что такое адсорбция где применяется адсорбция
адсорбция
Полезное
Смотреть что такое «адсорбция» в других словарях:
АДСОРБЦИЯ — (от лат. ad на, при и sorbeo поглощаю), процесс, приводящий к аномально высокой концентрации в ва (а д с о р б а т а) из газообразной или жидкой среды на поверхности её раздела с жидкостью или тв. телом (а д с о р б е н т о м). Частный случай… … Физическая энциклопедия
Адсорбция — [adsorptio всасывание, поглощение] поглощение поверхностью фазово инородного тела (адсорбента) каких либо веществ (адсорбатов) из смежной газовой или жидкой среды, протекающее на границе раздела фаз. А. из газовой фазы или из растворов нашла… … Геологическая энциклопедия
АДСОРБЦИЯ — (от лат. ad на при и sorbeo поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. Адсорбенты обычно имеют большую удельную поверхность до нескольких сотен м²/г. Физическая адсорбция… … Большой Энциклопедический словарь
адсорбция — Самопроизвольное изменение концентрации раствора или газовой смеси вблизи поверхности раздела фаз. Примечание Адсорбирующее твердое тело называется адсорбентом, адсорбируемое вещество адсорбатом. [ГОСТ 17567 81] адсорбция Удерживание физическими… … Справочник технического переводчика
Адсорбция — – поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ и м. А. А. Гвоздева, Москва, 2007 г. 110 стр.]… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
АДСОРБЦИЯ — (от лат. ad на и sorbeo поглощаю) поглощение различных веществ из растворов или воздушной среды поверхностями твердых тел. Может быть физической или химической (с образованием химических соединений), чаще всего сопровождается выделением тепла.… … Экологический словарь
адсорбция — поглощение вещества из раствора или газа поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом); играет важную роль в биол. системах, широко применяется в биохимии для разделения и очистки веществ. (Источник: «Микробиология: словарь… … Словарь микробиологии
адсорбция — и, ж. adsorption f. <лат. ad при + sorbere поглощать, всасывать. спец. Поглощение, всасывание вещества из раствора или газа поверхностью твердого тела или поверхностным слоем жидкости. Явления адсорбции. Адсорбция газов. Работы по изучению… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
адсорбция — – самопроизвольное изменение концентрации растворенного вещества на границе раздела фаз. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] Адсорбция – поглощение вещества поверхностью твердого или жидкого сорбента. Словарь по аналитической химии [3] … Химические термины
АДСОРБЦИЯ — (от латинского ad на, при и sorbeo поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. В промышленности адсорбцию осуществляют в аппаратах адсорберах. На адсорбции основаны осушка газов,… … Современная энциклопедия
АДСОРБЦИЯ — АДСОРБЦИЯ, притяжение газа или жидкости к поверхности твердого тела или жидкости, в отличие от абсорбции, при которой подразумевается проникновение одного вещества в другое (как, например, губка пропитывается водой). Количество адсорбируемого… … Научно-технический энциклопедический словарь
Х и м и я
Коллоидная химия
Адсорбция.
Сорбция
Сорбцией (от латинского sorbeo – поглощаю, втягиваю) называют любой процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом), независимо от механизма поглощения.
В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капилярную конденсацию.
Адсорбция это процесс, происходящий на границе раздела фаз. Он затрагиваетолько поверхностные слои, взаимодействующих фаз, и не распространяется на глубинные слои этих фаз.
Адсорбцией называют явление накопления одного вещества на поверхности другого. В общем случае, адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз.
Абсорбция, в отличии от адсорбции, это процесс захватывающий не только поверхность раздела фаз, но распространяющийся на весь объём сорбента.
Примером процесса абсорбции является растворение газов в жидкости.
Хемосорбцией называется поглощение одного вещества другим, сопровождающееся их химическим взаимодействием.
Капиллярная конденсация — сжижение пара в капиллярах, щелях или порах в твердых телах.
Явление конденсации отлично от физической адсорбции.
