Loeng number 20
Adsorptsiooni teel mida nimetatakse gaaside, aurude ja vedelike neeldumiseks poorsete tahkete ainete poolt, mida nimetatakse adsorbentideks; gaasi või vedeliku adsorbeeritud ainet nimetatakse adsorbeeriv ja pärast üleminekut adsorbeerivale faasile - adsorbaat... Praktikas kasutatavatel adsorbentidel on kõrgelt arenenud sisepind (kuni 1000 m2 / g), mis tekib tahkete materjalide eritöötluse või sünteesi teel.
Adsorptsioonimehhanism erineb imendumismehhanismist, kuna aine ekstraheerimine toimub tahke aine, mitte vedeliku abil.
Adsorptsioon on jagatud kahte tüüpi: füüsikaline ja keemiline. Füüsiline adsorptsioon on peamiselt tingitud van der Waalsi pinna jõududest, mis avalduvad adsorbeeritud molekulide suurust oluliselt ületavatel vahemaadel; seetõttu jäävad adsorbendi pinnale tavaliselt mitmed adsorbaatmolekulide kihid. Kell keemiline adsorptsioon imendunud aine siseneb adsorbentiga keemilisse interaktsiooni, moodustades selle pinnale tavapäraseid keemilisi ühendeid.
Tõmbejõud tekivad adsorbenti pinnal tänu sellele, et pinna aatomite ja molekulide jõuvälja ei tasakaalusta naaberosakeste vastastikmõju jõud. Füüsikalise olemuse kohaselt on neeldunud aine molekulide ja adsorbenti vaheliste interaktsioonide jõud peamiselt hajutavad, mis tulenevad elektronide liikumisest lähenevates molekulides. Mõnel adsorptsiooni korral on elektrostaatilised ja induktsioonijõud ning vesiniksidemed väga olulised.
Adsorbendi pinna täitmine adsorbaadiga tasakaalustab osaliselt pinna jõud ja vähendab selle tulemusena pindpinevust (vaba spetsiifilist pinnaenergiat). Seetõttu on adsorptsioon spontaanne protsess, mille kulgemisega kaasneb süsteemi vaba energia ja entroopia vähenemine.
Adsorptsiooniprotsessid on selektiivsed ja pöörduvad. Pöörd adsorptsiooni protsessi nimetatakse desorptsioon, mida kasutatakse imendunud ainete eraldamiseks ja adsorbenti regenereerimiseks.
Kõige ratsionaalsem on kasutada adsorptsiooni madala koguse taaskasutatavate ainete segude töötlemiseks. Sellisel juhul pikeneb adsorptsiooniaparaadi tööaeg - adsorbeerija- adsorptsiooni staadiumis enne desorptsioonile üleminekut.
Tüüpilised adsorptsiooninäited on gaaside ja vedelike kuivatamine, süsivesinike segude eraldamine, lahusti taaskasutamine, ventilatsiooni heitmete puhastamine ja Reovesi jne. Viimasel ajal on adsorptsiooni tähtsus märkimisväärselt suurenenud, eriti seoses keskkonnaprobleemide ja ülipuhaste ainete saamise probleemide lahendamisega.
8.1. Peamised tööstuslikud adsorbendid ja nende omadused
Peamised tööstuslikud adsorbendid on poorsed kehad, millel on suur hulk mikropoore. Adsorbentide omadused määratakse materjali olemuse järgi, millest need on valmistatud, ja poorse sisemise struktuuri.
Tööstuslikes adsorbentides sorbitakse peamine kogus imendunud ainet mikropooride seintele ( r < 10–9 м). Роль переходных пор (10–9 < r < 10–7 м) и макропор (r> 10–7 m) taandub peamiselt adsorbeeritud aine transpordile mikropooridesse.
Adsorbente iseloomustab nende omadus imenduv või adsorptsioon, võime, mis on määratud adsorbeeriva aine maksimaalse võimaliku kontsentratsiooniga adsorbenti massi või mahuühiku kohta. Imamisvõime väärtus sõltub adsorbenti tüübist, selle poorsest struktuurist, imendunud aine olemusest, selle kontsentratsioonist, temperatuurist ning gaaside ja aurude puhul - nende osarõhust. Sellistes tingimustes nimetatakse tavaliselt adsorbenti maksimaalset võimalikku imamisvõimet tasakaalu aktiivsus.
