Даниловская Л. П. / Лекция 6. Адсорбация. Типы адсорбентов

Лекция 6 КХ21.

Тема лекции: « Адсорбция. Термины и классификация. Типы адсорбентов и их характеристики".

Общие положения явления сорбции

Сорбция веществ ─ это любой процесс поглощения одного вещества другим. Молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и иногда очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело.

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы.

Адсорбент − это вещество, на поверхности которого происходит адсорбция. Вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, называют адсорбтивом. А уже адсорбированное вещество ─ адсорбатом.

Если сорбция происходит не только поверхностью, но и объемом сорбента, то ее называют абсорбцией.

Процесс, обратный сорбции, называют десорбцией.

В зависимости от природы взаимодействий, возникающих между частицами адсорбата и адсорбернта, различают два вида адсорбции.

При физической адсорбции наблюдается выделение небольшой теплоты, соизмеримой с теплотой конденсации. Такая адсорбция протекает обратимо и при повышении температуры уменьшается, так как увеличивается скорость десорбции.

Химическая адсорбция необратима: при десорбции с поверхности уходит не адсорбтив, а его поверхностное соединение. Теплота хемосорбции высокая и сопоставима с тепловыми эффектами химических реакций. Повышение температуры приводит к увеличению хемосорбции, так как увеличивается скорость химического взаимодействия. Примером хемосорбции может служить адсорбция кислорода воздуха поверхностью металлов. В дальнейшем может происходить образование оксидов металла.

Для количественного описания резко выраженной адсорбции можно использовать величину A_I, называемую абсолютной адсорбцией.

Она выражает количество адсорбата (v^s) в молях на единицу площади адсорбента (S): А_I = v^s/S. В тех случаях, когда реальную площадь поверхности адсорбента измерить трудно, используют величину удельной адсорбции. А_уд. = v^s/m, где m ─ масса адсорбента.

Типы адсорбентов и их характеристики.

Очевидно, что количество адсорбированного вещества тем больше, чем больше поверхность адсорбента. Поэтому эффективными адсорбентами служат вещества с очень сильно развитой поверхностью ─ это порошки, коллоиды и пористые вещества.

Важнейшими количественными характеристиками адсорбентов являются объемная пористость и удельная поверхность. Объемная пористость ─ это отношение суммарного объема пор адсорбента к общему объему дисперсной системы. Удельная поверхность ─ это отношение суммарной поверхности адсорбента (с учетом пор) к его массе.

Качественной характеристикой адсорбента является его структура. Существует два типа адсорбентов:

Непористые адсорбенты ─ образованы сплошными частицами, которые даже при плотнейшей их упаковке образуют пористую структуру ─ «порошковую диафрагму», порами которой являются промежутки между частицами. В зависимости от размера частиц структура адсорбента может быть макро или микропористой.

Пористые адсорбенты ─ это структуры, состоящие из зерен с внутренней пористостью. Для них характерно существование пор между зернами и пор внутри зерен.

Табл.1. Характеристики применяемых адсорбентов

Тип частиц адсорбента	Удельная поверхность, Sуд, см2/г	Дисперсность и структура	Примеры
Непористые	104─105	Грубодисперсные	Порошки оксидов, солей: ТiО2, ВаSО41)
Непористые	106	Тонкодисперсные	Графитированная сажа,2) белая сажа ─ аэросил 3),
Пористые	106 ─ 107	Корпускулярные	Силикагель4), алюмогель
		Губчатые	Активированный уголь5) Пористые стекла
		Кристаллические	Цеолиты

^{) К} грубодисперсным системам относятся также порошковые системы - диафрагмы, таблетки, - полученные из зерен порошков путем прессования или плотной набивки их в трубки или колонки;

²⁾ Состоит из углерода (С), имеет структуру графита;

³⁾ Порошок SiO₂, состоит из сферических частиц d~10нм;

⁴⁾ Пористые зерна сухого силикагеля получают при высыхании студня поликремневой кислоты, их состав ─ SiO_2;

⁵⁾ Его губчатая структура ─ сетка твердой фазы из углерода – С. В таких углях каждый 2^й или (3^й) атом углерода, образующего сетку, контактирует с адсорбатом.

Наиболее важными и популярными адсорбентами являются: активированный уголь (С), его удельная поверхность может достигать 1000 м² /г и силикагель (SiO₂ х n H₂O), который является обезвоженной кремниевой кислотой. Существует ряд марок силикагеля с различным размером и распределением пор.

Используют  также много дешевых адсорбентов. Ими могут быть практически все мелкодисперсные вещества, обладающие развитой поверхностью: синтетические пористые смолы, порошки оксидов и гидроксидов алюминия и железа, природные сорбенты - глины, торф, опилки, мука и т. п.

   Контрольные вопросы к лекции 6  на тему: "Адсорбция. Термины и классификация. Типы адсорбентов и их характеристики".

1. Дайте определение понятиям: - сорбция; - адсорбция; - десорбция; - абсорбция; - адсорбтив; - адсорбат; - адсорбент.

2. К каким процессам – вынужденным или самопроизвольным относятся процессы сорбции? Как изменяется свободная энергия системы в результате сорбции?

3. В чем различие между физической и химической адсорбцией? Как влияет температура на адсорбцию? Какая адсорбция необратима?

4. Приведите формулы и охарактеризуйте смысл количественных характеристик адсорбции: - абсолютной; - удельной.

5. Каким требованиям должны удовлетворять вещества, используемые в качестве эффективных адсорбентов?

6. Какие качественные и количественные характеристики имеют адсорбенты? Раскройте смысл характеристик.

7. Приведите примеры пористых и непористых адсорбентов, см. табл. Укажите величину (интервал)  удельной поверхности непористых адсорбентов.

8. Какой химический состав имеют важнейшие адсорбенты:  активированный уголь и силикагель – приведите их формулы. Укажите величину (интервал)  удельной поверхности пористых адсорбентов.