Лекция 9 КХ21.
Тема лекции: «Адсорбция газов и паров на поверхности твердых тел и жидкостей».
Содержание лекции: «Стадии сорбции газов, адсорбция и абсорбция. Виды хемосорбции. Капиллярная конденсация. Адсорбция газов порошками.
Влияние температуры на сорбцию. Процессы рекуперации газов. Устройство противогаза. Получение активированного угля. Осушка воздуха силикагелем».
Стадии сорбции газов.
Когда адсорбент ─ твердое пористое тело или порошок входят в контакт с газом в изолированном сосуде, то давление газа уменьшается, а масса адсорбента увеличивается. При этом в условиях равновесия концентрация газа на поверхности адсорбента выше, чем в его объеме.
Сорбция газов ─ сложный процесс, он обычно слагается из нескольких более простых стадий. Вслед за адсорбцией, т. е. концентрированием газа на поверхности, происходит поглощение газа всем объемом сорбента ─ абсорбция. При этом молекулы газа проникают в массу твердого тела (или жидкости) и образуется твердый или жидкий раствор. Вследствие замедленности диффузии абсорбция требует большего времени, чем адсорбция.
При хемосорбции молекулы газа образуют с адсорбентом химическое соединение. Хемосорбция может быть поверхностной, (химическая реакция протекает только в пределах поверхностного слоя). Например, при адсорбции кислорода на поверхности алюминия происходит реакция: 4Al + 3O2 = 2Al2O3. В результате алюминий покрывается прочной оксидной пленкой, непроницаемой для газов.
Хемосорбция может быть и объемной, когда слой вещества, образовавшегося в результате реакции на поверхности, не препятствует дальнейшему проникновению газа в объем твердого адсорбента. Например: CaO(ТВ) + CO2(газ) = CaCO3(ТВ), эта реакция распространяется на весь объем твердого адсорбента CaO.
При наличии у адсорбента мелких пор адсорбция сопровождается конденсацией паров в порах твердого тела ─ капиллярной конденсацией. Это явление характерно только для паров веществ. Пары, поглощаясь пористым адсорбентом, могут превращаться в жидкость, а газы сжижаться не могут. Пар ─ это газ, находящийся при температуре, ниже своей критической температуры. Например, при комнатной температуре мы обсуждаем свойства паров хлора, паров воды, но свойства не паров, а газов, например, водорода или кислорода. Количество удерживаемой капиллярными силами жидкости зависит от давления и условий смачивания жидкостью стенок капилляров, образованных порами адсорбента.
Таким образом, сорбция в реальных условиях – это различные сочетания рассмотренных выше стадий.
Величина адсорбции газа может быть охарактеризована количеством моль газа (или массой, или объемом газа), поглощенных единицей массы адсорбента.
Основные факторы, оказывающие влияние на величину адсорбции ─ это температура, концентрация и природа газа, состав и структура адсорбента.
Адсорбция газов порошками.
Тонко размолотые вещества ─ порошки - долго не слеживаются при хранении, т.е. в них не образуются комки. Это объясняется тем, что порошки обладают высокой адсорбционной способностью к газам, т.к. имеют большую удельную поверхность.
Рассмотрим, например, порошок сажи, занимающий вместе с воздухом объем один литр. Каждая крупинка сажи окружена тонкой воздушной оболочкой. Если бы удалось оторвать воздух от крупинок сажи, и придвинуть их вплотную друг к другу, то оказалось бы, что крупинки займут 5% исходного объема, а адсорбированный воздух ─ 95%. Оказывается, этот воздух сильно сжат, при атмосферном давлении он займет объем, равный 2,5литра.
Такие плотные воздушные оболочки не позволяют крупинкам слипаться в комочки при хранении. Наличие оболочек сжатого воздуха объясняет тот факт, что порошкообразные вещества ─ сахар, мука, топливо и многие другие легко воспламеняются и сгорают мгновенно.
Влияние температуры на сорбцию газов.
Из опыта известно, что порошки, например какао или кофе в холодной воде необходимо долго размешивать, чтобы исчезли комки. Воздушные пленки мешают смачиванию крупинок. Однако если добавить горячую воду, смачивание происходит намного быстрее, т.к. молекулы газов начинают двигаться более оживленно и легче покидают поверхность крупинок. Таким образом, при низких температурах поверхность порошков и пористых веществ способна удерживать большое количество газов и паров (а при повышенных температурах – гораздо меньшее количество).
Этой температурной зависимостью пользуются в различных технологических процессах. Например, рекуперация ─ это извлечение паров ценных летучих веществ из смеси их с другими парами или газами. Для этого подбирают адсорбент, который из смеси паров преимущественно поглощает только один (нужный) сорт вещества. Адсорбент помещают в емкость, содержащую смесь паров и газов. После насыщения адсорбента этим паром и окончания капиллярной конденсации адсорбент переносят в другую емкость и нагревают. При этом ускоряется десорбция извлекаемых паров. Например, в виноделии из отходящих газов бродильных чанов рекуперировали спирты. Оставшийся углекислый газ таким же способом очищали от других примесей и использовали его для газирования напитков.
Кроме того, рекуперации подвергаются: вентиляционный воздух, отходящие печные газы и другие газовоздушные смеси. При этом извлекают: бензин, бензол, эфир и др. Из природного газа рекуперируют ацетон и спирт.
Устройство противогаза.
В 1915 г. Н.Д. Зелинский создал противогаз, который применялся во время первой мировой войны для защиты органов дыхания человека от отравляющих веществ. В качестве адсорбента был использован активированный уголь, способный не только прочно задерживать токсичные пары и газы, содержащиеся в отравленной атмосфере, но и задерживать их достаточно быстро. За очень краткое время пути через противогазовую коробку, наполненную углем, вдыхаемый человеком воздух должен быть полностью очищен от примесей. Отравляющие пары и газы, имеющие более высокую адсорбционную способность по сравнению с компонентами воздуха, занимали большую часть поверхности пор угля, вытесняя с нее молекулы кислорода и азота. После насыщения поверхности пор угля адсорбция прекращается и далее наступает «проскок» через коробку противогаза токсичных газов.