1.4 Адсорбция газов и растворенных веществ твердыми адсорбентами
Рассмотрим адсорбцию газообразных и растворенных веществ твер-
дыми адсорбентами. Твердыми адсорбентами считаются все виды грунтов,
песок, глина и другие природные материалы. Поверхность твердых тел об-
ладает избытком поверхностной энергии за счет неуравновешенных связей
в кристаллической решетке. Поэтому на границе раздела между твердым
телом и газом, твердым телом и жидкостью может происходить адсорбция
веществ, понижающих поверхностную энергию.
Из неорганических сорбентов широко используется диоксид кремния
SiO
2
в виде искусственно полученного силикагеля, многие силикаты, кар-
бонаты. Органические сорбенты естественного происхождения представ-
ляют собой углеводы: крахмал и целлюлоза и ВМС – ионообменные смо-
лы.
Так как адсорбция протекает на поверхности адсорбента, то чем
больше его поверхность, тем выше способность к адсорбции. Количество
газа или растворенного вещества, адсорбируемое определенным количе-
ством адсорбента, зависит от следующих факторов:
природы адсорбента;
природы газа или растворенного вещества;
давления газа;
концентрации растворенного вещества;
температуры.
Рассмотрим пример: происходит адсорбция твердым адсорбентом
какого-либо газа. Если в сосуд с адсорбентом введено
n
1
молей газа, то че-
рез некоторое время в нем останется
n
2
молей газа. Разность
(n
1
- n
2
)
- чис-
ло адсорбированных молей газа в момент адсорбционного равновесия. Ко-
личество вещества, поглощенное 1см
2
поверхности при достижении равно-
весия в данных условиях, выраженное в молях, называется удельной ад-
сорбцией:
где
Г - удельная адсорбция, моль/см
2
,
Δn
x
- число молей адсорбирован-
ного вещества; S - поверхность адсорбента, см
2
.
В большинстве случаев из-за трудности определения поверхности
твердого адсорбента (в случае пористых веществ) величину удельной ад-
сорбции приходится рассчитывать на 1 г адсорбента и выражать в моль/г:
где
m
- количество граммов адсорбента.
12
Адсорбция веществ зависит от давления (для газов) и концентрации
(для растворенных веществ). Зависимость адсорбции растворенного веще-
ства от концентрации (температуры, природы адсорбента и адсорбтива)
выражается эмпирическим уравнением Фрейндлиха:
где C - равновесная концентрация; k и n - постоянные величины, опреде-
ляемые опытным путем, причем n
1.
Если на оси ординат отложить соответствующее значение x/m , а на
оси абсцисс – концентрацию (C ), то получится кривая адсорбции, называ-
емая изотермой адсорбции (рис. 1.7).
Сначала эта кривая идет почти прямолинейно, так как для очень сла-
бых концентраций x/m прямо пропорциональна концентрации поглощае-
мого вещества, то есть здесь n = 1.
При высоких концентрациях достигается предельное значение x/m ,
то есть полное насыщение. Это наблюдается, если вся адсорбирующая по-
верхность покрыта адсорбируемым веществом, в этом случае n = 0. Меж-
ду этими двумя предельными случаями имеется постепенный переход в
области промежуточных концентраций, для которых величина n остается
приблизительно постоянной.
Если прологарифмировать последнее уравнение, то получим:
Полученное уравнение есть уравнение прямой линии. Построим изо-
терму адсорбции в логарифмических координатах (рис. 1.8). Отрезок ОА
на рис. 1.8 дает величину k , а тангенс угла наклона прямой дает величину
Рисунок 1.7. Изотерма адсорбции
13
n . Все случаи поглощения газообразных веществ твердыми пористыми
телами имеют сложную природу и слагаются из нескольких более простых
явлений. Первый процесс –
Do'stlaringiz bilan baham: |