Sorpsiyon fenomeni absorpsiyon ve adsorpsiyon. Sorpsiyonun tanımı ve türleri

Sorpsiyon (Latince sorbeo'dan - absorbe ediyorum, içeri çekiyorum), absorpsiyon mekanizmasından bağımsız olarak bir maddenin (sorbtiva) başka bir (sorbent) absorpsiyon sürecidir. Sorpsiyon mekanizmasına bağlı olarak, adsorpsiyon, absorpsiyon, kemisorpsiyon ve kılcal yoğunlaşma ayırt edilir.

adsorpsiyon arayüzeydeki bir maddenin konsantrasyonundaki değişiklik olarak adlandırılır. Adsorpsiyon, herhangi bir arayüzey yüzeyinde meydana gelir ve herhangi bir madde adsorbe edilebilir. Adsorpsiyon dengesi, yani maddenin sınır tabaka ve bitişik fazlar arasındaki denge dağılımı dinamik bir dengedir ve hızlı bir şekilde kurulur. Artan sıcaklıkla adsorpsiyon azalır.

Bazı durumlarda, bir maddenin başka bir madde tarafından emilmesi, yüzey tabakası ile sınırlı olmayıp, sorbentin tüm hacmi boyunca meydana gelir. Bu absorpsiyon denir emilim. Bir absorpsiyon işlemine bir örnek, gazların sıvılarda çözünmesidir. Kimyasal reaksiyonlarla birlikte bir maddenin başka bir madde tarafından emilmesine denir. kemisorpsiyon. Bu nedenle, amonyak veya hidrojen klorürün su tarafından absorpsiyonu, oksit ve hidroksitlerin oluşumu ile metaller tarafından nem ve oksijenin absorpsiyonu, karbon dioksitin kalsiyum oksit tarafından absorpsiyonu, kimyasal absorpsiyon proseslerinin örnekleridir. kılcal yoğunlaşma mikro gözenekli sorbentlerde sıvılaştırıcı buharlardan oluşur. Sıvının ıslattığı dar kılcal damarlardaki içbükey menisküs üzerindeki buhar basıncının, aynı sıcaklıkta sıvının düz yüzeyi üzerindeki doymuş buhar basıncından daha az olması nedeniyle oluşur.

Bu nedenle, sorpsiyon süreçleri mekanizmalarında farklıdır. Bununla birlikte, herhangi bir sorpsiyon prosesi, sıvı, gaz veya katı olabilen bitişik fazların sınırında adsorpsiyon ile başlar.

§ 106'da belirtildiği gibi, faz sınırlarındaki tüm kendiliğinden süreçler azalan serbest yüzey enerjisi yönünde gerçekleşir. Sonuç olarak, sınır tabakadaki bir maddenin konsantrasyonunda bir artışa yol açan pozitif adsorpsiyon, ancak bu durumda yüzey gerilimi azalırsa mümkündür.

Çözeltilerin yüzey gerilimi ile sıvıda adsorpsiyon arasındaki ilişkiyi ele alalım | gaz. Çözeltilerin yüzey gerilimi, çözücünün ve çözünenin doğasına, ikincisinin konsantrasyonuna ve sıcaklığa bağlıdır. Sabit sıcaklıkta çözeltilerin yüzey geriliminin çözünenin konsantrasyonuna bağımlılığı denir. yüzey gerilimi izotermi.Çözücünün yüzey gerilimini çözer veya düşürür, bu durumda bunlara denir yüzey aktif maddeler (yüzey aktif maddeler) veya yüzey gerilimini arttırın (yüzey etkin değil maddeler) veya çözücünün yüzey gerilimini etkilemez (Şekil 95). Sulu çözeltilerde polar organik bileşikler (alkoller, asitler, aminler, fenoller) yüzey aktiftir. Güçlü elektrolitlerin çoğu yüzeyde aktif değildir.

Yüzey aktif maddeler iki büyük alt gruba ayrılır: 1) gerçekten suda çözünür ve 2) misel kolloidler.

Birinci alt grubun yüzey aktif cisimleri, kısa hidrokarbon radikallerine sahip amfifilik moleküllerdir ve ikinci alt grubun yüzey aktif cisimleri, suda az çözünür, uzun hidrokarbon radikallerine sahip amfifilik moleküllerdir.

Yüzey tabakasındaki ve çözelti hacmi içindeki aynı tabakadaki bir çözünenin konsantrasyonları arasındaki fark, bu maddenin yüzey fazlalığı olarak adlandırılır ve Yunanca G harfi ile gösterilir.

Pirinç.

Pirinç.

