АПГ (адсорбований природний газ), де він? Адсорбційне очищення газів.

Цією темою у нас міцно займається камрад BERES. Мене вона теж дуже зацікавила, оскільки на перший погляд важко переоцінити ефект від впровадження цієї технології у розвитку транспорту на природному газі, особливо у світлі проблем із рідкими вуглеводнями. Адже в основному зараз на газовому транспорті використовується так званий КПГ.

КПГ (Компримований природний газ) - стислий природний газ (метан), що використовується як моторне паливо. В даний час автомобілі, що використовують компримований природний газ, набувають все більшого поширення в усьому світі та Росії зокрема, у зв'язку з дорожнечею або нестачею рідких палив.

Найбільше автомобілів, що працюють на КПГ (близько 70%), зосереджено в шести країнах: Ірані, Пакистані, Аргентині, Бразилії, Китаї та Індії.

Наприклад 1 літр рідкого моторного палива енергетично еквівалентний 1 кубічному метру метану. Один кубічний метр метану в 4-7 разів дешевше за 1 літр рідких моторних палив.

За всіх плюсів такого палива: його малої вартості, його екологічності, його меншої вибухонебезпечності, ніж пропано-бутанова суміш і навіть бензин, ця технологія має великий мінус у тому, що газ доводиться закачувати і зберігати в балонах високого тиску (до 200 атмосфер) що обмежує її розвиток.

Щоб вирішити цю проблему, треба або використовувати ЗПГ (зріджений природний газ), який можна тримати під невисоким тиском, але тоді весь виграш нівелюється тим, що його треба охолоджувати і зберігати з температурою до -160 °C, що звичайно є нісенітницею, або потрібно використовувати АПГ.

АПГ (Адсорбований природний газ) - це природний газ, адсорбований на пористому сорбенті при відносно низькому тиску 30-50 атм. (у 4 рази менше, ніж КПГ) та температурі навколишнього середовища (ЗПГ нагадаю зберігається при -160°C) .

Чому ж не видно прогресу цієї технології?

Варто ознайомитися з цією дисертацією, яка в мережі з'явилася зовсім недавно і яка дала відповідь на багато питань:

www.bmstu.ru/dissertation/content/files/148/dissertation.pdf

Ось що пише BERES:

Піндос уже запустили трактор на АПГ, ну так їм ДАРПА виділило в 10 разів більше грошей, ніж нам треба.

Точніше трактор-газонокосильник. Відео тут: https://www.youtube.com/watch?v=pkoEqksmys4.

Молекули метану розташовуються порах композитного адсорбенту при значно меншому тиску, ніж у вільному обсязі. Звільняється метан просто при знятті тиску. Це відбувається не миттєво, як при закачуванні, але досить швидко, щоб не створювати проблему двигуну, він теж не все паливо миттєво засмоктує.

При адсорбції діють ван-дер-ваальсові сили (сили міжмолекулярної взаємодії).

44 бари (приблизно 44 атм.) - це оптимальний тиск і закачування, і зберігання, при збільшенні тиску адсорбція майже припиняється, тобто в балон АПГ влазить в 4,5 рази більше метану, ніж просто балон. А тиск у 5 разів менший = це вага самого заліза в 5 разів менша, балон може бути не цільнотягнутий, а звареної та довільної форми, наприклад ховатися в порожнинах авто, не займаючи корисного місця. Плюс, як це не дивно для обивателя, значно більша пожежо-вибухобезпечність у порівнянні з бензином, тим більше пропан-бутаном.

У дисертації обумовлюються межі оптимального тиску від 18 до 57 бар.

Заправка йде повільно – 20 хв. Але є більше дюжини рішень для прискорення чи обходу цього обмеження. Наприклад, охолодження балона при заправці - якщо заправка йде з ЗПГ, то немає проблем .... Або на кожні три балони АПГ один КПГ, який використовується як ресівер - заправка майже миттєва, а потім в русі заправляються балони КПГ. Звичайно, треба буде скоро від'їхати і дозаправитися, натомість запас ходу після двох швидких заправок як на бензині. І це очевидні варіанти. Є звичайно, ризик, що жоден варіант не приживеться, таке в історії техніки відомо часто-густо.

Метан йде за 20 хв на 98%, на 100% - за 40%. До речі, таку швидкість та відсутність залишку я поки що не можу пояснити, але це експериментальний факт. Звичайні 293 К для цього адсорбенту — найгірший діапазон, за більш низьких і, що найцікавіше, за більш високих температур поглинання покращується. Графени знаєте…. Дуже дивний матеріал.

Була отримана теоретична величина об'ємного показника вуглецевих нанотрубок - 161 м 3 ((тнд) / м 3, тобто в 1 куб м балона містилося 161 куб м газу при тиску до 50 бар. Що є досить високим показником, але приблизно відповідає карбідовим та антрацитовим активованим вугіллям, яке є дешевшим і простішим у виробництві, можливо, що BERES отримав найкращий показник.

Сталевий балон практично вічний - стінки товсті, хімнавантаження - ніякий, вода і кисень поглинаються адсорбентом і віддаються їм з газом, тому агентів іржавлення немає.

Без коментарів.

Адсорбент виготовляється з природної сировини, 15 тис. руб за тонну, не дефіцит. Адсорбент для 50 літрів балона важить 5 кг.

Якщо це так, то це реально дешево!

У дисертації показано, що на сьогоднішній день створено сорбенти, які можуть бути використані у технології АПГ, але як завжди є кілька НО!

У дисертації порушуються дві основні проблеми технології АПГ, які таки не дають можливості її широкого поширення:

1) Теплові ефекти адсорбції та десорбції, тобто нагрівання сорбенту при адсорбції природного газу та охолодженні при його десорбції.

2) Селективність адсорбції, яка призводить до нерівномірного поглинання компонентів газової суміші, адже в природному газі завжди є домішки, які діють «токсично» на сорбент і накопичуються з кожним циклом адсорбції-десорбції дедалі більше, виступаючи конкурентом метану.

І якщо першу проблему можна щодо просто вирішити технічними методами: збільшенням часу зарядки та розрядки сорбенту, активним зовнішнім нагріванням чи охолодженням залежно від фази процесу, то другу проблему так просто не вирішити! Доведеться або часто змінювати «отруєний» домішками сорбент, що має на увазі його достатню дешевизну або використовувати в заправці надчистий метан, що веде до необхідності підвищувати рівень його очищення.

