Адсорбция газов на твердых непористых и макропористых адсорбентах

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1Теоретические аспекты адсорбции газов на твердых непористых и макропористых адсорбентах…………………………………………………..…5

1.1Общая характеристика адсорбции…………….....…………………….5

1.2Свойства абсорбентов……………………………...………………….12

2Теории адсорбции……………………………………………………………...17

2.1Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра………………......17

2.2Теория полимолекулярной адсорбции Поляни и уравнение Фрейндлиха………………………………………………………………………20

Заключение……………………………………………………………………….23

Список используемых источников…………………………...………………...25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Тема курсовой работы является актуальной, так как процесс изучения адсорбентов в области химии с применением опытов и рассмотрением различных теорий о них проходит давно. Ученные химики рассматривают их структуру и свойства. Данная информация сможет помочь разобраться с химическими процессами и связанными с адсорбентами в хроматографии.

Адсорбция - это концентрирование различных веществ на поверхности раздела двух систем (твердое вещество - жидкость, твердое вещество - газ, жидкость - газ, жидкость - жидкость). Вещество, которое удерживает на своей поверхности частицы, посредством создания адсорбционного силового поля за счёт нескомпенсированности межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, называется адсорбентом. Вещества, которые адсорбируются, являются адсорбатами. Адсорбция может сопровождаться химической реакцией между адсорбентом и адсорбатом. Такой процесс называется хемосорбцией. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией. Именно благодаря адсорбции могут служить катализаторами твердые вещества.

Целью работы является изучение абсорбции газов на твердых непористых и макропористых адсорбентах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Рассмотреть общую характеристику адсорбции.

2.Охарактеризовать свойства абсорбентов.

3.Определить теорию мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.

4.Изучить теорию полимолекулярной адсорбции Поляни и уравнение Фрейндлиха.

Объектом исследования является процесс абсорбции.

Предметом исследования является абсорбция газов на твердых непористых и макропористых адсорбентах.

При написании данной курсовой работы были использованы методы изучения и анализа научной литературы, изучения и обобщение отечественной и зарубежной практики.

Источником исследования данной работы являются учебные пособия и книги различных авторов – отечественных и зарубежных, таких как Вольхин В.В., Кругляков П.М., Евстратова К.И. и др.

Структуру курсовой работы составляют введение, основная часть, заключение, список литературы. Курсовая работа изложена на 25 страницах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Теоретические аспекты адсорбции газов на твердых непористых и макропористых адсорбентах

 

1.1 Общая характеристика адсорбции

 

 

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 [13, с.10].

Адсорбцией называется самопроизвольно протекающий диффузионный процесс взаимодействия двух фаз - твердого тела - адсорбента и газа, пара или растворенного вещества-адсорбтива, происходящий поглощением газа, пара или растворенного вещества поверхностью твердого тела.

Поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами обычно сопровождается процессами проникновения поглощаемого вещества в твердое тело (абсорбцией), капиллярной конденсацией и химическими реакциями (хемосорбцией), что весьма затрудняет изучение собственно адсорбции. Поэтому поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами обычно рассматривается как общий процесс сорбции.

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.

Адсорбционный способ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяет в несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения [4, с.49].

 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.

Адсорбция всегда сопровождается выделением тепла. В большинстве случаев тепловой эффект адсорбции по своей величине приближается к теплоте конденсации поглощаемого газа или пара [11, с.72].

 Адсорбцию подразделяют  на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном  обусловлена поверхностными вандервальсовыми  силами, которые проявляются на  расстояниях, значительно превышающих  размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента  обычно удерживаются несколько  слоев молекул адсорбата.

При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химичекое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений. Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах [13, с.11].

В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи. Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы. Процессы адсорбции избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента. Наиболее рационально применять адсорбцию для обработки смесей с низкой концентрацией извлекаемых веществ. Статическая и динамическая активность адсорбентов. Основной характеристикой адсорбента является его активность, определяемая весовым количеством вещества, поглощенного единицей объема или веса поглотителя.

Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Она характеризуется обратимостью и уменьшением адсорбции при повышении температуры, т.е. экзотермичностью, причем тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата (10 – 80 кДж/моль). Таковой является, например, адсорбция инертных газов на угле.

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата. Хемосорбция обычно необратима; химическая адсорбция, в отличие от физической, является локализованной, т.е. молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента. Так как хемосорбция является химическим процессом, требующим энергии активации порядка 40 – 120 кДж/моль, повышение температуры способствует её протеканию. Примером химической адсорбции является адсорбция кислорода на вольфраме или серебре при высоких температурах [11, с.75].

Следует подчеркнуть, что явления физической и химической адсорбции чётко различаются в очень редких случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо и лишь небольшая часть – прочно.

Например, кислород на металлах или водород на никеле при низких температурах адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать химическая адсорбция. При повышении температуры увеличение химической адсорбции с некоторой температуры начинает перекрывать падение физической адсорбции, поэтому температурная зависимость адсорбции в этом случае имеет четко выраженный минимум (рис. 1).

Рисунок 1 - Зависимость объема адсорбированного никелем водорода от температуры

При постоянной температуре количество адсорбированного вещества зависит только от равновесных давления либо концентрации адсорбата; уравнение, связывающее эти величины, называется изотермой адсорбции.

Различают активность статическую и динамическую.

Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством вещества, адсорбированного к моменту достижения равновесия весовой или объемной единицей адсорбента при данной температуре и концентрации адсорбируемого вещества в газо-воздушной смеси [4, с.53].

Динамическая активность является характеристикой адсорбента при протекании паро-воздушной смеси через слой адсорбента до момента проскока адсорбируемого газа.

Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость (отношение суммарного объема пор к общему объему адсорбента). Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее характеристики, т.е. механизм адсорбции.

Особенности адсорбции на поверхности твердых тел.

Твердые поверхности в качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело - газ и твердое тело — жидкость. Твердые адсорбенты имеют поры различного размера.

Таблица 1 -Характеристика адсорбентов

адсорбенты	пример
непористые	сахар, рис, пшено, гречка, некоторые сорта растворимого кофе
макропористые	мука, хлеб, сухари, макароны, пастила, зефир
мезопористые	минеральные адсорбенты
микропористые	активированный уголь

 

Адсорбция на микропористых адсорбентах заключается объемном заполнении пространства пор, а адсорбция на мезопористых адсорбентах - в капиллярной конденсации паров адсорбата. Адсорбционная емкость микропор определяется не только их удельной поверхностью, но и объемом самих микропор [13, с.12].

Адсорбция газов.

Адсорбция газов на микро- и мезопористых адсорбентах существенным образом отличается от их адсорбции на непористых и макропористых адсорбентах. Для непористых и макропористых адсорбентов наблюдается мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция. В случае порошкообразных адсорбентов различие между ними обусловлено лишь величиной удельной поверхности.