Адсорбция газов и паров на твердых адсорбентах (г/тв, ж/тв) является чисто поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул адсорбата (адсорбтива) с поверхностью адсорбента за счет сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей. Количество поглощенного газа или пара твердым адсорбентом в результате адсорбции зависит от следующих факторов:

Ø природы и площади поверхности адсорбента;

Ø природы поглощаемого газа или пара;

Ø концентрации адсорбтива (газа или пара);

Ø температуры.

Адсорбция газов и паров на твердых адсорбентах зависит прежде всего от свободной поверхностной энергии, которая имеет большую величину для адсорбентов с аморфной структурой (активированный уголь) на выступах, впадинах и в капиллярах, а для кристаллических (оксиды кремния, алюминия) - на ребрах, углах и в трещинах кристаллов. Поэтому адсорбент тем эффективней, чем мельче измельчен и чем выше его пористость. Важной характеристикой твердых адсорбентов является величина удельной поверхности S уд (м 2 /г). У непористых адсорбентов (оксиды металлов, соли, сажа) S уд = 0,01 – 10 м 2 /г, а у пористых (активированный уголь, силикагель (SiO 2)n , цеолиты (Me n Al x Si y (H 2 O) z , где Me –Na, K, Ca, Mg) - S уд = 10 3 –10 5 м 2 /г. Процесс активации углей заключается в обжиге угля без доступа воздуха или в пропарке его перегретым паром, при этом происходит увеличениеих пористости за счет очистки от смол, заполняющих поры, и создание новых пор. Например, 1 таблетка активированного угля, массой 0,25 г, имеет поверхность »100 м 2 .

Пористые тела классифицируют на макропористые, переходнопористые и микропористые в зависимости от размера пор и механизма протекающих в них адсорбционных процессов.

Макропористые тела имеют поры радиусом больше 50 нм, S уд =
0,5–2 м 2 /г. Такие поры намного больше адсорбируемых молекул. Их стенки рассматривают как ровные поверхности, поэтому для макропористых тел применима теория адсорбции Ленгмюра. В адсорбентах макропоры играют роль транспортных каналов. К макропористым телам относятся асбест, древесина, хлеб, сухари и др.

Переходнопористые (мезопористые) тела имеют размеры пор
2–50 нм, S уд = 10–500 м 2 /г. На стенках этих пор при малых давлениях происходит полимолекулярная адсорбция паров, которая с увеличением давления заканчивается капиллярной конденсацией. К переходнопористым адсорбентам можно отнести силикагели, алюмогели, алюмосиликагели.

Микропористые тела обладают порами, соизмеримыми с размерами адсорбируемых молекул. Радиусы пор лежат в пределах от 0,5 до 2 нм, S уд = 500–1000 м 2 /г и выше. Отличительная черта микропор – близкое расположение противоположных стенок. Поэтому поля поверхностных сил перекрываются и действуют во всем объеме микропор. К микропористым телам применима адсорбционная теория объемного заполнения микропор. К микропористым адсорбентам относят цеолиты и некоторые активированные угли.

Для микропористых адсорбентов характерен так называемый «ситовый» эффект. Он заключается в том, что адсорбироваться могут только те молекулы, размеры которых меньше размеров микропор или равны им, в связи с чем, все микропористые адсорбенты называют «молекулярным ситами».

Большинство промышленных адсорбентов характеризуется широкой полидисперсностью, и относится к смешанным типам адсорбентов.

В зависимости от природы адсорбенты подразделяются на неполярные (гидрофобные) – сажа, активированный уголь, тальк (3MgO×H 2 O×4SiO 2), фторопласт, и полярные (гидрофильные) – силикагель (SiO 2)n, алюмогель (Al 2 O 3)n, глины, цеолиты.

Адсорбируемость газа или пара определяется его сродством к поверхности адсорбента. Полярные вещества лучше адсорбируются на полярных адсорбентах, а неполярные – на неполярных адсорбентах. При этом, чем больше адсорбтив склонен к межмолекулярным взаимодействиям, тем лучше он адсорбируется.

Адсорбируемость различных газов на активированном угле приведена в табл. 1 (см. также табл.8 приложения).