Yüzey katmanı yapısı: a- saf çözücü; b- doymamış monomoleküler yüzey aktif madde tabakası; içinde- doymuş monomoleküler yüzey aktif madde tabakası

(a - yüzey gerilimi, C-çözelti konsantrasyonu): 1,2 - daha büyük (/) ve daha az olan yüzey aktif maddelerin (yüzey aktif cisimleri) çözeltileri (2) yüzey aktivitesi; 3 - yüzey aktif madde ma" çözeltisi). Yüzey aktif maddeler yüzey tabakasında pozitif olarak adsorbe edilir ve sonuç olarak onlar için T > 0, çünkü bu yüzey geriliminde bir azalmaya yol açar. Aksine, yüzey aktif maddeler negatif olarak adsorbe edilir; yüzey tabakasındaki konsantrasyonları, çözeltinin hacminden daha azdır (G

Bir yüzey aktif madde için bir adsorpsiyon izoterminin bir örneği, Şek. 96. Gördüğünüz gibi, çözelti konsantrasyonundaki bir artışla, G, tüm yüzey tabakası çözücü moleküllerinin yerini alan yüzey aktif madde molekülleri tarafından işgal edildiğinde sınır değerine (T 00) ulaşır. Bu tür doymuş monomoleküler yüzey katmanlarında, yüzey aktif madde molekülleri - polar gruplarıyla polar faza (örneğin su) ve polar olmayan hidrokarbon radikalleriyle - polar olmayan faza (örneğin hava) doğru şekilde yönlendirilir, bir tür çit oluşturuyor.

Sınır gerilimi benzer şekilde değişir ve üçüncü bileşen, karışmayan iki sıvının sınırında adsorbe edilir.

Gazların ve buharların katıların yüzeyinde adsorpsiyonu da serbest yüzey enerjisindeki azalmanın bir sonucu olarak gerçekleşir. Katıların yüzey gerilimini ölçmenin zorluğu göz önüne alındığında, üzerlerindeki adsorpsiyon, doğrudan adsorbe edilen maddenin miktarının belirlenmesiyle değerlendirilir. İkincisi ne kadar büyükse, adsorbanın yüzeyi o kadar büyük olur. Bu nedenle, adsorpsiyon işlemlerinin uygulanması için, belirli bir yüzey alanı ile karakterize edilen gelişmiş bir iç yüzeye sahip oldukça gözenekli adsorbanlar oluşturmak çok önemlidir. 1 g sorbent başına yüzey. En önemli gözenekli sorbentler aktif karbon ve silika jeldir. Kömürün emme yeteneği 18. yüzyılda fark edildi. Ancak, sadece 1915'te N.D. Zelinsky elde etmek için bir yöntem geliştirdi aktif karbonlar, onları toksik maddelerin evrensel emicileri olarak önermek ve E.L. Kumantom, lastik maskeli bir kömür gazı maskesi tasarladı. Kömürü aktive etmenin ilk yollarından biri, ahşabın kuru damıtılması sırasında oluşan reçineli maddeleri çıkarmak ve gözenekleri sıradan kömürle doldurmak için aşırı ısıtılmış buharla işlemekti.

Ülkemizde aktif karbon elde etmek ve incelemek için modern yöntemler M.M. Dubinin. Aktif karbonların spesifik yüzeyi gram başına 1000 m2'ye ulaşır. Aktif karbon hidrofobik bir adsorbandır, su buharını zayıf emer ve hidrokarbonları çok iyi emer.

Su buharını emmek için, susuz silisik asitten oluşan bir aerojel olan ve hidrofilik bir adsorban yaygın olarak kullanılır. silika jeli. Endüstri, farklı gözenek boyutlarına ve dağılımlarına sahip çeşitli derecelerde silika jel üretmektedir.

Sıvıların yüzeyinden farklı olarak, katıların yüzeylerindeki tüm noktalar adsorpsiyon kapasiteleri açısından eşit değildir. Düşük gaz konsantrasyonlarında, adsorpsiyon, adsorbanın en aktif bölgeleri üzerinde monomoleküler olarak meydana gelir - kuvvet alanı en az doymuş olan tek tek atomlar veya yüzey atom grupları olan "aktif merkezleri". Gazlar kritik sıcaklıklarının altındaki sıcaklıklarda adsorbe edildiğinde, monomoleküler adsorpsiyon artan basınçla polimoleküler adsorpsiyona dönüşebilir.

Sıcaklıktaki bir artış ve basınçtaki bir azalma, gazların ve buharların desorpsiyonuna yol açar. Sonuç olarak, sorpsiyon-desorpsiyon yöntemleri endüstride ekstraksiyon için yaygın olarak kullanılmaktadır. çeşitli maddeler havadan ve ayrıca gazların ve buharların ayrılması için.

Çözünenler, katı adsorbanlar üzerindeki çözeltilerden adsorbe edildiğinde, çözücüler her zaman bir dereceye kadar adsorbe edilir. Bu nedenle, çözeltilerden adsorpsiyon, çözünenlerin ve çözücünün absorpsiyonu arasında rekabetçidir. Hem çözünmüş elektrolit olmayanlar hem de elektrolitler adsorbe edilebilir. Bu bağlamda, çözeltilerden moleküler ve iyonik adsorpsiyon arasında bir ayrım yapılır.