Таким образом, сорбционные процессы различны по их механизму. Однако, любой сорбционный процесс начинается с адсорбции на границе соприкасающихся фаз, которые могут быть жидкими, газообразными или твёрдыми.
Адсорбция
Напомним, что адсорбцией называют явление накопления одного вещества на поверхности другого. В общем случае, адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз.
Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях и адсорбироваться могут любые вещества.
Адсорбционное равновесие, т.е. равновесное распределение вещества между пограничным слоем и граничащими фазами является динамическим равновесием и быстро устанавливается.
Адсорбция понижается с понижением температуры.
Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтивом, поглощённое — адсорбатом. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбентом.
Адсорбция представляет собой обратимый процесс. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.
Удаление адсорбированных веществ с адсорбентов при помощи растворителей называют элюцией.
Различают молекулярную и ионную адсорбцию. Это различение происходит в зависимости от того, что адсорбируется – молекулы или ионы вещества.
Адсорбция на поверхности жидкостей
На поверхности жидкостей могут адсорбироваться частицы веществ, растворённых в жидкостях. Адсорбция сопровождает процесс растворения, влияя на распределение частичек растворённого вещества между поверхностным слоем растворителя и внутренним его объёмом.
В соответствии со вторым началом термодинамики поверхностная энергия жидкостей стремится к минимуму. В чистых растворителях уменьшение этой энергии происходит путём сокращения поверхности.
В растворах поверхностная энергия может понижаться или увеличиваться за счёт изменения концентрации частиц в поверхностном слое жидкости.
Гиббсом было установлено, что распределение растворяемого в жидкости вещества происходит так, чтобы достигалось максимальное уменьшение поверхностного натяжения.
Он же предложил уравнение, определяющее величину адсорбции Г, т.е избытка вещества, накапливающегося в 1 см 2 поверхностного слоя, имеющего толщину примерно в одну молекулу, по сравнению с содержанием этого вещества в таком же объёме внутри жидкости.
Следовательно, адсорбция Г зависит от величины поверхностной активности и концентрации вещества С.
Если при этом поверхностное натяжение уменьшается, то адсорбция Г имеет положительное значение.
Положительная адсорбция. Поверхностно-активные вещества.
Чем сильнее вещество понижает поверхностное натяжение, тем больше оно будет накапливаться в поверхностном слое.
Концентрация растворённого вещества в поверхностном слое станет значительно выше, чем в остальном объёме жидкости. Возникающая разность концентраций неизбежно вызовет диффузию, которая будет направлена из поверхностного слоя внутрь жидкости и явится препятствием для полного перехода всех растворённых частиц в поверхностный слой. Установится подвижное адсорбционное равновесие между растворённым веществом в поверхностном слое и остальном объёме жидкости.
Адсорбцию, сопровождающуюся накоплением вещества в поверхностном слое, называют положительной. Пределом её служит полное насыщение поверхностного слоя адсорбируемым веществом.
Положительно адсорбирующиеся вещества называют также поверхностно-активными веществами (ПАВ). В водных растворах роль ПАВов будут играть вещества с жирной и дифильной природой (жиры, большинство жирных кислот, кетоны, спирты, холестерин и др.).
Отрицательная адсорбция. Поверхностно-инактивные вещества.
Если растворённое вещество увеличивает поверхностное натяжение, то оно будет выталкиваться из поверхностного слоя внутрь адсорбента. Такую адсорбцию называют отрицательной.
Пределом отрицательной адсорбции является полное вытеснение адсорбтива из поверхностного слоя внутрь адсорбента (растворителя).
В результате разности концентраций возникнет диффузия, которая будет направлена в поверхностный слой. Поэтому в поверхностном слое всегда окажется некоторое количество адсорбтива.
Вещества, резко повышающие поверхностное натяжение, почти не содержатся в поверхностном слое разбавленных растворов. Лишь значительное увеличение концентрации подобных растворов приводит к перемещению в поверхностный слой заметных количеств растворённого вещества, что сопровождается увеличением поверхностного натяжения.
