Адсорбция газов и паров на пористых телах

Особенности адсорбции

Связнодисперсные (структурированные) системы отличаются от свободнодисперсных характером взаимодействия, частицы дисперсной фазы в них связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил. Такие системы называются пористыми телами. Большинство пористых, особенно высокопористых тел можно представить как более или менее жесткие пространственные структуры — сетки или каркасы (в коллоидной химии такие системы называют гелями — уголь, торф, древесина, картон, бумага, ткани, зерно, кожа, глина, почва, слабообожженныс керамические материалы). При изменении дисперсности макропористые тела переходят в микропористые с размерами пор, соизмеримыми с размерами молекул. В этом случае, как и в случае свободнодиснерсных систем, представление о внутренней поверхности теряет физический смысл. Адсорбция газов и паров на пористых телах имеет особенности, связанные со строением пористых тел (наличием внутренней межфазной поверхности). Адсорбционная способность, то есть удерживание газов и паров пористыми телами зависит как от природы взаимодействующих тел, так и от структуры пористого тела (количества и размеров пор и капилляров, распределения их по объему, пористости и т. п.). Для описания адсорбции в зависимости от дисперсности используются различные теории и уравнения (табл. 2.4).

Описание поверхностных явлений в пористых телах.

Таблица 2.4

Адсорбционная способность пористых тел по отношению к влаге может сильно отличаться, так как они вступают с жидкостью в связи, различные по природе:

• — химические, которые реализуются при сольватации, когда молекулы жидкости входят в структуру кристалла, и удалить влагу можно только с помощью химической реакции или прокаливания;
• — физико-химические, которые проявляются при адсорбции, благодаря молекулярным силам Ван-дср-Ваальса и водородным связям;
• — физико-мсханичсскис, обусловленные капиллярными силами.

Положительная адсорбция на пористых телах возможна при наличии достаточного сродства между адсорбентом и адсорбатом для смачивания. На практике в качестве адсорбентов, предназначенных для разделения, извлечения и очистки веществ, применяют специально синтезированные высокопористые тела — активные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты, которые отличают большая удельная поверхность, механическая прочность и избирательность. Чтобы увеличить адсорбцию, подбирают такие адсорбенты, которые получены из веществ, имеющих большое сродство к данному адсорбату (табл. 2.5).

При малых давлениях в макрои мезапористых адсорбентах адсорбция определяется преимущественно природой взаимодействующих компонентов. Микропористая структура обеспечивает резкое увеличение адсорбционного потенциала, поэтому для увеличения поглотительной способности адсорбентов при малых давлениях изменяют их структуру, превращая в микропористые тела (например, активирование углей).

С увеличением давления газа или пара начинают действовать капиллярные силы в мсзапористых структурах. При этом адсорбционный потенциал возрастает и конденсация происходит при меньшем давлении: чем меньше размер пор, тем при более низких давлениях они заполняются.

Адсорбция газов на древесном угле при 288 К.

Таблица 2.5

Избирательность адсорбции определяется природой подлежащих разделению газов и паров. При малых давлениях избирательность определяется сродством к поверхности адсорбента: чем больше различие в сродстве адсорбируемых газов, тем легче разделить смесь. Для микропористых адсорбентов дополнительную роль играет молекулярно-ситовой эффект. С увеличением давления или с понижением температуры при наступлении конденсации в мезапорах основное влияние на разделение начинает оказывать природа газов и их способность к конденсации (чем меньше давление, при котором газ начинает конденсироваться, темн лучше он будет адсорбироваться).

Макропоры имеют малую поверхность и поэтому доля адсорбированного в них вещества небольшая. Основная роль макропор в адсорбентах заключается в обеспечении транспортирования молекул адсорбата к мезаи микропорам.

Пористость и дисперсность определяют удельную поверхность адсорбентов, с увеличением которой растет количество извлекаемого вещества, приходящегося на единицу массы — емкость адсорбента. При одной и той же массе адсорбента с ростом удельной поверхности уменьшается равновесная концентрация в объеме раствора. Удельная поверхность выступает в роли термодинамического параметра дополнительно к давлению и температуре.

Структура пористого тела может в значительной степени влиять и на кинетику адсорбции, так как одна из стадий процесса связана с переносом вещества внутри пор и для нее характерен диффузионный механизм. Часто эта стадия определяет время установления адсорбционного равновесия.