Moleküler sorpsiyon sırasında çözücünün adsorpsiyonunu azaltmak için sulu çözeltiler Genellikle hidrofobik bir adsorban kullanılır - aktif karbon ve polar olmayan çözücülerden (hidrokarbonlar) emildiğinde hidrofilik bir adsorban silika jeldir. Adsorpsiyon, adsorbanın aktif merkezleri boyunca, genellikle monomoleküler ve oldukça seçici olarak ilerler. Gazlar ve buharların yanı sıra çözeltilerden moleküler adsorpsiyon izotermleri, Şek. 96. Sıvıların yardımıyla gerçekleştirilen desorpsiyon genellikle denir. elüsyon ve bu amaçlar için kullanılan sıvılar veya solüsyonlar, eluentler.

Sorpsiyon, statik veya dinamik koşullar altında meydana gelebilir. Sorpsiyon denir statik, gaz veya sıvı fazda olan emilen madde (sorbent), hareketsiz sorbent ile temas ettirildiğinde veya onunla karıştırıldığında. Emici maddenin statik aktivitesi, belirli koşullar altında emici maddenin birim kütlesi başına emilen madde miktarı ile karakterize edilir.

dinamik sorpsiyon, emilen madde, bir sorbent tabakasından filtrelenen hareketli bir sıvı veya gaz fazında olduğunda denir. Adsorbanın dinamik aktivitesi, adsorbanın geçişinin başlangıcından atılımına kadar geçen süre ile karakterize edilir, yani. adsorban tabakanın arkasında görünmeden önce (N.A. Shilov, 1917). Endüstride, sorpsiyon-desorpsiyon süreçleri kural olarak dinamik koşullar altında gerçekleştirilir, çünkü bu teknolojik süreçlerin sürekliliğini ve otomasyon olasılığını sağlar.

Nikolai Dmitrievich Zelinsky (1861 - 1953) - akademisyen, büyük bir organik kimyager okulunun kurucusu. Organik kataliz alanında klasik eserlerinin yanı sıra petrol kimyası ve ondan birçok değerli ürünün üretimi konusunda da sahibidir.
Mikhail Mikhailovich Dubinin (1901-1993) - akademisyen, Devlet Ödülleri sahibi, sorpsiyon alanında büyük bir bilim okulunun başkanı. Gazların ve buharların absorpsiyon mekanizması ve ayrıca sorbentleri elde etme ve inceleme yöntemleri hakkında modern fikirlerin geliştirilmesine büyük katkı yaptı.

Temel konseptler

Halen fazın hacminde olan emilen maddeye denir. adsorban, emilir - adsorbat. Daha dar bir anlamda, adsorpsiyon genellikle bir katı (gaz ve sıvı durumunda) veya sıvı (gaz durumunda) tarafından bir gaz veya sıvıdan bir safsızlığın emilmesi olarak anlaşılır - adsorban. Bu durumda, genel adsorpsiyon durumunda olduğu gibi, safsızlık, adsorban-sıvı veya adsorban-gaz arayüzünde yoğunlaşır. Adsorpsiyonun tersi olan, yani bir maddenin arayüzeyden fazın hacmine aktarılması işlemine ne ad verilir? desorpsiyon. Adsorpsiyon ve desorpsiyon oranları eşitse, kuruluştan söz edilir. adsorpsiyon dengesi. Bir denge durumunda, dış koşullar (basınç, sıcaklık ve sistemin bileşimi) değişmezse, adsorbe edilen moleküllerin sayısı keyfi olarak uzun bir süre sabit kalır.

adsorpsiyon ve kemisorpsiyon

İki faz arasındaki arayüzde, esas olarak fiziksel etkileşimlerden (esas olarak van der Waals kuvvetleri) kaynaklanan adsorpsiyona ek olarak, şunlar olabilir: Kimyasal reaksiyon. Bu süreç denir kimyasal emilim. Adsorpsiyon ve kimyasal adsorpsiyon arasında net bir ayrım her zaman mümkün değildir. Bu fenomenlerin farklılık gösterdiği ana parametrelerden biri termal etkidir: örneğin, fiziksel adsorpsiyonun termal etkisi genellikle adsorbat sıvılaştırmasının ısısına yakınken, kimyasal adsorpsiyonun termal etkisi çok daha yüksektir. Ayrıca, adsorpsiyondan farklı olarak, kemisorpsiyon genellikle geri döndürülemez ve lokalizedir. Hem adsorpsiyon hem de kimyasal adsorpsiyon özelliklerini birleştiren ara seçeneklere bir örnek, metaller üzerinde oksijen ve nikel üzerinde hidrojen etkileşimidir: Düşük sıcaklık fiziksel adsorpsiyon yasalarına göre adsorbe edilirler, ancak sıcaklık arttıkça kemisorpsiyon oluşmaya başlar.

benzer fenomenler

Bir önceki bölümde, bir yüzeyde meydana gelen heterojen bir reaksiyonun durumunu tartışmıştık - kemisorpsiyon. Bununla birlikte, sadece yüzeyde değil, hacim boyunca heterojen reaksiyonlar vardır; bu olağan heterojen reaksiyondur. Tüm hacim üzerinde soğurma, fiziksel kuvvetlerin etkisi altında da gerçekleşebilir - bu duruma emilim denir.