Отрицательно адсорбирующиеся вещества называются поверхностно-инактивными.
Адсорбция и поверхносное натяжение биологических жидкостей
Отрицательная и положительная адсорбция различных веществ в крови и протоплазме клеток имеет большое значение для обмена веществ в живых организмах.
Поверхностное натяжение биологических жидкостей значительно ниже, чем воды. Поэтому гидрофобные вещества, например кислоты жирного ряда, стероиды, будут накапливаться у стенок сосудов, клеточных мембран, что облегчает их проникновение сквозь эти мембраны.
Жидкость
Поверхностное натяжение эрг/см 2
Сыворотка крови человека (при 38 С)
Цитоплазма амёб (на границе с маслом)
Для адсорбции из водных растворов большое значение имеет наличие у молекул полярных (гидрофильных) и неполярных (гидрофобных) групп.
Так, в молекуле масляной кислоты имеется полярная группа СООН и гидрофобная углеводородная цепь:
Молекулы обладающие одновременно обеими видами групп, называются дифильными.
У дифильной молекулы с короткой гидрофобной цепью преобладают гидрофильные свойства, поэтому такие молекулы хорошо растворяются в воде, адсорбируясь отрицательно.
С удлинением углеводородной цепи усиливаются гидрофобные свойства молекул и понижается их растворимость в воде.
Следовательно, к поверхностно-активным веществам принадлежат вещества дифильной структуры, имеющие меньшее, чем растворитель, поверхностное натяжение, и растворение которых приводит к положительной адсорбции, вызывая понижение поверхностного натяжения.
Поверхностно-инактивные вещества обладают противоположными свойствами.
Одновременно с увеличением гидрофобных свойств молекул повышается их поверхностная активность. Так удлинение цепи в гомологическом ряду жирных кислот, спиртов, аминов и др. на радикал –СН2– увеличивает их способность к положительной адсорбции в разбавленных растворах в 3,2 раза (правило Траубе-Дюкло).
Поверхностные плёнки
Молекулы веществ с преобладанием гидрофобных свойств (жирные кислоты с большим молекулярным весом и др.) располагаются в основном на поверхности воды, образуя поверхностные плёнки.
При небольшом количестве таких молекул поверхностной плёнки не образуется. Если же молекул много, то они располагаются упорядоченно, одна рядом с другой, причём их гидрофобные части выступают над водной поверхностью, образуя так называемый частокол Лэнгмюра.
Поверхностная плёнка образуется мономолекулярным слоем молекул, каждая из которых занимает на поверхности воды определённую площадь. Толщину слоя и площадь, занимаемую каждой молекулой, можно расчитать.
Жирные кислоты с двумя полярными группами (например, олеиновая кислота) занимает площадь, вдвое большую, а молекулы с тремя полярными группами (например, тристеарин) – втрое большую площадь и т.д.
При избытке вещества с преимущественно гидрофобными свойствами его молекулы располагаются над молекулярной плёнкой.
Образование поверхностных плёнок нередко затрудняет процесс фильтрации.
На границе раздела воздух–вода в пузырьках воздуха, находящихся в растворе, может адсорбироваться поверхностно-активное вещество. Плёнка этого вещества образует как-бы оболочку вокруг пузырька. Такой пузырёк при продавливании через узкие поры в фильтре не способен резко деформироваться и поэтому может закупорить более крупные отверстия в фильтре, чем пузырёк без плёнки.
У водолазов, работающих на больших глубинах, иногда возникает, так называемая, кесонная болезнь. В их скафандры воздух подаётся под давлением и, следовательно, в крови водолазов растворяется повышенное количество газов.
При слишком быстром поднятии на поверхность давление в скафандрах резко понижается, и значительная часть газов крови выделяется в виде пузырьков, на которых образуется поверхностная плёнка из содержащихся в крови поверхностно-активных веществ.
Пузырьки газов закупоривают мелкие сосуды в различных тканях и органах, что приводит к тяжёлому заболеванию или даже гибели человека.