Kõrval keemiline koostis kõik adsorbendid võib jagada süsinik ja mittesüsinik... Süsiniku adsorbendid hõlmavad aktiivne(aktiveeritud) süsinik, süsinikkiust materjalid, samuti mõned liigid tahke kütus... Mittesüsinike adsorbentide hulka kuuluvad silikageelid, reaktiivne alumiiniumoksiid, alumiiniumoksiidgeelid, tseoliidid ja savikivid.
Aktiivseid süsinikke, mis koosnevad paljudest juhuslikult paigutatud grafiidist mikrokristallidest, kasutatakse tavaliselt orgaaniliste ainete absorbeerimiseks vedelike ja gaaside (aurude) puhastamisel ja eraldamisel. Need adsorbendid saadakse lenduvate ainete eemaldamiseks paljude süsinikku sisaldavate ainete (puit, kivisüsi, loomaluud, puuviljaseemned jne) kuivdestilleerimisel. Pärast seda aktiveeritakse kivisüsi, näiteks kaltsineeritakse seda temperatuuril 850–900 ° C, mis viib pooride vabanemiseni vaigulistest ainetest ja uute mikropooride moodustumisest. Aktiveerimine toimub ka vaigude ekstraheerimisega pooridest orgaaniliste lahustitega, oksüdeerimisega atmosfääri hapnikuga jne. Kivide söe struktuur muutub nende aktiveerimisel homogeensemaks. keemilised meetodid: töödeldes neid kuumade soolalahustega (näiteks sulfaadid, nitraadid jne) või mineraalhapetega (väävel-, lämmastik- jne).
Aktiveeritud süsinike eripind on väga suur ja moodustab 6 × 105–17 × 105 m2 / kg ning nende puistetihedus on 200–900 kg / m3. Aktiivseid süsinikke kasutatakse ebakorrapäraste osakeste kujul suurusega 1–7 mm, silindreid läbimõõduga 2–3 mm ja kõrgusega 4–6 mm ning pulbrit, mille osakeste suurus on alla 0,15 mm. Viimast tüüpi aktiivseid süsinikke kasutatakse lahuste eraldamiseks.
Aktiivsüsi peamised puudused on nende tuleohtlikkus ja madal mehaaniline tugevus.
Silikageeli - dehüdreeritud ränihappegeeli () - kasutatakse polaarsete ühendite adsorptsiooniks. Seda kasutatakse gaaside ja vedelike kuivatamisel, orgaaniliste ainete eraldamisel gaasifaasis ja kromatograafias. Silikageel saadakse naatriumsilikaadi (lahustuv klaas) lahuse töötlemisel väävelhappega (mõnikord vesinikkloriidhappega) või soolalahustega happelise reaktsiooniga. Saadud geeli pestakse veega ja kuivatatakse lõpliku niiskusesisalduseni 5–7%, kuna sellel niiskusesisaldusel on silikageelil suurim adsorptsioonivõime. Silikageeli eripind on 4 × 105–7,7 × 105 m2 / kg, puistetihedus 400–800 kg / m3. Ebakorrapärase kujuga osakeste suurus varieerub üsna laias vahemikus - 0,2 kuni 7 mm.
Silikageelide eelised hõlmavad nende süttimatust ja suuremat mehaanilist tugevust kui aktiivsüsi. Silikageelide puuduseks aktiivsüsinikega on lisaks nende väiksemale eripinnale ka niiskuse juuresolekul orgaaniliste aurude suhtes imendumisvõime järsk langus.
Sorptsiooniomaduste poolest on silikageel tihedalt seotud alumogeelid saadakse alumiiniumhüdroksiidi kuumtöötlemisel temperatuuril 600–1000 ° С. Saadud sorbendi (92%) pooride läbimõõt on 1–3 nm, eripind 2 × 105 5–4 × 105 m 2 / kg; sellise sorbendi puistetihedus on 1600. Alumogeele kasutatakse gaaside kuivatamiseks, puhastamiseks vesilahused ja mineraalõlisid kasutatakse katalüsaatoritena ja nende kandjatena.
Tseoliidid on looduslikud või sünteetilised mineraalid, mis on alumiiniumsilikaatide vesilahused, mis sisaldavad leelis- ja leelismuldmetallide oksiide. Neid adsorbente eristab korrapärane pooride struktuur, mille suurus vastab imendunud molekulide suurusele. Tseoliitide eripära on see, et adsorptsioonipinnad on omavahel ühendatud teatud läbimõõduga akendega, mille kaudu saavad tungida ainult väiksemad molekulid. See on aluseks segude eraldamiseks erineva suurusega molekulidega, mis oli põhjus tseoliitide nimetamiseks molekulaarsõelad.