Тож думаю, що жодної змови проти АПГ немає. Адже впровадженню КПГ ніхто не перешкоджає, а повільне зростання ринку КПГ пояснюватиметься недоліком технології його використання.

Так і АПГ поки не впроваджується в наше життя у зв'язку з ще більшими недоліками цієї технології.

Якщо раптом ці технічні недоліки будуть усунуті, то перехід на АПГ у транспорті безперечно буде настільки ж революційним, наскільки революційним був перехід парового двигуна на вугіллі на двигун внутрішнього згоряння на бензині та дизелі на початку 20 століття.

Особливості адсорбції на твердому адсорбенті

Адсорбція відбувається на міжфазній поверхні газ-тверде тіло, рідина-тверде тіло.

На відміну від рідкої тверда поверхня енергетично і геометрично неоднорідна. Крім того, тверді адсорбенти можуть мати пори. Наявність пір призводить до того, що адсорбція супроводжується капілярною конденсацією.

Розглянемо переріз зерна адсорбенту (рис. 14).

А

Мал. 14. Переріз зерна

адсорбенту

Усередині фази всі сили врівноважені. На поверхні розділу фаз просторова симетрія сил міжмолекулярної взаємодії відсутня. Тому в піках некомпенсована енергія максимальна.

Адсорбція на твердому адсорбенті протікає у дві стадії:

дифузійна - дифузія речовини до поверхні адсорбенту;

власне адсорбція.

Лімітує стадією, що визначає швидкість всього процесу, є дифузійна. Тому важливий чинник – перемішування.

Внаслідок геометричної нерівності поверхні адсорбенту величину адсорбції визначають як кількість адсорбату, віднесену до одиниці маси адсорбенту.

, моль/кг.

Характеристика жорстких адсорбентів.

Вимоги до адсорбентів

Як адсорбенти найчастіше застосовують вуглецеві сорбенти (деревне або кісткове вугілля, графітована термічна сажа ГТС), бентонітові глини, силікагель, цеоліти та ін.

Вуглецеві сорбентиодержують із всілякої сировини, яка за певних умов може давати твердий вуглецевий залишок – копалин вугілля, торфу, деревини, горіхової шкаралупи, фруктових кісточок та тварин кісток. Кращими вважаються вугілля, отримане зі шкаралупи кокосових горіхів та абрикосових кісточок.

Для підвищення адсорбційної спроможності вуглецевих сорбентів їх додатково активують, витримуючи при підвищеній температурі у присутності парів води та вуглекислого газу. У процесі активації вигоряє смола, що заповнює пори вугілля, питома поверхня адсорбенту, а отже, та його адсорбційна здатність, зростають.

Питома поверхня активованого вугілля, включаючи поверхню всіх його пір, може досягати 1000 м 2 /р.

Вуглецеві сорбенти застосовують для очищення води, харчових мас; очищення та поділу газів; в медицині.

Силікагельотримують висушуванням колодець полікремнієвої кислоти; за хімічним складом - це SiO 2 . Випускається у вигляді пористих крупинок, питома поверхня становить ~500 м 2 /р.

Бентоніти– попередньо активовані кислотою глини, застосовують для очищення сиропів, соків, рослинних олій.

Пористе склоотримують при видаленні зі скла лужних та лужноземельних металів.

Цеоліти(У перекладі з грецької «киплячий камінь» через здатність спучуватися при нагріванні) – природні та синтетичні алюмосилікатні матеріали. Кристалічна структура їх утворена тетраедрами 4- і 5-, об'єднаними загальними вершинами в тривимірний каркас, пронизаний порожнинами та каналами, в яких знаходяться молекули води та катіони металів І, ІІ груп.

Цеоліти виявляють адсорбційні властивості після видалення води з їхньої порожнин (при нагріванні). Цеоліти різних різновидів мають строго певний розмір входів у порожнини та канали. Тому їх називають ще "молекулярними ситами" за здатність сорбувати лише певні компоненти.

Використовуються для виділення та очищення вуглеводнів нафти; очищення, осушення та поділу газів (в т.ч. повітря); осушення фреонів; вилучення радіоактивних елементів.

Тверді адсорбенти бувають пористіі непористі.

Пористість адсорбентувизначається ставленням сумарного обсягу часу Vп до загального обсягу адсорбенту Vадс

П = Vп / Vадс.

Залежно від розміру пір розрізняють макропористі, мезопористі та мікропористі адсорбенти.

Таблиця 3

Пористість адсорбенту має велике значення для адсорбції: чим вона вища, тим більша питома поверхня і вища адсорбційна здатність. Однак це справедливо тільки в тому випадку, якщо молекули адсорбату невеликі і можуть проникати в пори, тобто. сумірні з розміром пор.

Розрізняють полярні (гідрофільні) та неполярні (гідрофобні) адсорбенти.

Полярні(добре змочуються водою) – силікагель, цеоліт, глини, пористе скло ; неполярні(Водою не змочуються) - активоване вугілля, графіт, тальк, парафін.

Вимоги до адсорбентів:

велика питома поверхня (досягається за рахунок подрібнення, активування поверхні, нанесення тонкого шару адсорбенту на пористу поверхню (кераміку, цеглу));

механічна міцність, термічна та хімічна стійкість;

низька собівартість;

можливість регенерації.

Правила підбору адсорбентів

При виборі адсорбенту необхідно визначити тип речовини, що адсорбується (полярна, неполярна, ПАР). Полярні адсорбенти слід застосовувати при адсорбції з водних розчинів, т.к. вони можуть адсорбувати розчинник – воду. Їх доцільно використовувати при адсорбції із неводних розчинів.

Неполярні адсорбенти добре адсорбують із водних середовищ.

Дифільні молекули можуть адсорбуватися на будь-якому адсорбенті. При цьому вони орієнтуються своїми полярними групами на полярне середовище, неполярними – на неполярне (рис. 15).

Адсорбційний шар, що утворився, може змінити характер поверхні. Наприклад, адсорбція дифільних молекул із водного розчину призводить до гідрофілізаціїповерхні вугілля, внаслідок чого вугілля набуває здатності змочуватися водою.