Подобная же паталогия может возникнуть и в результате резкого падения атмосферного давления при разгерметизации скафандров лётчиков и кабин самолётов при высотных полётах.
Для лечения кессонной болезни больного помещают в барокамеру, где создают большое давление. Пузырьки газов вновь растворяются в крови. В течении нескольких суток давление в барокамере медленно снижают. За это время избыточный газ из крови столь же медленно удаляется через лёгкие, не создавая закупорок.
Адсорбция твёрдыми телами
Твёрдыми телами могут адсорбироваться газы и пары, а также молекулы и ионы растворённых веществ.
Природа сил, вызывающих адсорбцию
Адсорбция на твёрдых телах может быть объяснена наличием силовых полей притяжения, возникающих за счёт неуравновешенных связей в кристалической решётке.
На выступающих участках твёрдого адсорбента (на активных центрах) адсорбция идёт особенно сильно. Так выступы на частичке угля в 4,5 раза интенсивнее адсорбируют кислород, чем углубления на его поверхности.
Адсорбционные силы слагаются из валентных сил взаимодействия (химических) и более слабых ван-дер-ваальсовых (физических). Роль тех и других при разных 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.
Адсорбционные силы могут быть достаточно велики. Так, для полного удаления со стекла адсорбированных молекул воды его необходимо сильно нагревать в вакууме.
Адсорбенты, обладающие мощными силовыми полями, оказываются сплошь покрытыми адсорбированными частицами. При незначительных же адсорбционных силах только более активные центры покрываеются адсорбируемыми частицами.
На адсорбцию влияет не только природа адсорбента, но и адсорбтива. Так, на твёрдых адсорбентах сильнее адсорбируются те газы, которые легче сжижаются, т.е. критическая температура которых выше.
Адсорбция представляет собой обратимый процесс. Адсорбированные частицы не остаются не остаются неподвижными. Они удерживаются на адсорбенте всего сотые и тысячные доли секунды и, десорбируясь, замещаются на новые частицы. К тому же они не являются строго фиксированными на адсорбенте, а могут перемещаться по его поверхности. В итоге устанавливается динамическое адсорбционное равновесие между свободными и адсорбированными частицами.
Скорость адсорбции имеет большое значение для практического использования различных адсорбентов.
Например, в противогазе проходящий через коробку воздух должен очень быстро очищаться от примесей отравляющих веществ, что возможно лишь при высоких скоростях адсорбционных процессов.
Необходимо указать, что активированный уголь в противогазе играет роль не только адсорбента ряда отравляющих веществ, но и катализатора реакций разложения некоторых из них.
В частности, активированный уголь катализирует гидролиз фосгена:
Повышение температуры понижает физическую адсорбцию адсорбцию, так как при этом усиливается движение молекул в адсорбционном слое, нарушается ориентация адсорбированных молекул, т.е. увеличивается десорбция.
С другой стороны увеличение температуры увеличивает энергию адсорбированных частиц, что усиливает химическую адсорбцию.
Следовательно, в одних случаях повышение температуры усиливает десорбцию, в других – увеличивает адсорбцию.
Так, для большинства газов повышение температуры уменьшает адсорбцию. В то же время увеличение температуры от –185 до +20°С в 10 раз увеличивает адсорбцию кислорода платиной, так как при этом возрастает химическая адсорбция.
Повышение давления газов и паров увеличивает адсорбцию.
При адсорбции паров наблюдают так называемую капилярную конденсацию, протекающую на угле и других пористых адсорбентах.
Сконденсировавшаяся в капилярах жидкость образует вогнутый мениск, над которым пар оказывается насыщенным при более низком давлении, чем над плоской поверхностью. Это повышает конденсацию паров в капилярах адсорбента.
Капилярная конденсация особенно выражена у легко сжижаемых газов.
Хемосорбция
При хемосорбции вещество вступает с адсорбентом в химическую реакцию, например:
Если вновь образующиеся при хемосорбции молекулы диффундируют в глубь вещества адсорбента, то достижение сорбционного равновесия наступает медленнее, так как оно зависит от скорости диффузии.