Таблица 1

& При физической адсорбции смеси газов или паров лучше адсорбируется тот компонент, который легче сжижается, так как его молекулы более склонны к межмолекулярным взаимодействиям.

Влияние концентрации (или давления) газов или паров на процесс адсорбции имеет сложный характер. Графически (рис. 5) это выражается зависимостью величины удельной адсорбции (Г) от концентрации поглощаемого вещества в системе при постоянной температуре и называется изотермой адсорбции .

Рис. 5. Изотерма адсорбции Ленгмюра

Скорость адсорбции на легкодоступной поверхности большая, а на пористых адсорбентах протекает медленнее, и с тем меньшей скоростью, чем тоньше поры адсорбента. Поэтому время установления адсорбционного равновесия на пористых адсорбентах, как правило, значительно, что нужно помнить при работе с пористыми адсорбентами.

При равновесии концентрация газа или пара в окружающей среде и на поверхности адсорбента постоянны. С увеличением концентрации или давления газа в системе возрастает и его адсорбция, но до определенного предела. В этом случае изотерма адсорбции содержит три участка. При очень малых концентрациях изотерма прямолинейна (I), т.е. удельная адсорбция (Г) возрастает практически прямо пропорционально концентрации газа. При больших концентрациях изотерма имеет вид горизонтальной прямой (III), т.е. величина удельной адсорбции, достигнув величины Г ¥ , не изменяется. Это предел адсорбции, отвечающий полному насыщению поверхности адсорбента молекулами адсорбтива. Средний участок изотермы (II) адсорбции соответствует еще неполному насыщению поверхности.

Закономерности адсорбции, которые выявляет изотерма адсорбции, описываются теорией Ленгмюра , основные положения которой следующие:

Ø адсорбция молекул происходит не на всей поверхности адсорбента, а только на адсорбционных (активных) центрах, где имеются участки с нескомпенсированными силовыми полями;

Ø каждый адсорбционный центр может удерживать только одну молекулу адсорбтива, при этом адсорбированные молекулы не взаимодействуют со свободными молекулами, что и приводит к образованию мономолекулярного слоя поглощаемого вещества;

Ø процесс адсорбции носит динамический характер, т.к. адсорбированные молекулы удерживаются адсорбционными центрами только в течение определенного промежутка времени, после чего происходит десорбция этих молекул и адсорбция того же числа новых молекул.

Исходя из этих положений, Ленгмюр предложил уравнение адсорбции:

Г = Г ¥ ,

где Г ¥ – величина предельной адсорбции; с – равновесная концентрация адсорбтива в системе, a - константа адсорбционного равновесия.

Американский химик Ирвинг Ленгмюр (1881-1957) родился в Нью-Йорке, в Бруклине. Он был третьим ребенком в семье Чарльза и Сэйди (Каминг) Ленгмюр. Отец его, шотландец по происхождению, работал страховым агентом, а род его матери восходил к первым английским переселенцам-пуританам, которые высадились на землю Северной Америки с корабля «Мейфлауэр» в 1620 г. Получив два образования – химическое и по математической физике, – Ленгмюр посвятил свою жизнь фундаментальным научным исследованиям.

В основе его первого крупного вклада в науку лежали исследования, проведенные им в ходе подготовки докторской диссертации. Они касались характеристик нитей по их способности гореть в различных газах. Через три года после того, как Ленгмюр начал работать в компании «Дженерал электрик», он оспорил общепринятое среди инженеров-электриков представление о том, что безукоризненная лампа получается благодаря безукоризненному вакууму. Вместо этого он доказал, что если колба электрической лампы наполнена азотом, то лампа светит сильнее и ярче, чем любая другая. Простота и эффективность новой электрической лампы обеспечивала экономию огромного количества энергии. Интерес Ленгмюра к явлениям, связанным с вакуумом, привел его к изобретению в 1916 г. ртутного высоковакуумного насоса. Этот насос был в 100 раз более мощным, чем любой из ранее существовавших, и с его помощью Ленгмюру удалось создать низкое давление, необходимое для изготовления вакуумных трубок, которые применяются в радиотехнике. Приблизительно в это же время Ленгмюр подверг анализу узкую пластинку вольфрама, покрытую оксидом тория, с целью установить ее способность испускать электроны. Он обнаружил, что вольфрамовая нить «ведет себя лучше всего», если она покрыта слоем оксида тория толщиной всего в одну молекулу.