Ефект Ребіндера: при адсорбції ПАР різниця полярностей між адсорбентом та розчинником зменшується.

Ступінь поділу розчиненої речовини та розчинника тим вищий, чим більша різниця в полярності.

При виборі адсорбенту необхідно враховувати розміри молекул адсорбтиву: діаметр пір має перевищувати діаметр молекул.

Основні теорії адсорбції на твердих адсорбентах

Всі теорії розроблені для адсорбції газів і пар твердими тілами, оскільки система тверде тіло-газ складається всього з двох компонентів і тому зручна для теоретичного розгляду явища адсорбції.

У 1915 році Ленгмюр і Поляні одночасно і незалежно були створені дві абсолютно різні теорії адсорбції газів на твердому тілі.

Основні положення теорії мономолекулярної адсорбції Ленгмюр.

При розробці теорії мономолекулярної адсорбції газу на твердому адсорбенті Ленгмюр виходив із таких припущень.

1. Адсорбція відбувається не на всій вільній поверхні адсорбенту, а на активних центрах, що характеризуються максимальною вільною енергією (при адсорбції на кордоні рідина-газ усі активні центри в енергетичному відношенні однакові) (рис. 16).

2. Адсорбція локалізована на окремих адсорбційних центрах (молекули не переміщуються поверхнею).

3. Внаслідок малого радіусу дії адсорбційних сил кожен активний центр, адсорбуючи молекулу адсорбату, ста-

новиться вже нездатним до подальшої адсорбції (молекули, що ударяються об адсорбовані молекули, відбиваються без затримки).

4. Взаємодія між молекулами адсорбату можна знехтувати.

5. У системі встановлюється динамічна рівновага, тобто. швидкість адсорбції дорівнює швидкості десорбції.

Рівняння Ленгмюра для опису адсорбції газу твердою поверхнею

.

Рівняння Ленгмюра можна використовувати лише за відсутності адсорбції понад мономолекулярний шар.

П

Мал. 17. s-подібна ізотерма адсорбції

У зв'язку з необхідністю пояснення характеру таких ізотерм виникла потреба інших теоріях.

Основні засади теорії полімолекулярної адсорбції Поляні.

1. Адсорбція обумовлена ​​лише фізичними силами.

2. На поверхні адсорбенту немає активних центрів, а адсорбційні сили походять від усієї поверхні адсорбенту і утворюють біля неї безперервне силове поле.

3

Мал. 18. Схемаполімолекулярної

адсорбції потеорії Поляні

4. Дія адсорбційних сил у міру віддалення поверхні зменшується і на певній відстані стає рівним нулю.

5. Під впливом адсорбційного поля виникає можливість утворення кількох верств молекул адсорбату. Найбільше тяжіння та стиснення відчуває перший адсорбційний шар; газоподібні продукти у ньому конденсуються в рідину.

6. Притягання даної молекули поверхнею адсорбенту залежить від наявності в адсорбційному просторі інших молекул.

7. Адсорбційні сили не залежать від температури і, отже, із зміною температури адсорбційний об'єм не змінюється.

Теорія полімолекулярної адсорбції Поляни дозволяє описати адсорбцію на пористих адсорбентах та якісно пояснити характер s-подібної ізотерми. Головний недолік теорії Поляні – відсутність аналітичного виразу ізотерми адсорбції.

Основні положення теорії полімолекулярної адсорбції БЕТ.

Брунауер, Еммет і Теллер розробили теорію стосовно адсорбції парів. Ця теорія отримала назву теорії БЕТ за першими буквами прізвищ авторів.

1. Адсорбція здійснюється під дією сил Ван-дер-Ваальса.

2. Нескомпенсована поверхнева енергія нерівномірно розподілена поверхнею адсорбенту. На поверхні є активні центри із великою концентрацією енергії.

3. Усі активні центри поверхні займають частинки адсорбату, утворюючи перший шар. Кожна молекула першого шару є активним центром для подальшої адсорбції, що призводить до утворення другого, третього і т. д. шарів. При цьому побудова наступних шарів можлива за незаповненого першого (рис. 19).

4. Взаємодіям сусідніх адсорбованих молекул у рамках одного шару нехтують;

5. Існує динамічна рівновага адсорбція  десорбція.

Теорія БЕТ пояснює s-подібну ізотерму адсорбції.

Крім того, було отримано рівняння, що описує ізотерму адсорбції, назване рівнянням полімолекулярної адсорбції БЕТ:

,

де р s – тиск насиченої пари при цій температурі; р/р s – відносний тиск пари;

,

kр - константа адсорбційної рівноваги для першого шару; k L – константа конденсації пари.

При малих відносних тисках ( р/р s<< 1 и p << p s) рівняння БЕТ перетворюється на рівняння мономолекулярної адсорбції Ленгмюра.

Рівняння Фрейндліха

На практиці часто для аналітичного опису залежності адсорбції на твердому адсорбенті від концентрації адсорбтиву застосовується емпіричне рівняння Фрейндліха:

– для адсорбції газу;

– для адсорбції з розчину,

де β, n- Емпіричні коефіцієнти, що залежать від природи адсорбтиву та температури.

Рівняння Фрейндліха є рівнянням параболи, тому воно описує не всю ізотерму адсорбції, а тільки її криволінійну ділянку.

П Постійні рівняння Фрейндліха визначаються з урахуванням досвідчених даних. Для цього рівняння Фрейндліха призводять до лінійного вигляду (логарифмують):

і будують графік координатах ln A = f( ln р), який є прямою (рис. 20). Тангенс кута нахилу дорівнює nа відрізок, що відсікається прямий на осі ординат, –ln p.

Рівняння Фрейндліха – емпіричне рівняння. Тому його можна застосовувати для розрахунку величини адсорбції в тому діапазоні рівноважних концентрацій, для якого знайдено значення констант  і n.

Перевага - простота у використанні, тому часто застосовується в інженерних розрахунках.

Капілярна конденсація

При тиску, що дорівнює тиску насиченої пари р s починається капілярна конденсація.

Процес сорбції парів твердими пористимиадсорбенти включає 2 стадії.

