АДСОРБЦІЯ ГАЗІВ ТА ПАРІВ НА ПОРИСТИХ ТІЛАХ

Особливості адсорбції

Связнодісперсние (структуровані) системи відрізняються від вільнодисперсні характером взаємодії, частинки дисперсної фази в них пов'язані один з одним за рахунок міжмолекулярних сил. Такі системи називаються пористими тілами. Більшість пористих, особливо високопористих тел можна уявити як більш-менш жорсткі просторових структури - сітки або каркаси (в колоїдної хімії такі системи називають гелями - вугілля, торф, деревина, картон, папір, тканини, зерно, шкіра, глина, грунт, слабообожженнис керамічні матеріали). При зміні дисперсності макропористі тіла переходять в мікропористі з розмірами пор, порівнянними з розмірами молекул. У цьому випадку, як і в разі свободнодіснерсних систем, уявлення про внутрішній поверхні втрачає фізичний зміст. Адсорбція газів та парів на пористих тілах має особливості, пов'язані з будовою пористих тіл (наявністю внутрішньої міжфазної поверхні). Адсорбційна здатність, тобто утримування газів і парів пористими тілами залежить як від природи взаємодіючих тіл, так і від структури пористого тіла (кількості і розмірів пор і капілярів, розподілу їх за обсягом, пористості і т.п.). Для опису адсорбції в залежності від дисперсності використовуються різні теорії і рівняння (табл. 2.4).

Опис поверхневих явищ в пористих тілах

Таблиця 2.4

Адсорбційна здатність пористих тіл по відношенню до вологи може сильно відрізнятися, так як вони вступають з рідиною в зв'язку, різні за своєю природою:

• - хімічні, які реалізуються при сольватації, коли молекули рідини входять в структуру кристала, і видалити вологу можна тільки за допомогою хімічної реакції або прожарювання;
• - фізико-хімічні, які проявляються при адсорбції, завдяки молекулярним силам Ван-ДСР-Ваальса і водневим зв'язкам;
• - фізико-мсханічсскіс, обумовлені капілярними силами.

Позитивна адсорбція на пористих тілах можлива при наявності достатнього спорідненості між адсорбентом і адсорбатом для змочування. На практиці в якості адсорбентів, призначених для поділу, вилучення і очищення речовин, застосовують спеціально синтезовані високопористі тіла - активне вугілля, силікагелі, алюмогели, цеоліти, які відрізняють велика питома поверхня, механічна міцність і вибірковість. Щоб збільшити адсорбцію, підбирають такі адсорбенти, які отримані з речовин, що мають велику спорідненість до даного адсорбатом (табл. 2.5).

При малих тисках в макро- і мезапорістих адсорбентах адсорбція визначається переважно природою взаємодіючих компонентів. Мікропориста структура забезпечує різке збільшення адсорбційного потенціалу, тому для збільшення поглинальної здатності адсорбентів при малих тисках змінюють їх структуру, перетворюючи в мікропористі тіла (наприклад, активування вугілля).

Зі збільшенням тиску газу або пари починають діяти капілярні сили в мсзапорістих структурах. При цьому адсорбційний потенціал зростає і конденсація відбувається при меншому тиску: чим менше розмір пір, тим при більш низькому тиску вони заповнюються.

Адсорбція газів на деревному вугіллі при 288 К

Таблиця 2.5

Вибірковість адсорбції визначається природою підлягають розподілу газів і парів. При малих тисках вибірковість визначається спорідненістю до поверхні адсорбенту: чим більше відмінність у спорідненості адсорбованих газів, тим легше розділити суміш. Для мікропористих адсорбентів додаткову роль відіграє молекулярно-ситової ефект. Зі збільшенням тиску або з пониженням температури при настанні конденсації в мезапорах основний вплив на розподіл починає надавати природа газів і їх здатність до конденсації (чим менше тиск, при якому газ починає конденсуватися, темн краще він буде адсорбуватися).

Макропори мають малу поверхню і тому частка адсорбованого в них речовини невелика. Основна роль макропор в адсорбентах полягає в забезпеченні транспортування молекул адсорбата до меза- і мікропорами.

Пористість і дисперсність визначають питому поверхню адсорбентів, зі збільшенням якої зростає кількість витягується речовини, що припадає на одиницю маси - ємність адсорбенту. При одній і тій же масі адсорбенту з ростом питомої поверхні зменшується рівноважна концентрація в об'ємі розчину. Питома поверхня виступає в ролі термодинамічної параметра додатково до тиску і температурі.

Структура пористого тіла може в значній мірі впливати і на кінетику адсорбції, так як одна зі стадій процесу пов'язана з перенесенням речовини всередині пір і для неї характерний дифузний механізм. Часто ця стадія визначає час встановлення адсорбційної рівноваги.