Это открытие заставило Ленгмюра обратиться к изучению поверхностных явлений – молекулярной активности, которая наблюдается в тонких покрытиях или на поверхностях. В этом фактически двухмерном мире он изучал адсорбцию и поверхностное напряжение, а также поведение тонких покрытий жидких и твердых тел. Адсорбцию – способность определенных веществ удерживать на своей поверхности молекулы других веществ – исследовали в XIX в. шотландский химик Д. Дьюар и американский физик Д.Гиббс. Однако обобщенная, опирающаяся на результаты экспериментов концепция все еще не была выработана.

Основываясь на имеющихся достижениях в области теории строения атома, Ленгмюр описал химическое поведение поверхностей как поведение отдельных атомов и молекул, которые занимают определенные места, подобно фигурам на шахматной доске. Он также установил, что в явлении адсорбции принимают участие 6 сил: кулоновские силы, дипольные межмолекулярные силы, валентные силы, силы притяжения Вандер-Ваальса, силы отталкивания, вызываемые непроницаемостью заполненных электронных оболочек, и электронное давление, которое уравновешивает силы кулоновского взаимодействия. Во время первой мировой войны Ленгмюру пришлось прервать изучение химии поверхностей, так как он разрабатывал механизм обнаружения подводных лодок для военно-морских сил США.

В 1923 г. Ленгмюр приступил к продолжавшемуся в течение девяти лет исследованию свойств электрических разрядов в газах. Ученый ввел термин «плазма» для ионизированного газа, который образовывался, когда в ходе экспериментов применялись чрезвычайно мощные переменные токи. Он также разработал теорию электронной температуры и способ измерения как электронной температуры, так и ионной плотности с помощью специального электрода, называемого теперь щупом Ленгмюра. Контролируемый термоядерный синтез основывается на теориях плазмы, которые были впервые выдвинуты Ленгмюром.

В 1932 г. Ленгмюру была присуждена Нобелевская премия по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений». Его вклад в химию поверхностных процессов имел очень большое значение для многих технических областей: в биологии – для изучения сложных вирусов, в химии – для исследования гигантских молекул, в оптике – для изучения передачи света.

Начиная с 1938 г. и до выхода в отставку Ленгмюр посвятил себя изучению мира природы, особенно атмосферы. Во время второй мировой войны Ленгмюр участвовал в создании аппаратуры, обеспечивающей дымовую завесу, которая скрывала войска и корабли от наблюдения противника. Ученый работал также над созданием методов предотвращения оледенения самолетов. После войны Ленгмюр вернулся к интересовавшим его занятиям метеорологией и выступал за создание контроля над погодой, осуществляемого путем рассеивания облаков с помощью сухого льда (твердой углекислоты) и йодида серебра.

Ленгмюр, которого постоянно приглашали выступать в качестве лектора и популяризатора научных знаний, с удовольствием делился своими взглядами на философию науки и взаимоотношение науки и общества. Одной из его наиболее любимых тем была: «Свобода, которая характерна для демократии и необходима для научных открытий». Ленгмюр воспитал двух приемных детей.

Помимо Нобелевской премии, Ленгмюр получил много других наград. Он был членом американской Национальной академии наук и Лондонского королевского общества, президентом Американского химического общества (1929) и Американской ассоциации содействия развитию науки (1941). Ленгмюру были присвоены 15 почетных ученых степеней. Его именем названа гора на Аляске, а также один из колледжей Нью-Йоркского государственного университета в Стони-Брук.

Для определения величины адсорбции на твердом адсорбенте применяется также эмпирическое уравнение Фрейндлиха :

Г = = K·р 1 / n ; или Г = = K·с 1 / n ,

где K и 1/n – эмпирические константы, не имеющие физического смысла;

р и с – равновесные давление и концентрация адсорбтива.