П

Мал. 21. Капілярна конденсація

змочує поверхню твердого тіла, поверхня рідини на кордоні з парою утворює увігнутий меніск (рис. 21).

Відомо, що тиск насиченої пари над увігнутою поверхнею (з радіусом кривизни r) рідини менше тиску пари над плоскою поверхнею (радіус кривизни дорівнює ).

В результаті пара, яка над плоскою поверхнею є насиченою, виявляється пересиченою при контакті з увігнутою поверхнею рідини і конденсується.

На другій стадії йде заповнення капілярів рідиною – капілярна конденсація. Зовні це проявляється як різке збільшенняадсорбції при тиску р s (рис. 22).

З в'язь між радіусом сферичного меніска та тиском насиченої пари при температурі Тнад меніском виражається рівнянням Томсона (Кельвіна):

де р r – тиск насиченої пари над увігнутим меніском з радіусом кривизни r;р  – тиск насиченої пари над плоскою поверхнею (радіус кривизни плоскої поверхні дорівнює нескінченності); σ – поверх-

нісний натяг рідини; r– радіус кривизни увігнутого меніска; V m – мольний обсяг рідини; R- Універсальна газова постійна.

Рівняння Томсона-Кельвіна є основним при розрахунках, пов'язаних із явищем капілярної конденсації. Знаючи тиску р r та р , можна обчислити максимальний радіус капілярів, у яких відбуватиметься конденсація. Ці дані необхідні правильного підбору адсорбенту.

Капілярна конденсація – вторинне явище. Вона відбувається не під дією адсорбційних сил, а під дією сил тяжіння пари до увігнутого меніску рідини.

Капілярна конденсація відбувається зазвичай досить швидко, завершуючись кілька хвилин.

Насправді явище адсорбції, що супроводжується капілярної конденсацією, застосовують у процесі рекуперації, тобто. уловлювання та повернення у виробництво летких розчинників. Наприклад, при отриманні пектину (який широко застосовується в харчової промисловості) з бурякового жому використовується етиловий спирт. У результаті виробничих операцій випаровується ~ 2 л етанолу для 1 кг пектину. Для запобігання втратам спирту повітря, насичене парами етанолу, пропускають через шар пористого адсорбенту – активованого вугілля, в капілярах якого спочатку йде адсорбція, а потім капілярна конденсація спирту. Після насичення адсорбенту через нього пропускають гарячу водяну пару, в результаті чого відбувається випаровування та десорбція спирту, і водно-спиртову парову суміш конденсують у холодильнику.

Іонна адсорбція з розчинів

Іонна адсорбція - адсорбція із розчинів сильних електролітів. В цьому випадку розчинена речовина адсорбується у вигляді іонів.

Іонна адсорбція є більш складним процесом у порівнянні з молекулярною адсорбцією, так як у розчині присутні вже частинки як мінімум 3 видів: катіони, аніони розчиненої речовини та молекули розчинника.

Іонна адсорбція має низку особливостей.

1 Адсорбуються зарядженічастинки (іони), а чи не молекули;

Адсорбція відбувається тільки на полярнихадсорбенти, часто її так і називають – полярна адсорбція;

Адсорбція супроводжується освітою подвійногоелектричного шару (ДЕС);

Адсорбція є виборчої,тобто на даному адсорбенті катіони та аніони адсорбуються неоднаково.

В основі іонної адсорбції лежать хімічнісили, і вона найчастіше кінетично необоротна;

Для іонної адсорбції характерне явище обмінноїадсорбції.

На іонну адсорбцію впливає ряд факторів.

1 Хімічна природа адсорбенту

Чим більш полярним є адсорбент, тим краще адсорбує іони з водних розчинів. На активних центрах, які мають позитивний заряд, адсорбуються аніони, на негативних – катіони.

2. Хімічна природа іонів

а) На адсорбцію іонів великий вплив має величина радіусу іона. Чим більший кристалічний радіус іона при однаковому заряді, тим краще він адсорбується, оскільки зі збільшенням кристалічного радіуса іона зростає його поляризованість,отже, здатність притягуватися до полярної поверхні - адсорбуватися у ньому. Одночасно збільшення кристалічного радіусу призводить до зменшення гідратації іона, а це полегшує адсорбцію. Відповідно до цього іони можна розташувати в ряди за зростаючою здатністю до адсорбції ліотропними рядами:

Li +< Na + < К + < Rb + < Cs +

Mg 2+< Ca 2+ < Sr 2+< Ba 2+

Сl -< Br – < NQ 3 – < I – < NCS – .

адсорбційна здатність зростає

б) Чим більший заряд іона, тим сильніший іон притягується протилежно зарядженою поверхнею твердого тіла, тим сильніша адсорбція:

До +<< Са 2+ << А1 3+ << Th 4+ .

посилення адсорбції

Особливий інтерес для колоїдної хімії становить адсорбція іонів поверхнею кристала,до складу якого входять такі ж чи родинні іони. У цьому випадку адсорбцію можна розглядати як кристалізацію, тобто. добудову кристалічних ґратздатні адсорбуватися на ній іонами. Це дозволило Панетуі Фаянсусформулювати таке правило:

На кристалічній поверхні адсорбуються іони, які здатні добудовувати кристалічні ґрати і дають важкорозчинне з'єднання зіонами, що входять до кристала.

Тож якщо маємо кристал хлориду срібла nAgCl, а розчині іони До + і Сl – , то адсорбуватися на кристалі будуть іони Сl – .

Іонообмінна адсорбція

Іонообмінна адсорбція- це процес, при якому твердий адсорбент обмінює свої іони на іони того ж знака рідкого розчину.

Твердий адсорбент, практично нерозчинний у воді, поглинає з розчину іони одного заряду (катіони або аніони) і замість них віддає в розчин еквівалентне число інших іонів того ж заряду. Такий обмінний іонний процес аналогічний обмінним хімічним реакціям, але протікає лежить на поверхні твердої фази.

Іонообмінна адсорбція має такі особливості:

специфічна,тобто до обміну здатні лише певні іони;

не завжди оборотна;

протікає повільніше, ніж молекулярна адсорбція;

може призводити до зміни рН середовища.