fiziksel adsorpsiyon

Fiziksel adsorpsiyon modelleri
tek tabaka oluşumu	enerji diyagramı

Pirinç. bir: a) adsorban, b) adsorbat, c) adsorban (gaz fazı veya çözelti)	Pirinç. 2: a) adsorban, b) adsorbat, c) gaz fazı, d - mesafe, E - enerjisi, E b - adsorpsiyon enerjisi, (1) desorpsiyon, (2) adsorpsiyon
polikondenzasyon	seçici adsorpsiyon

Pirinç. 3: a) adsorban, b) adsorbat, c) kondensat, d) adsorban (gaz fazı veya çözelti)	Pirinç. dört: a) adsorban, b) adsorbat, c) adsorbanlar (gaz fazı veya çözelti): mavi parçacıkların baskın adsorpsiyonu gösterilmiştir

Adsorpsiyona spesifik olmayan (yani maddeden bağımsız) van der Waals kuvvetleri neden olur. Adsorban ve adsorbat arasındaki kimyasal etkileşimle karmaşıklaşan adsorpsiyon özel bir durumdur. Bu tür olaylara denir kimyasal emilim ve kimyasal adsorpsiyon. Etkileşim kuvvetlerinin doğasının vurgulanmasının gerekli olduğu durumlarda "sıradan" adsorpsiyona denir. fiziksel adsorpsiyon.

Fiziksel adsorpsiyon tersinir bir işlemdir, denge durumu adsorbat moleküllerinin eşit adsorpsiyon oranları ile belirlenir. P adsorban yüzeyinin boş bölgelerinde S* ve desorpsiyon - bağlı durumdan adsorbat salınımı S-P:

;

bu durumda denge denklemi:

, ,

adsorbat tarafından işgal edilen adsorbanın yüzey alanının oranı, Langmuir adsorpsiyon katsayısıdır ve P, adsorbat konsantrasyonudur.

Sırasıyla ve olduğundan, adsorpsiyon denge denklemi aşağıdaki gibi yazılabilir:

Langmuir denklemi, adsorpsiyon izoterm denkleminin bir şeklidir. Adsorpsiyon izoterm denklemi (kısaltılmış adsorpsiyon izotermi daha sık kullanılır), sabit bir sıcaklıkta denge adsorpsiyon değerinin adsorbat konsantrasyonuna a=f(С) bağımlılığı olarak anlaşılır ( T=sabit). Bir sıvıdan adsorpsiyon durumunda adsorbanın konsantrasyonu, kural olarak mol veya kütle fraksiyonları olarak ifade edilir. Çoğunlukla, özellikle çözeltilerden adsorpsiyon durumunda, bağıl değer kullanılır: C / Cs, burada C konsantrasyondur, Cs, belirli bir sıcaklıkta adsorpsiyonun sınırlayıcı konsantrasyonudur (doyma konsantrasyonu). Gaz fazından adsorpsiyon durumunda, konsantrasyon mutlak basınç birimlerinde veya özellikle buhar adsorpsiyonu için tipik olan bağıl birimlerde ifade edilebilir: P/Ps, burada P buhar basıncıdır, Ps bu maddenin doymuş buhar basıncı. Adsorpsiyon değerinin kendisi de konsantrasyon birimleri olarak ifade edilebilir (yüzeydeki adsorbat moleküllerinin sayısının toplam molekül sayısına oranı). Katı adsorbanlar üzerinde adsorpsiyon için, özellikle pratik problemler göz önüne alındığında, absorbe edilen maddenin kütlesinin veya miktarının adsorbanın kütlesine oranı, örneğin mg/g veya mmol/g kullanılır.

Adsorpsiyon değeri

Adsorpsiyon, fazlar arasında bir ara yüzün olduğu her yerde ve her zaman meydana gelen evrensel ve her yerde bulunan bir olgudur. En büyük pratik önemi, yüzey aktif maddelerin adsorpsiyonu ve bir gaz veya sıvıdan safsızlıkların özel yüksek etkili adsorbanlar tarafından adsorpsiyonudur. Yüksek özgül yüzey alanına sahip çeşitli malzemeler adsorban olarak işlev görebilir: gözenekli karbon (en yaygın şekli aktif karbondur), silika jeller, zeolitler ve diğer bazı doğal mineral ve sentetik madde grupları.

Adsorpsiyon tesisine adsorplayıcı denir.