На практике при больших концентрациях адсорбтива на изотерме адсорбции после участка, соответствующего насыщению поверхности, обычно наблюдается резкое увеличение удельной адсорбции. Это происходит из-за перехода от мономолекулярной к полимолекулярной адсорбции, что и приводит к увеличению удельной адсорбции (рис.6).

Рис. 6. Переход от мономолекулярной к полимолекулярной адсорбции

Сначала пар адсорбируется в порах и конденсируется в жидкость, заполняя самые тонкие капилляры с образованием вогнутого мениска. Давление насыщенного пара над вогнутым мениском всегда меньше давления пара над плоской поверхностью жидкости, поэтому в капиллярах пар начинает конденсироваться при более низком его давлении, заполняя, прежде всего, наиболее мелкие поры.

Таким образом, капиллярная конденсация является вторичным процессом и происходит за счет сил притяжения молекул пара к поверхности вогнутого мениска жидкости в порах. Капиллярная конденсация происходит достаточно быстро в течение нескольких минут.

Повышение температуры, в соответствии с принципом Ле-Шателье, уменьшает физическую адсорбцию, так как она является экзотермическим процессом (DН < 0) (рис.7).

Рис. 7. Влияние температуры на величину адсорбции

Герберт Макс Фрейндлих (1880 – 1941) – немецкий физикохимик родился в Берлине. Учился в Мюнхенском и Лейпцигском университетах (доктор философии, 1908). Преподавал в Лейпцигском университете, в 1911-1916 гг. в Высшей технической школе Брауншвейга, с 1916 г. работал в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма в Берлине. С 1923 г. профессор Берлинского университета, с 1925 г. – Высшей технической школы в Берлине. В 1933 г. эмигрировал в Англию, где преподавал в Университетском колледже в Лондоне. С 1938 г. профессор университета Миннесоты (США).

Основные работы относятся к коллоидной химии. Исследовал (с 1911) коагуляцию и устойчивость коллоидных растворов. Установил (1920-1922) зависимость адсорбции от температуры, подтвердил справедливость эмпирического уравнения изотермы адсорбции, которое вывел в 1888 г. голландский химик И. М. ван Бемелен (т.н. изотерма адсорбции Фрейндлиха). Открыл (1930) коллоидные системы, способные к обратимому гелеобразованию при постоянной температуре и покое. Установил способность твёрдообразных структур обратимо разрушаться (разжижаться) при механическом воздействии и назвал это явление тиксотропией. Использовал эффект тиксотропии в технологии силикатов. Занимался коллоиднохимическими проблемами, связанными с биологией и медициной.

Этой темой у нас плотно занимается камрад BERES. Меня она тоже очень заинтересовала, так как на первый взгляд сложно переоценить эффект от внедрения этой технологии в развитии транспорта на природном газе, особенно в свете проблем с жидкими углеводородами. Ведь в основном, сейчас на газовом транспорте используется так называемый КПГ.

КПГ (Компримированный природный газ) — сжатый природный газ (метан), используемый в качестве моторного топлива. В настоящее время автомобили, использующие компримированный природный газ, получают все большее распространение во всем мире и России в частности, в связи с дороговизной или нехваткой жидких топлив.

Больше всего автомобилей, работающих на КПГ (около 70 %) сосредоточено в шести странах: Иране, Пакистане, Аргентине, Бразилии, Китае и Индии.

К примеру 1 литр жидкого моторного топлива энергетически эквивалентен 1 кубическому метру метана. Один кубический метр метана в 4-7 раз дешевле 1 литра жидких моторных топлив.

При всех плюсах такого топлива: его малой стоимости, его экологичности, его меньшей взрывоопасности, чем пропано-бутановая смесь и даже бензин, у этой технологии есть большой минус в том, что газ приходится закачивать и хранить в балонах высокого давления (до 200 атмосфер), что ограничивает ее развитие.

Чтобы решить эту проблему, надо либо использовать СПГ (сжиженный природный газ), который можно держать под невысоким давлением, но тогда весь выигрыш нивелируется тем, что его надо охлаждать и хранить с температурой до −160 °C, что конечно является чушью, или требуется использовать АПГ.

