе в момент равновесия, подчиняется закону распределения.

Характеристики, которые влияют на скорость процесса адсорбции :

концентрация сорбата;
природа и химическое строение растворенного вещества;
температура воды;
вид и свойства адсорбента.

Процесс адсорбции состоит из трех этапов :

перенос содержащихся в растворе веществ к поверхности зерен адсорбента (к внешнедиффузионной области);
процесс адсорбции;
перенос вещества внутри зерен адсорбента (к внутридиффузионной области).

Считается, что адсорбция протекает с большой скоростью и стадия адсорбции не лимитирует скорость процесса. Поэтому в качестве лимитирующей стадии рассматривают либо внешнюю, либо внутреннюю диффузию. Могут быть случаи, когда процесс лимитируют обе диффузионные стадии.

В области внешней диффузии скорость переноса массы вещества зависит от величины турбулентности потока, то есть от скорости течения жидкости.

Интенсивность массопереноса во внутридиффузионной области во многом зависит от характеристик адсорбента - его вида, размера пор, формы и размера зерен, от размера молекул поглощаемого вещества, от коэффициента массопроводности.

Можно выявить условия, при которых очистка сточных вод адсорбцией идет с оптимальной скоростью.

Гидродинамический режим адсорбции должен лимитироваться в области внутренней диффузии. Сопротивление внутридиффузионной области уменьшается при подборе адсорбента с нужной структурой и с уменьшением размеров его зерен.

Приблизительные параметры скорости и диаметра зерна адсорбента принимаются равными 1,8 м/ч и d з = 2,5 мм соответственно. Если диаметр зерен d з меньше рекомендуемого, процесс лимитируется по области внешней диффузии, если больше - во внутридиффузионной области.

Argel

Основные понятия

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 (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) - 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 . Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия . В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы) .

Адсорбция и хемосорбция

На поверхности раздела двух фаз помимо адсорбции, обусловленной в основном физическими взаимодействиями (главным образом это Ван-дер-Ваальсовы силы), может идти химическая реакция. Этот процесс называется хемосорбцией . Чёткое разделение на адсорбцию и хемосорбцию не всегда возможно. Одним из основных параметров по которым различаются эти явления является тепловой эффект: так, тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата, тепловой эффект хемосорбции значительно выше. Кроме того в отличие от адсорбции хемосорбция обычно является необратимой и локализованной. Примером промежуточных вариантов, сочетающих черты и адсорбции и хемосорбции является взаимодействие кислорода на металлах и водорода на никеле: при низких температурах они адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать хемосорбция.

Схожие явления

В предыдущем разделе говорилось о случае протекания гетерогенной реакции на поверхности- хемосорбции. Однако бывают случаи гетерогенных реакций по всему объему, а не только на поверхности- это обычная гетерогенная реакция. Поглощение по всему объёму может проходить и под воздействием физических сил- этот случай называется абсорбцией.

Физическая адсорбция

Модели физической адсорбции
Образование монослоя	Энергетическая диаграмма

Рис. 1: a) адсорбент, b) адсорбат, c) адсорбтив (газовая фаза или раствор)	Рис. 2: a) адсорбент, b) адсорбат, c) газовая фаза, d - расстояние, E - энергия, E b - энергия адсорбции, (1) десорбция, (2) адсорбция
Поликонденсация	Избирательная адсорбция

Рис. 3: a) адсорбент, b) адсорбат, c) конденсат, d) адсорбтив (газовая фаза или раствор)	Рис. 4: a) адсорбент, b) адсорбат, c) адсорбтивы (газовая фаза или раствор): показана преимущественная адсорбция частиц голубого цвета

Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества) Ван-дер-Ваальсовы силы . Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называют хемосорбцией и химической адсорбцией . «Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией .

Физическая адсорбция является обратимым процессом, условие равновесия определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива P на вакантных местах поверхности адсорбента S * и десорбции - освобождения адсорбата из связанного состояния S − P :

;

уравнение равновесияя в таком случае:

, ,

где - доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом, - адсорбционный коэффициент Ленгмюра, а P - концентрация адсорбтива.

Поскольку и, соответственно, , уравнение адсорбционного равновесия может быть записано следующим образом:

Уравнение Ленгмюра является одной из форм уравнения изотермы адсорбции. Под уравнением изотермы адсорбции (чаще применяют сокращённый термин - изотерма адсорбции) понимают зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива a=f(С) при постоянной температуре (T=const ). Концентрация адсорбтива для случая адсорбции из жидкости выражается, как правило, в мольных либо массовых долях. Часто, особенно в случае адсорбции из растворов, пользуются относительной величиной: С/С s , где С - концентрация, С s - предельная концентрация (концентрация насыщения) адсорбтива при данной температуре. В случае адсорбции из газовой фазы концентрация может быть выражена в единицах абсолютного давления, либо, что особенно типично для адсорбции паров, в относительных единицах: P/P s , где P - давление пара, P s - давление насыщенных паров этого вещества. Саму величину адсорбции можно выразить также в единицах концентрации (отношение числа молекул адсорбата к общему числу молекул на границе раздела фаз). Для адсорбции на твёрдых адсорбентах, особенно при рассмотрении практических задач, используют отношение массы или количества поглощённого вещества к массе адсорбента, например мг/г или ммоль/г.

Значение адсорбции

Адсорбция - всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма - активированный уголь), силикагели , цеолиты а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

Установка для проведения адсорбции называется адсорбером .

См. также

Азотные установки адсорбционные

Примечания

Литература

Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Химия, 1989. - 464 с.
Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - М.: Мир, 1984. - 310 с.*
Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Мир. 1979. – 568 с.
Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. - Новосибирск: Наука. 1999. - 470 с.
Химическая энциклопедия. Т. 1. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - 623 с.
Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. - М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.

Ссылки

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Адсорбция на сайте «