Gaasisegude eraldamiseks kasutatakse tseoliite pallide või graanulite kujul suurusega 1 kuni 5 mm ja vedelate segude eraldamiseks - peeneteralise pulbri kujul.
Tseoliite kasutatakse eriti laialdaselt gaaside ja vedelike sügavkuivatamiseks, sarnase molekulmassiga ainete segude puhastamise ja eraldamise protsessides, samuti katalüsaatoritena ja nende kandjatena.
Vedelike puhastamiseks erinevatest lisanditest kasutatakse adsorbentidena looduslikke savikive. Nende savide aktiveerimiseks töödeldakse neid väävel- või vesinikkloriidhapetega ja saadakse adsorbent, mille pooride pindala on suurusjärgus (1,0 ÷ 1,5) · 10 5 m 2 / kg. Samuti võib teatud tüüpi turvast kasutada vedelike puhastamiseks.
Pange tähele, et adsorbente iseloomustab ka staatiline ja dünaamiline aktiivsus. All staatiline tegevus mõista aine kogust, mida adsorbendi massi- või mahuühik neelab adsorptsiooni algusest kuni tasakaalu saavutamiseni. Seda tüüpi tegevus määratakse staatilistes tingimustes, st. ilma gaaside segu või lahuse liikumiseta. Kui segu liigub läbi adsorbeeriva kihi, lakkab adsorbent teatud aja möödudes absorbeerimast ekstraheeritud komponenti täielikult ja see komponent "puruneb" koos komponendi kontsentratsiooni suurenemisega segus, mis väljub kihist, kuni tasakaal on saavutatud. Nimetatakse aine kogust, mida adsorbenti massi- või mahuühik neelab enne läbimurde algust dünaamiline tegevus adsorbent. Dünaamiline aktiivsus on alati väiksem kui staatiline, mistõttu adsorbenti koguse määrab selle dünaamiline aktiivsus.
Tasakaal adsorptsioonis
Absorbeerunud aine tasakaalukontsentratsiooni (kg / kg puhast adsorbenti) saab esitada kontsentratsiooni funktsioonina koos ja temperatuur T:
või osarõhu funktsioonina R ja temperatuur T gaasi adsorptsiooni korral:
kus koos- adsorbeeriva aine kontsentratsioon puistefaasis, kg / m3; R Kas adsorbeeriva aine osarõhk on hulgifaasis, Pa.
Keskendumise vahel 
gaasisegus adsorbeerunud aine ja selle osarõhk R vastavalt Clapeyroni võrrandile on otsene proportsionaalsus:
kus R- gaasikonstant, J / (kg · K).
Sõltuvust või konstantsel temperatuuril nimetatakse adsorptsiooni isoterm.
Adsorptsiooni isotermid on kujutatud kõveratega, mille kuju määrab peamiselt adsorbaadi ja adsorbenti olemus ning selle poorne struktuur. Kogu adsorptsiooniprotsesside analüüsimiseks vajalike isotermivormide hulgast tuleks esile tõsta kumer ja nõgus (joonis 8.1). Oluline on märkida, et isotermide esialgsed lõigud on lineaarsed.
Tasakaalusõltuvusi kirjeldavad mitmed empiirilised ja teoreetilised võrrandid. Adsorptsiooniprotsesside tasakaalu kirjeldamiseks osutus kõige viljakamaks pooride mahu täitmise teooria, mis oli potentsiaalse adsorptsiooniteooria väljatöötamine.
Adsorptsioonipotentsiaali all AGA mõista adsorptsioonijõudude tööd, kui üks mool adsorbeerivat ainet viiakse rõhu kaudu tasakaalugaasifaasist üle R adsorptsioonikile pinnal, mille rõhk on võrdne adsorbeeriva aine küllastunud aururõhuga pS vaadeldava juures T.
Riis. 8.1. Kumerad ja nõgusad adsorptsiooni isotermid
Adsorptsioonipotentsiaali väljendab suhe
(8.2)
Adsorptsiooni ajal mikropooride maht V n on täidetud adsorbaadiga, mille mahu saab arvutada tasakaalu adsorptsiooni väärtuse abil:
(8.3)
kus M- adsorbaadi molekulmass; V Kas adsorbaadi molaarne maht.