Речовини, що виявляють здатність до іонного обміну, називаються іонітами.Залежно від того, який вид іонів бере участь в обміні, іоніти поділяються на катіоніти та аніоніти. Катіоніти здатні обмінювати катіони, в т.ч. Існують також амфоліти, які в залежності від умов здатні виявляти як катіонообмінні, так і аніонообмінні властивості.

Іоніти мають структуру як каркаса, «пошитого», зазвичай, ковалентними зв'язками. Каркас має позитивний або негативний заряд, компенсований протилежним зарядом рухомих іонів (протиіонів), які можуть легко замінюватися на інші іони з зарядом того ж знака. Каркас виступає у ролі полііону та обумовлює нерозчинність іоніту в розчинниках.

Розрізняють природні та синтетичні іоніти. Природні: алюмосилікатні матеріали - гідролюди, цеоліти і т.д. Синтетичні: іонообмінні смоли, сульфітоване вугілля, іонообмінні целюлози.

Іонний обмін широко застосовується у різних галузях промисловості. Іоніти застосовують для очищення стічних вод, пом'якшення та знесолення води, при виробництві цукру, молока (для зміни його сольового складу), вина (для запобігання помутнінню та зниження кислотності).

Адсорбція на кордоні тверде тіло-газ

Характерною особливістю твердих поверхонь є їхня пористість. Природа поверхні адсорбенту, розміри та форма його пір впливають на адсорбцію, змінюють її кількісні та якісні характеристики, тобто. механізм адсорбції.

Тверді поверхні як адсорбенти використовуються для адсорбції газів або рідин, а адсорбційні процеси при цьому протікають на межі розділу тверде тіло - газ (Т-Г) і тверде тіло - рідина (Т-Ж).

На відміну від поверхні рідини поверхня твердих тіл геометрично та енергетично неоднорідна – тверді адсорбенти можуть мати пори. Однією з основних характеристик подібних адсорбентів є пористість П, вона дорівнює відношенню сумарного обсягу пор V п до загального обсягу адсорбенту V про, тобто. . Залежно від пористості тверді адсорбенти поділяються на дві групи: непористіі пористі.

Поверхня поділу фаз у непористих адсорбентів відповідає контуру твердого тіла. У пористого адсорбенту ця поверхня значно більша за рахунок наявності пір. Часто пористі адсорбенти застосовують як порошків.

Процеси поглинання газів або розчинених речовин твердими матеріалами або рідинами можуть протікати за різними механізмами і мають загальну назву сорбції.

Розрізняють чотири основні сорбційні процеси: абсорбцію, адсорбцію, капілярну конденсацію, хемосорбцію.

Абсорбцієюназивають поглинання газу чи пари всім обсягом твердої речовини чи рідини.

Цей процес полягає у проникненні молекул газу в масу сорбенту та закінчується утворенням твердого або рідкого розчину. Поширення молекул газу в твердій або рідкій фазі відбувається головним чином дифузії. Так як у твердих речовинах швидкість дифузії дуже мала, то абсорбція в них протікає дуже повільно і для встановлення рівноваги потрібен час.

Адсорбціяназивають мимовільне концентрування на твердій або рідкій поверхні поділу фаз речовини з меншим поверхневим натягом.

Адсорбція є чисто поверхневим процесом, який полягає у взаємодії молекул або іонів адсорбату (газу або розчиненої речовини) з поверхнею адсорбенту за рахунок сил Ван-дер-Ваальса, водневих зв'язків, електростатичних сил. Швидкість такого процесу велика, і адсорбція протікає миттєво.

Капілярна конденсаціяє процес зрідження пари в порах твердого сорбенту. Пара може конденсуватися лише за температури нижче критичної. Якщо рідина, що утворюється, добре змочує стінки капілярів, тобто. поверхню сорбенту, то у капілярах утворюються увігнуті меніски в результаті злиття рідких адсорбційних шарів, що виникають на стінках капілярів. Капілярна конденсація відбувається під дією не адсорбційних сил, а сил тяжіння молекул пари до поверхні увігнутого меніска рідини в порах. Протікає вона досить швидко та закінчується протягом кількох хвилин.

Хемосорбція- Це процес адсорбції, який протікає під дією сил основних валентностей, тому її відносять до хімічної адсорбції.

Питання 2. Фізична та хімічна адсорбція та їх особливості

Адсорбція на твердих поверхнях може бути пояснена наявністю силових полів тяжіння, що виникають за рахунок неврівноважених зв'язків у кристалічній решітці.

Адсорбційні сили складаються з валентних сил взаємодії (хімічних) та слабших Ван-дер-ваальсових (фізичних). Роль тих та інших за різних випадків адсорбції різна. Так, на початку адсорбції більшості газів, коли їх тиск мало, спостерігається хімічна адсорбція; зі збільшенням тиску вона поступається місцем фізичної, яка в основному визначає адсорбцію газів. На адсорбцію впливає як природа адсорбенту, а й адсорбтиву. На твердих адсорбентах сильніше адсорбуються гази, які легше зріджуються, тобто. критична температура яких вища.

Фізична адсорбція є оборотним екзотермічним процесом; при збільшенні температури адсорбція зменшується, а десорбція посилюється. Теплоти фізичної адсорбції невеликі і зазвичай становлять 8-20 кДж/моль. Фізична адсорбція не має специфічного виборчого характеру. Хемосорбція, навпаки, специфічна. Вона залежить як від природи адсорбенту, і від природи адсорбату. Енергія зв'язку адсорбент - адсорбат досить велика і приблизно дорівнює теплоті утворення хімічних сполук (80-800 кДж/моль). З підвищенням температури хемосорбція зростає, підкоряючись законам хімічної кінетики та рівноваги гетерогенних реакцій. Хемосорбція часто необоротна і призводить до утворення міцних поверхневих сполук між адсорбентом та адсорбатом.

Слід зазначити, що явища фізичної та хімічної адсорбції чітко розрізняються лише у крайніх випадках. Зазвичай здійснюються проміжні варіанти, коли основна маса адсорбованої речовини зв'язується порівняно слабо (фізична адсорбція) і лише невелика частина міцно пов'язана і може бути видалена тривалим прогріванням і вакуумуванням (хімічна адсорбція). Наприклад, кисень на металах або водень на нікелі адсорбуються за низьких температур за законами фізичної адсорбції, але при підвищенні температури починає протікати адсорбція з помітною енергією активації. У певному інтервалі підвищення температури приріст хімічної адсорбції перекриває падіння фізичної адсорбції.