Если же при хемосорбции на поверхности сорбента возникают недиффундирующие молекулы, т.е. образуется плёнка, то она тормозит и со временем останавливает процесс хемосорбции.
Так, пластинка алюминия, сорбируя кислород, покрывается плёнкой из оксида оалюминия, что быстро прекращает процесс хемосорбции:
Хемосорбция, как и всякая химическая реакция, может быть экзо- или эндотермической. Следовательно повышение температуры усиливает одни хемосорбционные процессы и ослабляет другие.
Полностью разграничить адсорбцию и хемосорбцию нельзя. Обычно эти два процесса протекают совместно.
Адсорбция. Общие сведения о процессе. Область применения. Промышленные адсорбенты и их характеристика
Адсорбция– процесс поглощения газов, паров или жидкостей поверхностью твёрдого тела, называемого адсорбентом.
Эффективными адсорбентами обычно являются вещества с высокоразвитой поверхностью. На практике в качестве адсорбентов применяются активированные угли, силикагель, отбеливающие земли, глины. Большое количество мельчайших пор образует значительную внутреннюю поглотительную поверхность адсорбента.
Адсорбция является одним из эффективных методов разделения газообразных или жидких смесей компонентов, отличающихся по химической структуре. Этот процесс широко распространён в промышленной и лабораторной практике, так как даёт достаточно высокую степень разделения.
Метод адсорбции можно эффективно использовать для аналитических целей при определении количественного состава газообразных и жидких смесей.
Адсорбцию можно применять как для очистки смесей от нежелательных компонентов, так и наоборот, для извлечения из смеси желательных компонентов. Так, при очистке масел в качестве адсорбента используются отбеливающие земли – глины, они служат для удаления смол и некоторых нежелательных веществ (нафтеновых кислот, остатков кислого гудрона, растворителей и т. д.). На газобензиновых заводах активированный уголь служит для улавливания из нефтяных газов газового бензина, который является целевым продуктом.
Адсорбция применяется для определения состава газа, углеводородного состава различных нефтепродуктов в жидком виде, потенциального содержания масел в нефти. Используется в промышленности для отбензинивания природных и попутных углеводородных газов, разделения газов нефтепереработки с целью получения водорода, этилена и др. компонентов, для осушки газов и жидкости, выделения низкомолекулярных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов) из соответствующих бензиновых фракций, для очистки парафина и др.
На использовании принципа адсорбции основана работа противогаза (создателем его является Н.Д. Зелинский).
Сравнительно недавно появился новый вид высокоэффективных адсорбентов – цеолиты или так называемые молекулярные сита, представляющие собой алюмосиликаты натрия или кальция с регулируемыми размерами пор, сечение которых соизмеримо с размерами молекул. Отличительной особенностью этих адсорбентов является однородность пор по их размерам, поэтому они адсорбируют только те молекулы, которые могут проникнуть в эти поры (адсорбируют н-бутан и не поглощают изобутан).
Молекулярные сита применяются
— для разделения смесей газов или жидкостей по размерам молекул (отделение нормальных углеводородов от их изомеров);
— для осушки газов и жидкостей;
— для очистки газов и жидкостей от примесей при низкой их концентрации.
Весьма важной характеристикой адсорбентов является их активность, характеризующая поглотительную способность адсорбента по отношению к различным веществам.
Явление адсорбции, т.е. поглощение вещества поверхностью, объясняется наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и молекулами адсорбируемого вещества.
Молекулы адсорбента, находящиеся внутри его объёма, не обладают поглощающей способностью, так как силы притяжения между такими молекулами взаимно уравновешиваются.
Различают два вида адсорбции
При физической адсорбции молекулы поглощаемого вещества удерживаются на поверхности абсорбента, не вступая с ним в химическую реакцию.
Связь молекул адсорбата (поглощаемого вещества) с адсорбентом не очень прочная. Процесс этот чаще всего эндотермический.
При хемосорбции молекулы адсорбата химически взаимодействуют с адсорбентом, связь между ними значительно прочнее, чем в первом случае.
