Адсорбція на твердих поверхнях

Характерною особливістю твердих поверхонь є пористись. Тверді поверхні використовують для адсорбції газів (Т-Г) або рідин (Т-Р). Адсорбція газів і рідин залежить від структури адсорбенту. У практиці застосовують різні сорбенти, найбільш поширені активоване вугілля і силікагель.

Одна з основних характеристик адсорбентів – пористість (П), яка дорівнює відношенню сумарного об’єму пор до загального об’єму адсорбенту, тобто .

Залежно від пористості тверді адсорбенти ділять на непористі (питома поверхня (1-500 м²/кг) і пористі. Пористі ділять:

- макропористі, діаметр пор нм, питома поверхня (0,5-2)·10³ м²/кг;

- мезопористі, діаметр пор 1,2-4 нм, питома поверхня < 4·10⁵ м²/кг;

- мікропористі, діаметр пор нм, питома поверхня > 4·10⁵ м²/кг.

До макропористих адсорбентів відносять хліб, макарони, муку. До мезопористих адсорбентів відносять бентоніти: каолін, монтморилоніт гідроксиду. До них належать також кремнеземисті породи природних глин (трепел, діатомит, опок), які відносять до групи алюмосилікатів (), лужних та лужно-земельних металів.

До мікропористих адсорбентів відносять цеоліти, які являють собою лужні та лужно-земельні алюміносилікати загальної формули . Циоліти є природні та синтетичні. Найкращим мікропористим адсорбентом є активоване вугілля та силікагель.

Активоване вугілля використовується для поглинання отруйних речовин, які потрапили до організму; при шлункових захворюваннях; для поглинання надлишку газів, що накопичуються у кишечнику; деяких алергій. Застосовують у вигляді карболену – 1 таблетка карболену масою 0,25г має активну поверхню приблизно 100 . Існує більш 1000 різних марок адсорбентів на основі активованого вугілля.

Рисунок 1.6 – Будова адсорбційного шару молекул ПАР:

а – неполярне тіло (активоване вугілля) – полярна рідина;

б – полярне тіло (сіликагель) – неполярна рідина (бензен)

Активоване вугілля гідрофобне (неполярне) і не змочується водою; залежно від марки (сировини та методу термічної обробки) має питому поверхню700-1000 . До гідрофобних адсорбентів відносять також тальк, графіт, парафін.

Гідрофільні (полярні) адсорбенти – це сіликагель , алюмогель , глини, цеоліти. Вони краще адсорбують з неполярних розчинників, тому що добре змочуються водою і адсорбують її. Застосовують їх для сушіння від вологи деяких медичних, військових, технічних приладів.

На рис. 1.6 показана взаємодія молекул ПАР з гідрофільними та гідрофобними адсорбентами.

Адсорбція на мікропорисних адсорбентах відбувається за рахунок об’ємного заповнення простору пор; адсорбція на мезопористих адсорбентах (d = 1,2 - 4,0 нм) являє собою капілярну конденсацію парів адсорбату.

Адсорбція газів на твердому адсорбенті описується теорією мономолекулярної адсорбції Ленгмюра:

- на поверхні адсорбенту утворюється моношар і адсорбовані молекули локалізовані, при цьому вони мають однакову енергію;

- адсорбція відбувається не на всій поверхні, а тільки на активних центрах, які мають некомпенсовані міжмолекулярні сили. Кожний активний центр утримує одну адсорбовану молекулу;

- адсорбційний процес перебуває в динамічній рівновазі зі зворотним процесом (десорбцією);

- мономолекулярна адсорбція відбувається за рахунок фізичної адсорбції при невеликих тисках і температурах, а також внаслідок хемосорбції.

Графічно мономолекулярна теорія адсорбції зображується ізотермою мономолекурної адсорбції (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 – Ізотерма мономолекулярної адсорбції: І – ділянка ізотерми, яка відповідає рівнянню Генрі; ІІ – ділянка ізотерми, яка відповідає рівнянню Фрейдліха; ІІІ – ділянка ізотерми, яка відповідає рівнянню Ленгмюра

Математично мономолекулярна теорія адсорбції Ленгмюра описується рівнянням Ленгмюра

або ,

де − адсорбція; − гранична адсорбція; − стала, яка характеризує поверхневу активність адсорбтиву; − рівноважний тиск пари адсорбтиву в об’ємі фази, що межує з адсорбентом; − рівноважна концентрація розчину, що межує з адсорбентом.

Це рівняння можна застосувати при адсорбції ПАР із розчинів при невеликих концентраціях.

За наявністю активних центрів на поверхні адсорбційний шар не завжди буде суцільним і матиме моношар, тому зараз використовують сучасну теорію БЕТ, яка враховує можливість утворення декількох шарів адсорбату.

На практиці (рис. 1.7 ділянка ІІ) для середніх концентрацій газу або ПАР використовують емпіричне рівняння Фрейндліха

або ,

де - абсолютна адсорбція на твердому адсорбенті; - рівноважний тиск парів адсорбтиву; - рівноважна концентрація адсорбтиву; - коефіцієнт, який чисельно дорівнює величині адсорбції при концентрації адсорбтиву (ПАР) ; - коефіцієнт , який харакетризує відмінність ділянки ізотерми адсорбції від прямої.

Коефіцієнти і визначають експериментально. Для визначення граничної адсорбції використовують рівняння Ленгмюра. За значенням може бути знайдена питома активність поверхні , , якщо відома площа , яку займає одна молекула газу або ПАР у насиченому моношарі .

Для невеликих концентрацій чи парціальних тисків газів існує лінійна залежність поміж адсорбцією і тиском, яка задовольняє рівняння Генри (рис. 1.7 ділянка І)

.