АПГ (Адсорбированный природный газ) — это природный газ адсорбированный на пористом сорбенте при относительно низком давлении 30-50 атм. (в 4 раза меньше, чем КПГ) и температуре окружающей среды (СПГ напомню хранится при -160°C) .

Почему же не видно прогресса этой технологии?

Стоит ознакомится с этой диссертацией, которая в сети появилась совсем недавно и которая дала ответ на многие вопросы:

www.bmstu.ru/dissertation/content/files/148/dissertation.pdf

Вот что пишет BERES:

Пиндосы уже запустили трактор на АПГ, ну так им ДАРПА выделило в 10 раз больше денег, чем нам надо.

Точнее трактор-газонокосильщик. Видео здесь: https://www.youtube.com/watch?v=pkoEqksmys4.

Молекулы метана располагаются в порах композитного адсорбента при значительно меньшем давлении, чем в свободном объеме. Освобождается метан просто при снятии давления. Это происходит не мгновенно, как при закачке, но достаточно быстро, чтобы не создавать проблему двигателю, он же тоже не всё топливо мгновенно засасывает.

При адсорбции действуют ван-дер-ваальсовы силы (силы межмолекулярного взаимодействия).

44 бара (примерно 44 атм.) — это оптимальное давление и закачки, и хранения, при увеличении давления адсорбция почти прекращается, т.е в баллон АПГ влезает в 4,5 раза больше метана, чем в просто баллон. А давление в 5 раз меньше = это вес самого железа в 5 раз меньше, баллон может быть не цельнотянутый, а сварной и произвольной формы, например прятаться в полостях авто, не занимая полезного места. Плюс, как это ни странно для обывателя, значительно бОльшая пожаро-взрывобезопасность по сравнению с бензином, тем более пропан-бутаном.

В диссертации оговариваются границы оптимального давления от 18 до 57 бара.

Заправка идет медленно — 20 мин. Но есть больше дюжины решений для ускорения или обхода этого ограничения. Например, охлаждение баллона при заправке — если заправка идет с СПГ, то нет проблем….Или на каждые три баллона АПГ один КПГ, используемый в качестве ресивера — заправка почти мгновенная, а затем в движении заправляются баллоны КПГ. Конечно, нужно будет скоро отъехать и дозаправиться, зато запас хода после двух быстрых заправок — как на бензине. И это самые очевидные варианты. Есть конечно, риск, что ни один вариант не приживется, такое в истории техники известно сплошь и рядом.

Метан уходит за 20 мин на 98%, На 100% — за 40 . Кстати, такую скорость и отсутствие остатка я пока не могу объяснить, но это экспериментальный факт. Обычные 293 К для этого адсорбента — наихудший диапазон, при более низких и, что самое интересное, при более высоких температурах поглощение улучшается. Графены знаете ли…. Очень странный материал.

Была получена теоретическая величина объемного показателя углеродных нанотрубок — 161 м 3((тнд)/м 3, то есть в 1 куб. м балона помещалось 161 куб.м газа при давлении до 50 бар. Что является довольно высоким показателем, но примерно соответствует карбидовым и антрацитовым активированным углям, которые являются более дешевыми и простыми в изготовлении. Возможно что BERES получил более лучший показатель.

Стальной баллон практически вечен — стенки толстые, химнагрузки — никакой, вода и кислород поглощаются адсорбентом и отдаются им с газом, так что агентов ржавления нет.

Без комментариев.

Адсорбент производится из природного сырья, 15 тыс. руб за тонну, не дефицит. Адсорбент для 50 л баллона весит 5 кг.

Если это так, то это реально дешево!

В диссертации показано, что на сегодняшний день созданы сорбенты, которые могут быть использованы в технологии АПГ, но как всегда есть несколько НО!

В диссертации поднимаются две основные проблемы технологии АПГ, которые как раз и не дают возможности ее широкого распространения:

1) Тепловые эффекты адсорбции и десорбции, то есть нагревания сорбента при адсорбции природного газа и охлаждении при его десорбции.