Запитання 3. Основні положення теорії адсорбції

Існують теорії: мономолекулярної адсорбції (Теорія мономолекулярної адсорбції Ленгмюра), теорія полімолекулярної адсорбції (Теорія полімолекулярної адсорбції Поляні) та Узагальнена теорія Брунауера, Еммета та Теллера (БЕТ).

Запитання 4.Поняття про молекулярну та полімолекулярну адсорбцію. Рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра та його фізичний зміст.

У 1915р. І.Ленгмюр запропонував теорію мономолекулярної адсорбції. Рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра справедливе для широкого інтервалу концентрацій і меж розділу, як рухливих (ж-г, ж-ж), і твердих (т-г, т-ж).

Виведення рівняння ізотерми Ленгмюра для твердих адсорбентів базується на ряді вихідних передумов:

1) адсорбційні сили подібні до сил основних валентностей і діють на малих відстанях;

2) адсорбційну активність має не вся поверхня, а лише певні активні центри, розташовані переважно на опуклих ділянках поверхні: виступах, ребрах, кутах;

3) молекули адсорбованого газу фіксуються на адсорбційних центрах, не переміщаються поверхнею адсорбенту і взаємодіють друг з одним.

4) Кожен активний центр має малий радіус дії і здатний насичуватися. Тому активний центр може провзаємодіяти лише з однією молекулою адсорбату. Внаслідок цього на поверхні адсорбенту може утворитися лише один (мономолекулярний) шар адсорбату (мономолекулярна адсорбція).

5) Адсорбовані молекули утримуються цим активним центром лише протягом певного проміжку часу. Через деякий час молекули відриваються від активного центру та переходять у газову фазу.

Рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра для адсорбції з розчинів рівняння має вигляд:

(1)

для адсорбції газів:

(2)

де К – константа рівноваги адсорбції. Вона тим більше, чим сильніше виражена спорідненість даної речовини, що адсорбується до даного адсорбенту. Крім природи адсорбенту та адсорбату на величину К впливає температура. З підвищенням температури посилюється процес десорбції, оскільки зростає кінетична енергія молекул адсорбату та константа К зменшується.

А ПР – гранична адсорбція. Величина АПР залежить від числа адсорбційних центрів на одиниці поверхні або маси адсорбенту та розмірів молекул адсорбату. Чим більша молекули адсорбату, тим більше площа, що припадає на молекулу в адсорбційному шарі, і тим менша величина А ПР.

Графічне зображення ізотерми адсорбції Ленгмюр наведено на рис. 1. Для кривої характерна наявність трьох ділянок: початкового лінійного, середнього у вигляді відрізка параболи і кінцевого лінійного, що йде паралельно осі абсцис.

Рис 1 Ізотерма адсорбції Ленгмюра

Аналіз рівняння Ленгмюр показує, що в залежності від концентрації адсорбату воно може набувати різних форм.

При малих концентраціях, коли До<<1, этой величиной в знаменателе можно пренебречь и уравнение принимает вид:

Згідно з цим виразом, адсорбція зростає лінійно зі збільшенням концентрації. На графіку ізотерми адсорбції цій умові відповідає початкова ділянка кривої (I).

В області великих концентрацій К>>1 і в знаменнику рівняння (2) можна знехтувати одиницею, тоді

Отримана рівність свідчить про насичення поверхні адсорбатом. На графіку ізотерми адсорбції цій умові відповідає горизонтальна лінійна ділянка III, на якій величина адсорбції вже не залежить від концентрації. Для опису середньої ділянки кривої використовують рівняння Фрейндліха.

Визначення величин К і А ПР у рівнянні Ленгмюр проводять графічним способом. Для цього беруть лінійну форму рівняння. Для цього ділять одиницю на обидві частини рівняння (). Отримують рівняння типу y=a+bx:

(5)

Графік є прямою (рис.2):

Рис 2 Графічне визначення констант рівняння адсорбції Ленгмюр: ОА=α=1/А пр; ОD "= 1/З 1 /2=К

Відрізок осі ординат ОА=а, що відсікається при екстраполяції прямий, дорівнює величині зворотної ПР.

Адсорбція

АДСОРБЦІЯ-і; ж.[від лат. ad - - і sorbere - поглинати, всмоктувати]. Поглинання речовини з газу або розчину поверхневим шаром рідкого або твердого адсорбенту (використовується в хімії, техніці тощо для поділу та очищення речовин).

◁ Адсорбційний, -а, -а.

(від лат. ad - на, при і sorbeo - поглинаю), поглинання газів, пар або рідин поверхневим шаром твердого тіла (адсорбенту) або рідини. Адсорбенти зазвичай мають велику питому поверхню - до кількох сотень м 2 /г. Фізична адсорбція – результат дії дисперсійних чи електростатичних сил. Якщо адсорбція супроводжується хімічною реакцією речовини, що поглинається з адсорбентом, то вона називається хемосорбцією. У промисловості адсорбція здійснюють у спеціальних апаратах – адсорберах; застосовують для осушення газового очищення органічних рідин та води, уловлювання цінних або шкідливих відходів виробництва.