Ayrıca bakınız

Azot adsorpsiyon tesisleri

Notlar

Edebiyat

Frolov Yu.G. Kolloid kimyası kursu. Yüzey olayları ve dispers sistemler. - M.: Kimya, 1989. - 464 s.
Keltsev NV Adsorpsiyon teknolojisinin temelleri. - M.: Kimya, 1984. - 592 s.
Greg S., Sing K. Adsorpsiyon, yüzey alanı, gözeneklilik. - E.: Mir, 1984. - 310 s. *
Adamson A. Yüzeylerin fiziksel kimyası. – M.: Mir. 1979. - 568 s.
Oura K., Lifshits V. G., Saranin A. A. ve diğerleri Yüzey fiziğine giriş / Ed. V.I. Sergienko. - E.: Nauka, 2006. - 490 s.
Karnaukhov A.P. Adsorpsiyon. Dağınık ve gözenekli malzemelerin dokusu. - Novosibirsk: Bilim. 1999. - 470 s.
Kimyasal ansiklopedi. T. 1. - M.: Sovyet Ansiklopedisi, 1990. - 623 s.
Poltorak O.M. Fiziksel kimyada termodinamik. - M.: Yüksek Lisans, 1991. - 319 s.

Bağlantılar

// Brockhaus ve Efron Ansiklopedik Sözlüğü: 86 ciltte (82 cilt ve 4 ek). - St.Petersburg. , 1890-1907.
Sitede adsorpsiyon

adsorpsiyon- iki fazın arayüzündeki konsantrasyonu değiştirme süreci ve daha dar ve daha yaygın bir anlamda, bu, biri genellikle katı olan iki fazın arayüzündeki bir maddenin konsantrasyonundaki bir artıştır.

Halen fazın hacminde olan emilen maddeye adsorbat, emilen maddeye ise adsorbat denir. Daha dar bir anlamda, adsorpsiyon genellikle bir gaz veya sıvıdan katı bir madde - bir adsorban tarafından bir safsızlığın emilmesi olarak anlaşılır. Bu durumda, genel adsorpsiyon durumunda olduğu gibi, safsızlık, adsorban-sıvı veya adsorban-gaz arayüzünde yoğunlaşır. Adsorpsiyonun tersi olan, yani bir maddenin arayüzeyden fazın hacmine aktarılması işlemine desorpsiyon denir.

absorpsiyon- sorbatın tüm sorbent hacmi tarafından emilmesi. Absorpsiyon, absorpsiyonun özel bir durumudur.

Absorpsiyon, kural olarak, bir sıvının veya daha az yaygın olarak bir katının hacmindeki gazların absorpsiyonu anlamına gelir. Hidrojen gibi katı bir emicinin paladyum tarafından emilmesine oklüzyon denir. Gaz veya sıvı moleküllerin katı bir cismin yüzeyi tarafından emilme süreci için, Rusça'da adsorpsiyon terimi kullanılır.

Uygulamada, tek tek gazlar absorpsiyona tabi tutulmaz, ancak bileşenleri sıvı tarafından absorbe edilen gaz karışımları uygulanır. Karışımın bu bileşenlerine emilebilir bileşenler (absorbe) ve emilemeyen kısımlar - soy gaz denir.

Yüzey gerilimi, emici cismin yüzeyine atıfta bulunulan, yüzey tabakasındaki serbest enerjinin fazlalığıdır. Çözeltilerin yüzey gerilimi, çözücünün ve çözünenin doğasına, ikincisinin konsantrasyonuna ve sıcaklığa bağlıdır. T-const - yüzey gerilimi izoterminde çözünen konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak yüzey gerilimi.

1 ve 2 - yüzey aktif maddeler (yüzey aktif maddeler) 3 - yüzey aktif olmayan maddeler (PIAS). Yüzey tabakasındaki fark, G maddesinin (gama) yüzey fazlalığıdır.Yüzey aktif maddeler için G>0, PIAW G için<0.Поверхность твердых тел, как и жидкостей, обладает избыточной свободной энергией Гиббса. Твердые тела не могут (в отличие от жидкостей) самопроизвольно изменять площадь поверхности.Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбата, от давления газа, температуры.Зависимость адсорбируемого количества газа от давления адсорбата при постоянной температуре – изотерма адсорбции. С ростом давления увеличивается количество адсорбируемого вещества.Лэнгмюр при выводе уравнения изотермы сделал следующие допущения: 1. все adsorban siteleri aynıdır. 2. parçacıklar arasındaki etkileşim ihmal edilebilir. 3. Adsorpsiyon katmanı bir molekül katmanından oluşur, adsorpsiyon lokalizedir - adsorpsiyon kompleksinin adsorbanın yüzeyi boyunca hareketi yoktur Adsorbanın adsorbatla dolma derecesi: Adsorpsiyon hızı: adsorpsiyon hızı sabit Desorpsiyon hızı: desorpsiyon hızı sabit düşük ve yüksek basınç alanları, ancak ara alanda her zaman haklı değildir Adsorpsiyon işlemi ekzotermiktir: bir maddenin absorpsiyonu ısı salınımı, desorpsiyon - ısı absorpsiyonu ile devam eder.Birkaç gaz adsorbe edilirse : Homojen olmayan bir yüzeyde adsorpsiyon için ampirik Freundlich denklemi önerildi. k ve n, belirli bir sıcaklıkta belirli bir adsorban ve gaz için sabit olan katsayılardır. Freundlich denklemi, aksine, yüksek ve düşük basınçlar bölgesindeki izotermin özelliklerini yansıtmaz, ancak ara basınçlar bölgesi için deneysel verilerle tutarlıdır.