2) Селективность адсорбции, которая приводит к неравномерному поглощению компонентов газовой смеси, ведь в природном газе всегда есть примеси, которые действуют «токсически» на сорбент и накапливаются с каждым циклом адсорбции-десорбции все больше и больше, выступая конкурентом метана.

И если первую проблему можно относительно просто решить техническими методами: увеличением времени зарядки и разрядки сорбента, активным внешним нагреванием или охлаждением в зависимости от фазы процесса, то вторую проблему так просто не решить! Придется или часто менять «отравленный» примесями сорбент, что подразумевает его достаточную дешевизну или использовать в заправке сверхчистый метан, что ведет к необходимости повышать степень его очистки.

Так что думаю, что никакого заговора против АПГ нет. Ведь внедрению КПГ никто не препятствует, а медленный рост рынка КПГ объяснятся недостатком технологии его использования.

Так и АПГ, пока не внедряется в нашу жизнь в связи с еще большими недостатками этой технологии.

Если же вдруг эти технические недочеты будут устранены, то переход на АПГ в транспорте несомненно будет настолько же революционным, насколько революционен был переход парового двигателя на угле на двигатель внутреннего сгорания на бензине и дизеле в начале 20 века.

1. Поверхность твердого тела, в отличие от поверхности жидкости, имеет сложный, неоднородный характер. Даже полированное зеркало имеет на поверхности выступы размерами до 3 * 10 -7 см.

2. Адсорбция происходит не на всей поверхности, а лишь на активных центрах.

3. Адсорбция кинетически обратима – наряду с адсорбцией газа происходит его десорбция. Адсорбционное равновесие устанавливается очень быстро. Молекула газа статается адсорбированной, если она находится в поверхностном слое в течение определенного времени, называемого временем адсорбции т. Существуют методы, позволяющие экспериментально определить т. Так, для паров кадмия, адсорбированных на стекле, = 10 -6 -10 -12 с в зависимости от температуры; для паров аргона на стекле =3*10 -5 с, при 90 К и = 75 * 10- 5 с при 78 К.

В зависимости от природы адсорбционных сил адсорбция газов и паров может быть физической и химической (см. параграф 2.5).

С повышением температуры физическая адсорбция уменьшается, так как возрастает интенсивность теплового движения молекул газа, стремящихся равномерно распределиться по всему объему системы. Это приводит к уменьшению времени адсорбции, а следовательно, к уменьшению количества адсорбированного вещества.

При хемосорбции молекулы адсорбата образуют с адсорбентом химические соединения. Хемосорбция может быть поверхностной (химическая реакция протекает только в пределах поверхностного слоя). Например, при адсорбции кислорода на поверхности алюминия происходит реакция:

4А1 + 3О 2 = 2А1 2 О 3 ,

в результате которой алюминий покрывается прочной оксидной пленкой.

Хемосорбция может быть и объемной, когда слой вещества, образовавшегося в результате реакции на поверхности, не препятствует дальнейшему проникновению газа в объем твёрдого адсорбента, например:

СаО (тв) + СО 2(г) = СаСО 3(ТВ) ,

Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции, является необратимой.

Обычно имеют место промежуточные случай, когда основная масса адсорбированного вещества связана с адсорбентом сравнительно слабо, а следы его связаны прочно и могут быть удалены лишь путем длительного прогревания и откачивания. Водород на никеле при низких температурах адсорбируется физически ввиду малой скорости химической реакции, но при повышений температуры начинает протекать адсорбция с заметной энергией активации по типу химических реакций.

4. Поверхность адсорбента часто бывает пористой. Наличие пор приводит к тому, что адсорбция сопровождается капиллярной конденсацией.

5. Наряду с адсорбцией, представляющей собой поверхностный процесс, может происходить поглощение газа или пара всем объемом твердого тела (например, поглощение водорода металлическим палладием или платиной). Это явление называется адсорбцией.

Адсорбцию газа на твердом адсорбенте количественно характеризуют величиной а:

где v i – количество i-гo газа, адсорбированного на твердом адсорбенте; m – масса адсорбента.

Иногда вместо количества газа указывают его массу (m):

Часто количество газа выражают через его объем, приведенный к нормальным условиям:

Каким образом охарактеризована адсорбция, легко установить по размерности приведенной величины а i .