АДСОРБЦІЯ (від лат. ad - на, при і sorbeo - поглинаю), поглинання будь-якої речовини (адсорбату) з газоподібного середовища або розчину поверхневим шаром рідини або твердого тіла (адсорбентом). Розрізняють два види адсорбції: фізичну та хімічну (хемосорбцію) (див.ХЕМОСОРБЦІЯ)). Менш міцна фізична адсорбція не супроводжується суттєвими змінами молекул адсорбату. Вона обумовлена ​​силами міжмолекулярної взаємодії (див.МІЖМОЛЕКУЛЯРНА ВЗАЄМОДІЯ), які пов'язують молекули в рідинах та деяких кристалах і виявляються у поведінці сильно стиснутих газів. Істотна відмінність фізичної адсорбції – її оборотність. При хемосорбції молекули адсорбату та адсорбенту утворюють хімічні сполуки. Часто адсорбція обумовлена ​​і фізичними та хімічними силами, тому не існує чіткої межі між фізичною адсорбцією та хемосорбцією.
Явище адсорбції пов'язане з тим, що сили міжмолекулярної взаємодії на грані розділу фаз некомпенсовані, і, отже, прикордонний шар має надлишок енергії – вільну поверхневу енергію. (див.ПОВЕРХНЕВА ЕНЕРГІЯ). В результаті тяжіння поверхнею розділу фаз молекул адсорбату, що знаходяться поблизу неї, вільна поверхнева енергія зменшується, тобто. процеси адсорбції енергетично вигідні. Адсорбція завжди є екзотермічним процесом, тобто протікає із виділенням теплоти адсорбції Hs.
Значення ентальпії (див.ЕНТАЛЬПІЯ)фізичної адсорбції досить великі (близько 10 ккал/моль) через слабкі атомні взаємодії. Фізична адсорбція легко оборотна, тому, наприклад, у разі адсорбції газу досить легко може здійснитися заміна адсорбованого шару газу іншим газом. Це називається обмінної адсорбцією.
Процес адсорбції закінчується встановленням адсорбційної рівноваги між адсорбентом та адсорбатом. Умовою рівноваги є рівність хімічних потенціалів обох фаз. Зі зростанням температури або тиску адсорбату в обсязі збільшується частота влучень молекул адсорбату на поверхню адсорбенту; пропорційно їй зростає швидкість адсорбції та збільшується рівноважна кількість адсорбованих молекул. Криві залежності рівноважної адсорбції від температури або тиску адсорбату називаються, відповідно, ізобарою та ізотермою адсорбції.
Адсорбовані молекули можуть переміщатися поверхнею, здійснюючи при цьому коливальні рухи, то наближаючись до поверхні, то віддаляючись від неї. Час, протягом якого молекула знаходиться на поверхні, називається часом адсорбції. Зі зростанням температури час адсорбції зменшується: чим вища температура, тим інтенсивніший коливальний рух, і більша ймовірність того, що в процесі таких коливань зв'язок молекули з поверхнею буде розірваний і молекула залишить поверхню. Процес, при якому адсорбовані молекули залишають поверхню, називається десорбцією. (див.ДЕСОРБЦІЯ). Швидкістю адсорбції (десорбції) називається відношення кількості молекул, що адсорбуються (десорбуються) за одиницю часу, до одиниці поверхні або маси адсорбенту. Якщо швидкості адсорбції та десорбції дорівнюють один одному, встановлюється адсорбційна рівновага. У стані рівноваги кількість адсорбованих молекул залишається постійним скільки завгодно довго, якщо незмінні зовнішні умови (тиск, температура та ін.).
У разі контакту поверхні кристала та рідкого розчину з рідини на поверхню твердого тіла переходять молекули, що знаходяться в розчині. Між їх концентраціями в розчині та на поверхні адсорбенту встановлюється рівновага. Речовини, що адсорбуються з розчину, називаються поверхнево-активними речовинами. (див.ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНІ РЕЧОВИНИ (ПАВ))(ПАР). Висока адсорбованість ПАР пов'язана з сильним зниженням поверхневого натягу (див.ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ)розчину на цій поверхні в порівнянні з поверхневим натягом чистого розчинника на цій поверхні. Інактивні речовини підвищують поверхневий натяг та погіршують адсорбцію.
Якщо теплота адсорбції можна порівняти з поверхневою енергією адсорбенту, то процесі адсорбції може істотно змінюватися кристалічна структура поверхні твердого тіла, причому при фізичної адсорбції перебудові піддаються переважно поверхні молекулярних кристалів, а разі хемосорбції зміни поверхневої структури спостерігаються навіть металів і іонних кристалів. Адсорбовані на поверхні плівки сильно змінюють властивості поверхні, а в ряді випадків торкаються і більш товсті приповерхневі шари.
Адсорбція відіграє важливу роль у багатьох природних процесах, таких як збагачення грунтів та утворення вторинних рудних родовищ. Саме завдяки адсорбції здійснюється перша стадія поглинання різних речовин із навколишнього середовища клітинами та тканинами біологічних систем, функціонування біологічних мембран, перші етапи взаємодії ферментів із субстратом, захисні реакції проти токсичних речовин. Багато адсорбентів (активне вугілля, каолін (див.Каолін), іоніти (див.ІОНІТИ)та ін) служать протиотрутами, поглинаючи та видаляючи з організму шкідливі речовини. Адсорбенти зазвичай мають велику питому поверхню - до кількох сотень м 2 /г. У промисловості адсорбцію здійснюють у спеціальних апаратах – адсорберах; застосовують для осушення газів, очищення органічних рідин та води, уловлювання цінних або шкідливих відходів виробництва.

Енциклопедичний словник. 2009 .

Дивитись що таке "адсорбція" в інших словниках:

- (Від лат. ad на, при і sorbeo поглинаю), процес, що призводить до аномально високої концентрації у ва (ад ср б а т а) з газоподібного або рідкого середовища на поверхні її розділу з рідиною або тб. тілом (адресом). Окремий випадок… … Фізична енциклопедія

Поглинання поверхнею фазово стороннього тіла (адсорбенту) будь-яких речовин (адсорбатів) із суміжного газового або рідкого середовища, що протікає на межі розділу фаз. А. із газової фази або з розчинів знайшла… … Геологічна енциклопедія

- (Від лат. ad на при і sorbeo поглинаю), поглинання газів, пар або рідин поверхневим шаром твердого тіла (адсорбенту) або рідини. Адсорбенти зазвичай мають велику питому поверхню до кількох сотень м²/г. Фізична адсорбція. Великий Енциклопедичний словник

адсорбція- Мимовільна зміна концентрації розчину або газової суміші поблизу поверхні розділу фаз. Примітка Адсорбуюче тверде тіло називається адсорбентом, адсорбується адсорбатом. [ГОСТ 17567 81] адсорбція Утримування фізичними… Довідник технічного перекладача

Адсорбція- – поглинання газів, парів чи рідин поверхневим шаром твердого тіла (адсорбенту) чи рідини. [Термінологічний словник з бетону та залізобетону. ФГУП «НДЦ «Будівництво» НИИЖБ і м. А. А. Гвоздєва, Москва, 2007 110 стор.] … … Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів

- (від лат. ad на і sorbeo поглинаю) поглинання різних речовин із розчинів або повітряного середовища поверхнями твердих тіл. Може бути фізичною або хімічною (з утворенням хімічних сполук), найчастіше супроводжується виділенням тепла. Екологічний словник

Поглинання речовини з розчину чи газу поверхневим шаром рідини чи твердого тіла (адсорбентом); відіграє у біол. системах, що широко застосовується в біохімії для поділу та очищення речовин. (

Адсорбцією називають процес вибіркового поглинання компонента газу, пари чи розчину пористою поверхнею твердого тіла (адсорбенту). Адсорбцію застосовують для очищення газів з невисоким вмістом газоподібних або пароподібних забруднень до отримання дуже низьких об'ємних концентрацій. Адсорбцію застосовують для уловлювання з газів, вентиляційних викидів сірчистих сполук, вуглеводнів, хлору, оксидів азоту, пари органічних розчинників та ін.

Процеси адсорбції є вибірковими та оборотними. Кожен поглинач має здатність поглинати лише певні речовини та не поглинати інші. Поглинена речовина завжди може бути виділена з поглинача шляхом десорбції.

На відміну від абсорбційних методів, адсорбція дозволяє проводити очищення газів при підвищених температурах.

Цільовий поглинається компонент, що знаходиться в газі, що очищається, називають адсорбтивом, цей же компонент в адсорбованому стані, тобто поглинена речовина в адсорбенті - адсорбатом.

За характером взаємодії адсорбату з поверхнею розрізняють фізичну та хімічну адсорбцію.

Фізична адсорбція обумовлюється силами міжмолекулярної взаємодії (дисперсійний, орієнтаційний та індукційний ефекти). Міжмолекулярні сили слабкі, тому за фізичної адсорбції відбувається лише невелика деформація адсорбованих частинок. Цей вид адсорбції – суто фізичний процес з енергією активації порядку 4.12 кДж/моль. При фізичній адсорбції молекули газів і парів, що поглинаються, утримуються силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбції - хімічними силами. При фізичній адсорбції взаємодія молекул із поверхнею адсорбенту визначається порівняно слабкими силами (дисперсними, індукційними, орієнтаційними). Для фізичної адсорбції характерна висока швидкість, мала міцність зв'язку між поверхнею адсорбенту та адсорбтивом, мала теплота адсорбції (до 60 кДж/моль).

Хімічна адсорбія (хемосорбція) здійснюється за рахунок ненасичених валентних сил поверхневого шару. При цьому можуть утворюватися поверхневі хімічні сполуки, властивості та будова яких ще мало вивчені. Відомо лише, що вони відмінні від властивостей об'ємних сполук. При утворенні поверхневих сполук необхідно подолати енергетичний бар'єр, який зазвичай становить 40100 кДж/моль. Оскільки хемосорбція потребує значної енергії активації, її іноді називають активованою адсорбцією. При фізичній адсорбції взаємодія молекул із поверхнею адсорбенту визначається порівняно слабкими силами (дисперсними, індукційними, орієнтаційними). Для фізичної адсорбції характерна висока швидкість, мала міцність зв'язку між поверхнею адсорбенту та адсорбтивом, мала теплота адсорбції (до 60 кДж/моль). В основі хімічної адсорбції лежить хімічна взаємодія між адсорбентом і речовиною, що адсорбується. Діючі при цьому сили значно більші, ніж при фізичній адсорбції, а тепло, що вивільняється, збігається з теплом хімічної реакції (вона коливається в межах 20.400 кДж/моль).

Величини фізичної та хімічної адсорбції зі зростанням температури зменшуються, проте за певної температури фізична адсорбція може стрибкоподібно перейти в активовану.

При адсорбції можливі дуже великі швидкості поглинання та повне вилучення компонентів, виділення яких шляхом абсорбції було б неможливим через їх малу концентрацію в суміші.

Адсорбція продовжує залишатися основним способом очищення газових технологічних викидів. В принципі, адсорбція може бути застосована для отримання будь-яких забруднювачів з газового потоку. На практиці сфера її застосування обмежена низкою експлуатаційних, технічних та економічних умов. Так, за вимогами пожежо- та вибухо-безпеки не можна піддавати адсорбційній обробці гази з вмістом вибухонебезпечних компонентів понад 2/3 від нижньої концентраційної межі займання.

Оптимальні концентрації забруднювачів у газах, що подаються на очищення, знаходяться в межах 0,02...0,5% об. (У перерахунку на сполуки з молекулярною масою ~ 100). Сучасні технічні можливості не дозволяють знижувати концентрацію забруднювачів за допомогою адсорбції до санітарних норм. Орієнтовно мінімальні кінцеві концентрації забруднювачів, відповідні прийнятним характеристикам адсорбційних апаратів, практично складають 0,002...0,004% про. Тому адсорбційне очищення газів з початковим вмістом забруднювача менше 0,02% доречне, якщо це дорогий продукт або речовина високого класу небезпеки.

Обробка відкидних газів з високою (більше 0,2...0,4% об. у перерахунку на сполуки з молекулярною масою близько 100...50) початковою концентрацією забруднювача потребує значної кількості адсорбенту і, відповідно, великих габаритів адсорбера. Громіздкість апаратів викликається і малими (до 0,5 м/с) значеннями швидкості потоку через шар адсорбенту, оскільки при більш високих швидкостях різко зростає стирання та віднесення адсорбенту. Так, втрати адсорбенту за рахунок винесення можуть доходити при швидкостях потоку 1...1,5 м/с до 5% на добу.

Однак можливості процесу адсорбції ще не вичерпані. У ряді випадків він може бути використаний для створення очисних систем нового покоління, які відповідають не лише санітарним нормам, а й економічним вимогам. Наприклад, адсорбцію можна застосувати у двоступінчастій схемі очищення для попереднього концентрування сильно розведених органічних забруднювачів, що надходять потім на термознешкодження. Таким чином, концентрації забруднювачів у вентиляційних викидах можна підвищити в десятки разів.

Адсорбція може протікати в нерухомому шарі, що переміщується (рухомому) шарі, киплячому (псевдозрідженому) шарі адсорбенту.