Различные вещества по отношению к данному адсорбенту обладают различной способностью адсорбироваться (различной энергией адсорбции), поэтому при вводе в слой адсорбента смеси веществ преимущественно адсорбируются компоненты смеси, обладающие наибольшей адсорбируемостью. Это свойство называется избирательностью и является основой адсорбционного разделения.
Процесс адсорбции прекращается, когда активная поверхность адсорбента будет заполнена слоем молекул адсорбата.
Если в слой адсорбента ввести сравнительно небольшое количество разделяемой смеси, то в этом случае адсорбируются все компоненты. Это происходит до тех пор, пока вся поверхность адсорбента не будет заполнена. Если продолжать подачу исходной смеси, то молекулы с более высокой адсорбируемостью будут вытеснять частично с поверхности адсорбента молекулы вещества с меньшей адсорбируемостью и установится равновесие между адсорбированной и не адсорбированной средами.
Так, в случае адсорбции газовых компонентов в момент наступления равновесия количество адсорбированного газа определяется следующим выражением
; (7.1)
Величина α = M/La, показывающая количество поглощаемого компонента на единицу количества адсорбента (в условиях равновесия), называется активностью адсорбента по отношению к данному компоненту.
Активность можно измерять в разных единицах (% масс на адсорбент, в граммах на кг адсорбента и т. д.)
Если исходная смесь проходит через определённый слой адсорбента, то процесс также протекает послойно в направлении движения исходной разделяемой смеси. Адсорбционное разделение в данном слое адсорбента будет завершено, когда в потоке, выходящем из этого слоя, появится компонент, подлежащий извлечению из исходной смеси, т.е. когда поверхность адсорбента в соответствии с состоянием равновесия заполнится извлекаемым компонентом и наблюдается «проскок» этого компонента с уходящим потоком.
Количество вещества, адсорбируемого поверхностью, определяется состоянием равновесия и зависит от природы адсорбента и адсорбируемого вещества, концентрации вещества в исходной смеси, температуры процесса и, если адсорбция происходит в газовой фазе, то от давления.
По мере прохождения через слой адсорбента концентрация адсорбируемого вещества уменьшается, поэтому и количество адсорбируемого вещества по высоте слоя также изменяется. Максимальное значение соответствует состоянию равновесия с потоком, отходящим от слоя адсорбента. Изменение количества адсорбируемого вещества происходит на небольшой высоте слоя адсорбента. Если для процесса взят достаточно большой слой адсорбента, то большая часть его окажется полностью отработанной, т.е. насыщенной до состояния равновесия с исходной смесью.
Адсорбируемость компонентов зависит от их природы, от структуры и природы адсорбента. Адсорбируемость углеводородов обычно возрастает с увеличением их молекулярной массы. Однако в большей степени она зависит от структуры их молекул (для ароматических углеводородов адсорбируемость возрастает с увеличением числа циклов).
Сернистые соединения имеют такую же и даже более высокую адсорбируемость, чем парафиновые и нафтеновые углеводороды, поэтому их адсорбцией не разделяют. Кислородные, смолистые и азотистые органические соединения имеют повышенную адсорбируемость по сравнению с компонентами углеводородной смеси, поэтому разделение их легко осуществить.
Адсорбируемость высокомолекулярных непредельных углеводородов изучена мало.
Изотерма адсорбции
Адсорбционное равновесие характеризуется определённой зависимостью между концентрацией или парциальным давлением вещества в растворе и на поверхности адсорбента. Количественно адсорбцию принято характеризовать изотермой адсорбции, которая связывает при данной температуре количество адсорбированного единицей массы адсорбента вещества (в массовых, мольных или объёмных долях) с составом или парциальным давлением (для газовой среды) разделяемой смеси.