Величина адсорбции газа на твердом адсорбенте зависит от следующих факторов:

Температуры;

Концентрации (равновесного давления) пара или газа в поверхностном слое;

В природы твердого тела;

Адсорбция на границе твердое тело-газ

Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость. Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее количественные и качественные характеристики, т.е. механизм адсорбции.

Твердые поверхности в качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело – газ (Т-Г) т твердое тело – жидкость (Т-Ж).

В отличие от поверхности жидкости поверхность твердых тел геометрически и энергетически неоднородна – твердые адсорбенты могут иметь поры. Одной из основных характеристик подобных адсорбентов является пористость П, она равна отношению суммарного объема пор V п к общему объему адсорбента V об, т.е. . В зависимости от пористости твердые адсорбенты делятся на две группы: непористые и пористые .

Поверхность раздела фаз у непористых адсорбентов соответствует контуру твердого тела. У пористого адсорбента эта поверхность значительно больше за счет наличия пор. Часто пористые адсорбенты применяют в виде порошков.

Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название сорбции.

Различают четыре основных сорбционных процесса: абсорбцию, адсорбцию, капиллярную конденсацию, хемосорбцию.

Абсорбцией называют поглощение газа или пара всем объемом твердого вещества или жидкости.

Этот процесс состоит в проникновении молекул газа в массу сорбента и заканчивается образованием твердого или жидкого раствора. Распространение молекул газа в твердой или жидкой фазе происходит главным образом путем диффузии. Так как в твердых веществах скорость диффузии очень мала, то абсорбция в них протекает очень медленно и для установления равновесия требуется значительное время.

Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением.

Адсорбция является чисто поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата (газа или растворенного вещества) с поверхностью адсорбента за счет сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, электростатических сил. Скорость такого процесса велика, и адсорбция протекает мгновенно.

Капиллярная конденсация представляет собой процесс сжижения пара в порах твердого сорбента. Пар может конденсироваться лишь при температуре ниже критической. Если образующаяся жидкость хорошо смачивает стенки капилляров, т.е. поверхность сорбента, то в капиллярах образуются вогнутые мениски в результате слияния жидких адсорбционных слоев, возникающих на стенках капилляров. Капиллярная конденсация происходит под действием не адсорбционных сил, а сил притяжения молекул пара к поверхности вогнутого мениска жидкости в порах. Протекает она достаточно быстро и заканчивается в течение нескольких минут.

Хемосорбция – это процесс адсорбции, который протекает под действием сил основных валентностей, поэтому ее относят к химической адсорбции.

Вопрос 2. Физическая и химическая адсорбция и их особенности

Адсорбция на твердых поверхностях может быть объяснена наличием силовых полей притяжения, возникающих за счет неуравновешенных связей в кристаллической решетке.

Адсорбционные силы слагаются из валентных сил взаимодействия (химических) и более слабых Ван-дер-ваальсовых (физических). Роль тех и других при различных случаях адсорбции различна. Так, в самом начале адсорбции большинства газов, когда их давление мало, наблюдается химическая адсорбция; с увеличением давления она уступает место физической, которая в основном определяет адсорбцию газов. На адсорбцию влияет не только природа адсорбента, но и адсорбтива. На твердых адсорбентах сильнее адсорбируются те газы, которые легче сжижаются, т.е. критическая температура которых выше.

Физическая адсорбция является обратимым экзотермическим процессом; при повышении температуры адсорбция уменьшается, а десорбция усиливается. Теплоты физической адсорбции невелики и обычно составляют 8-20 кДж/моль. Физическая адсорбция не носит специфического избирательного характера. Хемосорбция, напротив, специфична. Она зависит как от природы адсорбента, так и от природы адсорбата. Энергия связи адсорбент – адсорбат достаточно велика и примерно равна теплоте образования химических соединений (80-800 кДж/моль). С повышением температуры хемосорбция возрастает, подчиняясь законам химической кинетики и равновесия гетерогенных реакций. Хемосорбция часто необратима и приводит к образованию прочных поверхностных соединений между адсорбентом и адсорбатом.