Ders #20

adsorpsiyon gazların, buharların ve sıvıların katı gözenekli cisimler tarafından emilmesini adsorban olarak adlandırır; Bir gaz veya sıvı içinde adsorbe edilen maddeye denir. adsorban ve adsorban faza geçişinden sonra, adsorbat. Uygulamada kullanılan adsorbanlar, katı malzemelerin özel muamelesi veya sentezi ile oluşturulan oldukça gelişmiş bir iç yüzeye (1000 m2/g'ye kadar) sahiptir.

Adsorpsiyon işleminin mekanizması absorpsiyon mekanizmasından farklıdır, çünkü bir maddenin ekstraksiyonu sıvı bir emiciden ziyade bir katı tarafından gerçekleştirilir.

Adsorpsiyon fiziksel ve kimyasal olmak üzere ikiye ayrılır. fiziksel adsorpsiyon esas olarak, adsorbe edilen moleküllerin boyutlarından çok daha büyük mesafelerde kendini gösteren yüzey van der Waals kuvvetleri nedeniyledir; bu nedenle, adsorbat moleküllerinin birkaç katmanı genellikle adsorbanın yüzeyinde tutulur. saat kimyasal adsorpsiyon emilen madde, yüzeyinde geleneksel kimyasal bileşiklerin oluşumu ile adsorban ile kimyasal etkileşime girer.

Yüzey atomlarının ve moleküllerinin kuvvet alanının komşu parçacıkların etkileşim kuvvetleri ile dengelenmemesi nedeniyle adsorban yüzeyinde çekici kuvvetler ortaya çıkar. Fiziksel yapıları gereği, emilen maddenin molekülleri ile adsorban arasındaki etkileşim kuvvetleri, yaklaşan moleküllerdeki elektronların hareketinden kaynaklanan esas olarak dağılır. Bir dizi adsorpsiyon durumunda, elektrostatik ve endüktif kuvvetler ile hidrojen bağları büyük önem taşır.

Adsorbanın yüzeyinin bir adsorbatla doldurulması, yüzey kuvvetlerini kısmen dengeler ve sonuç olarak yüzey gerilimini (serbest özgül yüzey enerjisi) azaltır. Bu nedenle, adsorpsiyon, sistemin serbest enerjisinde ve entropisinde bir azalmanın eşlik ettiği kendiliğinden bir süreçtir.

Adsorpsiyon süreçleri seçici ve geri dönüşümlüdür. Adsorpsiyonun ters işlemine denir. desorpsiyon, emilen maddeleri serbest bırakmak ve adsorbanı yeniden oluşturmak için kullanılır.

Düşük konsantrasyonda ekstrakte edilebilir maddeler içeren karışımların tedavisi için adsorpsiyonun kullanılması en mantıklı olanıdır. Bu durumda, adsorpsiyon aparatının süresi artar - soğurucu– desorpsiyona geçmeden önce uygun adsorpsiyon aşamasında.

Adsorpsiyonun tipik örnekleri, gazların ve sıvıların kurutulması, hidrokarbon karışımlarının ayrılması, solventlerin geri kazanılması, havalandırma emisyonlarının ve atık suyun arıtılması vb. Son zamanlarda özellikle çevre sorunlarının çözümü ve yüksek oranda saf madde elde etme sorunları ile bağlantılı olarak adsorpsiyonun önemi önemli ölçüde artmıştır.

8.1. Başlıca endüstriyel adsorbanlar ve özellikleri

Ana endüstriyel adsorbanlar, büyük hacimli mikro gözeneklere sahip gözenekli gövdelerdir. Adsorbanların özellikleri, yapıldıkları malzemenin doğasına ve gözenekli iç yapıya göre belirlenir.

Endüstriyel adsorbanlarda, emilen maddenin ana miktarı mikro gözeneklerin duvarlarında emilir ( r < 10–9 м). Роль переходных пор (10–9 < r < 10–7 м) и макропор (r> 10–7 m) esas olarak adsorbe edilen maddenin mikro gözeneklere taşınmasına indirgenir.

Adsorbanlar, özellikleri ile karakterize edilir. emilim, veya adsorpsiyon, kabiliyet Adsorbanın birim kütlesi veya hacmi başına maksimum olası adsorban konsantrasyonu ile belirlenir. Absorpsiyon kapasitesinin değeri, adsorbanın tipine, gözenekli yapısına, emilen maddenin doğasına, konsantrasyonuna, sıcaklığına ve gazlar ve buharlar için - kısmi basınçlarına bağlıdır. Adsorbanın belirli koşullar altında mümkün olan maksimum absorpsiyon kapasitesine geleneksel olarak denir. denge aktivitesi.

İle kimyasal bileşim tüm adsorbanlar ayrılabilir karbon ve karbon olmayan. Karbon adsorbanları, aktif(aktif) karbonlar, karbon fiber malzemeler ve bazı türleri katı yakıt. Karbon olmayan adsorbanlar silika jelleri, aktif alümina, alümina jelleri, zeolitler ve killi kayaları içerir.