Leiti, et samale adsorbentile adsorbeeritud erinevate ainete puhul on adsorptsioonipotentsiaalide suhe samadel väärtustel V n konstantne ja võrdne afiinsuskoefitsient b, mis on antud aine ja standardse aine molaarmahtude või parahhooride suhe, mille väärtus on teatmeteoses.
Mitmete mikropoorsete adsorbentide puhul on adsorptsioonimahtude erinevate täidetud alade jaotumine Gaussi jaotuse kujul:
(8.4)
kus W 0 - mikropooride kogumaht; E Kas jaotusfunktsiooni parameeter.
Lahendades ühiselt võrrandeid (8.2) ja (8.3), võttes arvesse afiinsuskoefitsienti, saadi võrrand, mis kirjeldab homogeense poorse struktuuriga mikropoorsete adsorbentide (sünteetilised tseoliidid) adsorptsiooniisotermisid:
Keerukate mikropoorsete struktuuridega adsorbentidele (mikropoorsed ränidioksiidgeelid, aktiivsed süsinikud)
(8.6)
kus on adsorbenti iseloomustavad konstandid; T- temperatuur.
Koos pooride mahu täitmise teoorial põhinevate seostega kasutatakse adsorptsiooni tasakaalu kirjeldamiseks veel mitmeid võrrandeid, mille hulgas on tuntuim Langmuiri võrrand.
Protsess sorptsioon on ainete, gaaside või muude vedelike imendumine ühe keskkonna - vedeliku või muu keskkonna - tahke keha kaudu. Aine, mis neelab keskkonda - sorbent... Ainet, gaasi või vedelikku, mida sorbent neelab, nimetatakse sorbaat või sorbtiv.
Sorptsiooni nähtus jaguneb sõltuvalt sellest, kuidas teised söötmed teisi imenduvad, adsorptsiooniks, imendumiseks, kemosorptsiooniks ja kapillaaride kondenseerumiseks.
Adsorptsioon ja imendumist erinevad selle poolest, kuidas üks aine teises jaotub. Imendumise ajal imendub ja jaotub aine kogu vedela absorbendi mahus. Adsorptsiooni ajal koguneb tahke, vedel või gaasiline sorbaat adsorbeeriva faasi liidesele (tahke aine või vedeliku pinnale).
Kell staatiline sorptsioon imendunud aine gaasi või vedeliku kujul puutub kokku või seguneb statsionaarse sorbendiga. Staatiline sorptsioon realiseeritakse segamisseadmetega seadmetes.
Kell dünaamiline sorptsioon neelduv liikuv vedelik või gaasiline faas lastakse läbi sorbendikihi. Dünaamiline sorptsioon on teostatud seadmetes, kus on keevkiht ja erinevat tüüpi filtrid.
Sõltuvalt sorptsiooni tüübist saab eristada sorbendi staatilist ja dünaamilist aktiivsust. Staatiline sorbendi aktiivsus on imendunud aine kogus sorbendi massiühiku kohta tasakaalu saavutamise hetkeks. Tasakaalu saavutamise tingimused on vedeliku konstantne temperatuur ja aine algkontsentratsioon.
Sorbendi dünaamiline aktiivsus on määratletud kui aeg imendunud aine läbimise algusest kuni selle läbimurrani, see tähendab väljumine sorbendikihist välja, või kui aine imenduv kogus piirdub sorbenti mahuühiku või massiga kuni hetkeni. imendunud aine läbimurre läbi sorbendikihi.
Tööstuslikes adsorbentides on sorbendi dünaamiline aktiivsus vahemikus 45-90% .
Reaalsetes tingimustes toimuvad sorptsiooniprotsessid dünaamilise tüübi järgi, kuna see on tootmisprotsessi automatiseerimise ja selle järjepidevuse jaoks vastuvõetavam.
Suhe sorbendi poolt imendunud aine koguse ja tasakaalu hetkel lahusesse jääva aine vahel on jaotusseadusele vastav.
Omadused, mis mõjutavad adsorptsiooniprotsessi kiirust:
Adsorptsiooniprotsess koosneb kolmest etapist:
Arvatakse, et adsorptsioon toimub suure kiirusega ja adsorptsiooni staadium ei piira protsessi kiirust. Seetõttu peetakse piiravaks etapiks kas välist või sisemist difusiooni. Võib juhtuda, et protsessi piiravad mõlemad difusioonietapid.
Välise difusiooni valdkonnas sõltub aine massiülekande kiirus voolu turbulentsi suurusest, see tähendab vedeliku voolu kiirusest.