Следует отметить, что явления физической и химической адсорбции четко различаются только в крайних случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо (физическая адсорбция) и лишь небольшая часть связана прочно и может быть удалена длительным прогреванием и вакуумированием (химическая адсорбция). Например, кислород на металлах или водород на никеле адсорбируются при низких температурах по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать адсорбция с заметной энергией активации. В определенном интервале повышения температур прирост химической адсорбции перекрывает падение физической адсорбции.

Вопрос 3. Основные положения теории адсорбции

Существуют теории: мономолекулярной адсорбции (Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра), теория полимолекулярной адсорбции (Теория полимолекулярной адсорбции Поляни) и Обобщенная теория Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ).

Вопрос 4. Понятие о молекулярной и полимолекулярной адсорбции. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра и его физический смысл.

В 1915г. И.Ленгмюр предложил теорию мономолекулярной адсорбции. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра справедливо для широкого интервала концентраций и для границ раздела, как подвижных (ж-г, ж-ж), так и твердых (т-г, т-ж).

Вывод уравнения изотермы Ленгмюра для твердых адсорбентов базируется на ряде исходных предпосылок:

1) адсорбционные силы подобны силам основных валентностей и действуют на малых расстояниях;

2) адсорбционной активностью обладает не вся поверхность, а лишь определенные активные центры, расположенные преимущественно на выпуклых участках поверхности: выступах, ребрах, углах;

3) молекулы адсорбированного газа фиксируются на адсорбционных центрах, не перемещаются по поверхности адсорбента и не взаимодействуют друг с другом.

4) Каждый активный центр обладает малым радиусом действия и способен насыщаться. Поэтому активный центр может провзаимодействовать лишь с одной молекулой адсорбата. В результате этого на поверхности адсорбента может образоваться только один (мономолекулярный) слой адсорбата (мономолекулярная адсорбция).

5) Адсорбированные молекулы удерживаются данным активным центром только в течение определенного промежутка времени. Через некоторое время молекулы отрываются от активного центра и переходят в газовую фазу.

Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра для адсорбции из растворов уравнение имеет вид:

(1)

для адсорбции газов:

(2)

где К – константа равновесия адсорбции. Она тем больше, чем сильнее выражено сродство данного адсорбируемого вещества к данному адсорбенту. Помимо природы адсорбента и адсорбата на величину К влияет температура. С повышением температуры усиливается процесс десорбции, так как возрастает кинетическая энергия молекул адсорбата и константа К уменьшается.

А ПР - предельная адсорбция. Величина А ПР зависит от числа адсорбционных центров на единице поверхности или массы адсорбента и размеров молекул адсорбата. Чем крупнее молекулы адсорбата, тем больше площадь, приходящаяся на молекулу в адсорбционном слое, и тем меньше величина А ПР.

Графическое изображение изотермы адсорбции Ленгмюра приведено на рис. 1. Для кривой характерно наличие трех участков: начального линейного, среднего в виде отрезка параболы и конечного линейного, идущего параллельно оси абсцисс.

Рис 1 Изотерма адсорбции Ленгмюра

Анализ уравнения Ленгмюра показывает, что в зависимости от концентрации адсорбата оно может принимать различные формы.

При малых концентрациях, когда К<<1, этой величиной в знаменателе можно пренебречь и уравнение принимает вид:

Согласно этому выражению, адсорбция растет линейно с увеличением концентрации. На графике изотермы адсорбции этому условию соответствует начальный участок кривой (I).

В области больших концентраций К>>1 и в знаменателе уравнения (2) можно пренебречь единицей, тогда

Полученное равенство указывает на насыщение поверхности адсорбатом. На графике изотермы адсорбции этому условию соответствует горизонтальный линейный участок III, на котором величина адсорбции уже не зависит от концентрации. Для описания среднего участка кривой используют уравнение Фрейндлиха.

Определения величин К и А ПР в уравнении Ленгмюра проводят графическим способом. Для этого берут линейную форму уравнения. Для этого делят единицу на обе части уравнения () . Получают уравнение типа y=a+bx:

(5)