Rastgele düzenlenmiş birçok grafit mikro kristalden oluşan aktif karbonlar, genellikle sıvıların ve gazların (buharların) saflaştırılması ve ayrılmasında organik maddeleri emmek için kullanılır. Bu adsorbanlar, uçucu maddeleri uzaklaştırmak için bir dizi karbon içeren maddenin (odun, kömür, hayvan kemikleri, meyve çekirdekleri vb.) kuru damıtılmasıyla elde edilir. Bundan sonra, kömür aktive edilir, örneğin 850-900 °C'lik bir sıcaklıkta kalsine edilir, bu da reçineli maddelerden gözeneklerin salınmasına ve yeni mikro gözeneklerin oluşmasına yol açar. Aktivasyon ayrıca organik çözücüler ile gözeneklerden reçinelerin çıkarılması, atmosferik oksijen ile oksidasyon vb. İle gerçekleştirilir. Aktive edildiklerinde daha düzgün bir kömür yapısı elde edilir. kimyasal yöntemler: sıcak tuz çözeltileri (örneğin sülfatlar, nitratlar vb.) veya mineral asitler (sülfürik, nitrik vb.) ile işleyerek.

Aktif karbonların özgül yüzey alanı çok yüksek olup 6×105–17×105 m2/kg, yığın yoğunlukları ise 200–900 kg/m3'tür. Aktif karbonlar, 1-7 mm boyutunda düzensiz şekilli parçacıklar, 2-3 mm çapında ve 4-6 mm yüksekliğinde silindirler ve parçacık boyutu 0,15 mm'den küçük toz şeklinde kullanılır. Son aktif karbon türü, çözeltileri ayırmak için kullanılır.

Aktif karbonların ana dezavantajları yanıcılıkları ve düşük mekanik mukavemetleridir.

Silika jel - susuz silisik asit jeli () - polar bileşikleri adsorbe etmek için kullanılır. Gazların ve sıvıların kurutulması işlemlerinde, gaz fazındaki organik maddelerin ayrıştırılmasında ve kromatografide kullanılır. Silika jel, bir sodyum silikat (çözünür cam) çözeltisinin sülfürik asit (bazen hidroklorik asit) veya asidik tuz çözeltileri ile işlenmesiyle elde edilir. Silika jel bu nem içeriğinde en yüksek adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğundan, elde edilen jel su ile yıkanır ve nihai nem içeriği %5-7 olana kadar kurutulur. Silika jelin özgül yüzeyi 4×105–7.7×105 m2/kg, yığın yoğunluğu 400–800 kg/m3'tür. Düzensiz şekilli parçacıkların boyutu oldukça geniş bir aralıkta değişir - 0,2 ila 7 mm.

Silika jellerin avantajları, yanmazlıklarını ve aktif karbonlardan daha yüksek mekanik mukavemetlerini içerir. Aktif karbonlara kıyasla silika jellerin dezavantajı, daha düşük spesifik yüzeylerine ek olarak, nem varlığında organik maddelerin buharlarına göre absorpsiyon kapasitesinde keskin bir azalmadır.

Sorpsiyon özellikleri açısından silika jel, alumojeller 600-1000 °C sıcaklıklarda alüminyum hidroksitin ısıl işlemiyle elde edilir. Elde edilen sorbentin gözenekleri (%92) 1-3 nm çapa, 2×105 –4×105 m2/kg özgül yüzey alanına sahiptir; böyle bir emici maddenin yığın yoğunluğu 1600'dür. Alumojeller, gazların kurutulmasında, sulu çözeltilerin ve mineral yağların saflaştırılmasında, katalizörler ve bunların taşıyıcıları olarak kullanılır.

Zeolitler, alkali ve toprak alkali metallerin oksitlerini içeren sulu alüminosilikatlar olan doğal veya sentetik minerallerdir. Bu adsorbanlar, boyutu emilen moleküllerin boyutuyla karşılaştırılabilir olan düzenli bir gözenek yapısı ile ayırt edilir. Zeolitlerin bir özelliği, adsorpsiyon yüzeylerinin, sadece daha küçük moleküllerin nüfuz edebileceği belirli bir çaptaki pencerelerle birbirine bağlanmasıdır. Bu, zeolit olarak adlandırılmasının nedeni olan farklı büyüklükteki moleküllerle karışımların ayrılmasının temelidir. moleküler elekler.

Gaz karışımlarının ayrılması için, zeolitler 1 ila 5 mm arasında değişen toplar veya granüller şeklinde ve sıvı karışımların ayrılması için - ince taneli bir toz şeklinde kullanılır.