Massiülekande intensiivsus intradifusioonipiirkonnas sõltub suuresti adsorbenti omadustest - selle tüübist, pooride suurusest, terade kujust ja suurusest, neeldunud aine molekulide suurusest, massi juhtivustegurist.
On võimalik tuvastada tingimused, mille korral reovee adsorptsioon toimub optimaalse kiirusega.
Adsorptsiooni hüdrodünaamiline režiim peaks olema sisemise difusiooni piirkonnas piiratud. Intradiffusioonipiirkonna vastupanuvõime väheneb, kui valitakse soovitud struktuuriga adsorbent ja väheneb selle terade suurus.
Adsorbendi tera kiiruse ja läbimõõdu ligikaudsed parameetrid on võrdsed 1,8 m / h ja d s = 2,5 mm vastavalt. Kui tera läbimõõt dz on väiksem kui soovitatud, on protsess piiratud välisdifusiooni piirkonnas, kui see on suurem, intradiffusioonipiirkonnas.
Argel
Iga faasi pinnal olevad osakesed moodustavad spetsiaalse pinnafaasi, mille omadused erinevad oluliselt faasi sisepiirkondade omadustest. Pinnal asuvad osakesed suhtlevad nii homogeensete kui ka erinevat tüüpi osakestega (joonis 6.1).
Riis. 6.1. Aine pindmine kiht kondenseerunud olekus
Selle nähtuse tagajärg on see, et liidesel paikneva osakese keskmine energia gs erineb sama osakese keskmisest energiast faasi gv mahu järgi. Pinnafaasi oluline tunnus on pinnaenergia G s - pinnal paikneva osakese ja faasi mahuosakeste keskmise energia erinevus, korrutatuna osakeste arvuga pinnal N:
G s = N (g s -g v)
All pinnaenergia mõistetakse Gibbsi energiat (Gs) - pinna teket. See võrdub liidese pindalaga spetsiifilise pinnaenergia σ korrutisega:
Spetsiifiline pinnaenergia (J / m 2) võrdub tööga, mis on vajalik vaba pinna ühiku moodustamiseks. Spetsiifiline pinnaenergia määratakse konkreetse aine olemuse järgi. Mida suurem on aine osakeste vaheline interaktsioonienergia, seda suurem on pinna spetsiifiline energia. Temperatuuri tõustes väheneb pinna spetsiifiline energia. Kriitilise temperatuuri lähedal on pindpinevus null.
Gaasi ja tahke liidese puhul kasutatakse terminit pinnaenergia. Kondenseerunud faaside (vedelik - vedelik, vedelik - tahke) liidese puhul kasutatakse terminit liideseenergia. Vedeliku - gaasi (auru) faaside vahelise liidese puhul kasutatakse tavaliselt terminit spetsiifiline pinnaenergia, mida nimetatakse pindpinevuseks.
Pindpinevus σ- liidese kõige olulisem termodünaamiline omadus, mida määratletakse kui selle pinna ühiku pindala pöörduva isotermilise moodustumise tööd. Vedeliku liidese korral võib pindpinevust pidada ka tööks, mis on vajalik vaba pinna kontuuri ühiku pikkuse suurendamiseks:
kus ΔL on vaba pinna kontuuri pikkuse suurenemine, m;
σ - pindpinevus, N / m.
Pindpinevuse tõttu omandab vedelik väliste jõudude puudumisel kuuli kuju, mis vastab minimaalsele pindalale ja seega vaba pinnaenergia väikseimale väärtusele. Sorptsioon on üks võimalusi vaba pinnaenergia vähendamiseks.
Imendumine(ladina keelest sorbeo - imendun) - aine imendumine tahkise või vedeliku poolt keskkonnast. Imavat keha nimetatakse sorbendiks, selle imendunud ainet sorbaadiks (või sorbtiiviks). Eristage aine imendumist vedela sorbenti kogu massi järgi - see on imendumine; tahke või vedela sorbendi pinnakiht on adsorptsioon.
Imendumine - ainete neeldumine gaasisegust vedelike poolt. Tehnoloogias kasutatakse tavaliselt neeldumist gaasisegust komponendi eraldamiseks. Imendumine paraneb rõhu tõustes ja temperatuuri langedes.
Adsorptsioon on aine kontsentreerimise protsess faaside ruumalast nende liideses.
Adsorbent on aine, mis on võimeline teist ainet adsorbeerima. Adsorbeeriv aine on aine, mida saab adsorbeerida. Adsorbaat on adsorbeerunud aine.