Строятся изотермы на основе экспериментальных данных. Количество адсорбированного вещества возрастает с увеличением его концентрации (или парциального давления) и с понижением температуры адсорбции (сам процесс сопровождается выделением тепла). Наибольшее распространение имеют следующие уравнения адсорбции
; (7.2)
; (7.3)
| Рисунок 7.1 – Изотермы адсорбции |
где а – количество адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента (его активность);
Одним из важных показателей, характеризующих процесс адсорбции, является скорость адсорбции (от её значения зависят размеры аппарата).
В общем случае скорость адсорбции слагается из следующих скоростей
— скорости подвода вещества к внешней поверхности зёрен адсорбента (внешняя диффузия);
— скорости перемещения вещества внутри зёрен адсорбента по его порам (внутренняя диффузия);
— скорость собственно адсорбции, которая протекает мгновенно и поэтому не лимитирует скорость процесса в целом.
Скорость процесса адсорбции может лимитироваться только скоростью внешней диффузии, только скоростью внутренней диффузии или зависеть одновременно от обеих стадий.
В зависимости от стадии, лимитирующей адсорбцию, скорость подразделяется на внешнедиффузионную, внутреннедиффузионную, смешанную. Внешнедиффузионная скорость зависит от гидродинамического режима (скорости потока), температуры, диаметра зёрен адсорбента, коэффициента диффузии в среде между зёрнами, вязкости и плотности среды. Внутреннедиффузионная скорость процесса определяется сложным явлением внутренней диффузии как в объёме пор, так и на их поверхности. Перемещение молекул в объёме пор зависит от диаметра пор, размера гранулы, размеров адсорбированных молекул, температуры и других факторов.
Наряду с перемещением молекул в объёме пор происходит перемещение их по поверхности адсорбента от одного активного центра к другому (фольмеровская или поверхностная диффузия). (При низкой температуре молекулы вещества адсорбируются на наиболее активных центрах, совершая при этом колебания. С увеличением температуры амплитуда колебаний увеличивается и молекула перескакивает на соседние не занятые центры. Для этого требуется определённая энергия активации, скорость растёт с увеличением температуры.
В общем случае твёрдое вещество имеет поры различной величины и формы, поэтому перенос вещества внутри гранул адсорбента (в объёме пор и на поверхности) может происходить различными путями. Так как явления внешней и внутренней диффузии чрезвычайно сложны, то описать их математически трудно. Часто скорость адсорбции описывается уравнением:
, (7.4)
На рисунке 7.2 представлены кинетические кривые адсорбции бензола из раствора в н-гептане мелкопористым силикагелем. Концентрация бензола составляет 120 кмоль/л раствора. Из рисунка видно, что скорость адсорбции сильно возрастает с повышением температуры от 20 до 40 С. Из кривых следует, что данная система приближается к равновесию примерно на 95% за 20 минут при 40 0 С; за 35 минут при температуре 30 0 C и за 120 минут при температуре 20 0 С.
Десорбция адсорбентов
Если в газовом потоке или в растворе, проходящем через слой адсорбента, концентрация (парциальное давление) адсорбируемого компонента ниже равновесной, то данные компоненты десорбируются с поверхности и переходят в газовый поток или раствор до тех пор, пока не установиться новое состояние равновесия.
 Рисунок 7.2 – Кинетические кривые адсорбции |
На промышленных установках, предназначенных для разделения смесей, вслед за стадией адсорбции протекает десорбция поглощаемых компонентов с поверхности адсорбента; при этом происходит восстановление его адсорбционных свойств.
Процесс десорбции (регенерация адсорбента) может быть осуществлён следующими основными способами.
1) Поглощённые компоненты с поверхности адсорбента вытесняются другим веществом, обладающим более высокой адсорбируемостью, затем это вещество отделяют от адсорбента. Так, при адсорбции углеводородных газов в качестве десорбирующего агента можно использовать водяной пар, который вытесняет углеводороды и занимает их место, т.к. обладает большей адсорбируемостью. При этом происходит конденсация водяного пара. Когда десорбция углеводородов закончена, для полного восстановления первоначальной активности адсорбент нужно высушить и охладить до температуры адсорбции. Десорбция в этом случае сопровождается разогревом адсорбента за счёт тепла конденсации водяного пара, что облегчает десорбцию. При адсорбции жидких углеводородных смесей в качестве десорбирующего агента можно использовать органические жидкости, обладающие более высокой адсорбционной способностью, чем поглощаемые компоненты, например, низкомолекулярные ароматические углеводороды (бензол, ксилол) или их смеси с полярными растворителями (спирты, кетоны).
2) Адсорбированные компоненты могут вытесняться веществом с меньшей адсорбируемостью (неполярные растворители), когда процесс десорбции происходит за счёт нарушения состояния равновесия между адсорбированной фазой и протекающим через слой адсорбента раствором из-за меньшей концентрации данных компонентов в растворе, чем это нужно по условию равновесия с адсорбированной средой. Так, при адсорбции нефтепродуктов десорбирующим агентом может быть бензиновая фракция, отличающаяся по температурным пределам кипения от пределов кипения исходной смеси, что позволяет затем отделить эту бензиновую фракцию обычной перегонкой.
3) Испарение адсорбированных компонентов при нагреве адсорбента или понижении общего или парциального давления в системе. Такой метод применяют при разделении смесей сравнительно летучих компонентов.
4) Окислительная регенерация, когда адсорбированное вещество выжигают с поверхности адсорбента. Этот метод применяют, когда адсорбированные вещества отличаются весьма высокой адсорбируемостью и удалить их с поверхности адсорбента ранее рассмотренными методами трудно. К окислительной регенерации прибегают, если выжигаемые компоненты не являются целевыми и их потеря в виде продуктов сгорания допустима (при удалении с поверхности адсорбента смолистых веществ).
Процесс регенерации адсорбента можно осуществить комбинированным методом (из рассмотренных выше). Метод десорбции выбирают в зависимости от конкретных условий, свойств разделяемой смеси, масштаба производства и экономики процесса.
Дессорбция облегчается с повышением температуры (равновесие смещается) и расхода десорбирующего агента. Десорбция газообразных и легколетучих компонентов облегчается с повышением давления в системе.
Например, при разделении смесей газообразных углеводородов на активированном угле расход водяного пара на десорбцию составляет около 2,5 кг на 1 кг десорбируемого вещества. Этот пар при десорбции не конденсируется.
Кроме того, водяной пар расходуется на нагрев адсорбента, изоляции адсорбера и других элементов системы, а также на компенсацию теплоты, смачивание угля водой. Этот пар конденсируется и 80…90% образующегося конденсата остаётся в угле. При использовании неполярных растворителей температура десорбции лежит в диапазоне от 80 до 150 е С, а расход растворителя составляет 100…400% от массы адсорбента.
При работе с полярными растворителями десорбция протекает при температурах 40…80 0 С, а расход растворителя 50…200%.
Время, необходимое для процесса десорбции, значительно меньше, чем время адсорбции из-за более высокой температуры и меньшей вязкости среды.
При десорбции адсорбционная способность адсорбента может восстанавливаться полностью или частично в зависимости от адсорбируемости десорбирующих веществ, выбранного места десорбции, режима процесса (температуры, расхода десорбирующего агента и т.д.). В ряде случаев оправданно частичное (неполное) восстановление адсорбционной способности адсорбента, т.к. при этом сокращаются эксплуатационные затраты.
Наибольшее снижение адсорбционной способности часто наблюдается после первой регенерации, в дальнейшем она снижается значительно меньше. Это объясняется тем, что с части поверхности адсорбента адсорбированные компоненты не удаляются и эта часть поверхности в дальнейшем процессе не участвует.
При использовании в качестве десорбирующего агента полярных растворителей обычно более полно восстанавливается адсорбционная способность адсорбента.
Многократно повторяющаяся окислительная регенерация приводит к полному восстановлению свойств адсорбента.
Температурный режим окислительной регенерации: 300…350 0 C для силикагелей и 600…650 0 С для алюмосиликатов катализатора крекинга. Перегрев адсорбента недопустим, так как он приводит к снижению адсорбционной способности.