Zeolitler özellikle gazların ve sıvıların derin kurutulmasında, benzer molekül ağırlıklarına sahip maddelerin karışımlarının saflaştırılmasında ve ayrılmasında ve ayrıca katalizörler ve bunların taşıyıcıları olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sıvıları çeşitli safsızlıklardan arındırmak için adsorban olarak doğal kil kayaları kullanılır. Aktivasyonları için, bu killer sülfürik veya hidroklorik asitlerle işlenir ve (1.0÷1.5)·105 m2 /kg düzeyinde belirli bir gözenek yüzeyi olan bir adsorban elde edilir. Ayrıca, sıvıları arıtmak için bazı turba türleri kullanılabilir.

Adsorbanların ayrıca statik ve dinamik aktivite ile karakterize edildiğini unutmayın. Altında statik aktivite Adsorpsiyonun başlangıcından dengenin kurulmasına kadar adsorbanın birim kütlesi veya hacmi tarafından absorbe edilen madde miktarını anlar. Bu tür aktivite statik koşullar altında belirlenir, yani. bir gaz karışımının veya çözeltinin hareketi olmadan. Karışım, adsorban tabakasından geçtiğinde, belirli bir süre sonra, adsorban, özütlenen bileşeni tamamen emmeyi bırakır ve bu bileşen, karışımdaki bileşenin konsantrasyonunda müteakip bir artışla "sızar" ve denge sağlanıncaya kadar tabakayı terk eder. ulaşıldı. Adsorbanın bir birim kütlesi veya hacmi tarafından kırılmadan önce emilen madde miktarına denir. dinamik aktivite adsorban. Dinamik aktivite her zaman statikten daha azdır, bu nedenle adsorban miktarı dinamik aktivitesi ile belirlenir.

Adsorpsiyonda denge

Adsorbanda absorbe edilen maddenin denge konsantrasyonu (kg/kg saf adsorban), konsantrasyonun bir fonksiyonu olarak gösterilebilir. İle birlikte ve sıcaklık T:

veya kısmi basıncın bir fonksiyonu olarak R ve sıcaklık T gaz adsorpsiyonu durumunda:

nerede İle birlikte yığın fazdaki adsorbat konsantrasyonu, kg/m3; R adsorbanın yığın fazındaki kısmi basıncıdır, Pa.

konsantrasyon arasında gaz karışımında adsorbe edilen madde ve kısmi basıncı R, Clapeyron denklemine göre doğru orantılılık vardır:

nerede R gaz sabitidir, J/(kg K).

Bağımlılık veya sabit sıcaklıkta denir adsorpsiyon izotermi.

Adsorpsiyon izotermleri, şekli esas olarak adsorbat ve adsorbanın doğası ve gözenekli yapısı tarafından belirlenen eğrilerle temsil edilir. Adsorpsiyon işlemlerinin analizi için tüm izoterm formlarından dışbükey ve içbükey ayırt edilmelidir (Şekil 8.1). İzotermlerin ilk bölümlerinin doğrusal olduğuna dikkat etmek önemlidir.

Denge bağımlılıkları bir dizi ampirik ve teorik denklemle tanımlanır. Adsorpsiyon proseslerinin dengesini açıklamak için en verimli olanı, potansiyel adsorpsiyon teorisinin gelişimi olan gözeneklerin hacim dolumu teorisiydi.

Adsorpsiyon potansiyeli altında ANCAK Bir mol adsorbat maddenin bir denge gaz fazından basınçla transferi sırasında adsorpsiyon kuvvetleri tarafından yapılan işi anlar. R adsorpsiyon filminin yüzeyinde, üzerindeki basıncın adsorbattaki doymuş buharın basıncına eşit olduğu varsayılır. PS inceleniyor T.

Pirinç. 8.1. Dışbükey ve içbükey adsorpsiyon izotermleri

Adsorpsiyon potansiyeli ilişki ile ifade edilir

(8.2)

Adsorpsiyon sırasında mikro gözeneklerin hacmi V n, hacmi denge adsorpsiyon değeri cinsinden hesaplanabilen bir adsorbat ile doldurulur:

(8.3)

nerede M adsorbat molekül ağırlığıdır; V adsorbat molar hacmidir.

Aynı adsorban üzerine adsorbe edilen farklı maddeler için, aynı değerlerdeki adsorpsiyon potansiyellerinin oranının V n sürekli ve eşit afinite katsayısı b, değeri el kitabında bulunan belirli ve standart bir maddenin sıvı haldeki molar hacimlerinin veya parakorlarının oranıdır.

Bir dizi mikro gözenekli adsorban için, çeşitli dolgulu adsorpsiyon hacim alanlarının dağılımı Gauss dağılımı biçimindedir:

(8.4)

nerede W 0, mikro gözeneklerin toplam hacmidir; E dağıtım fonksiyonunun parametresidir.

(8.2) ve (8.3) denklemlerini birlikte çözerek, afinite katsayısını dikkate alarak, homojen bir gözenekli yapıya sahip mikro gözenekli adsorbanlar (sentetik zeolitler) için adsorpsiyon izotermlerini tanımlayan bir denklem elde edildi:

Karmaşık mikro gözenekli yapılara sahip adsorbanlar için (mikro gözenekli silika jeller, aktif karbonlar)

(8.6)

adsorbanı karakterize eden sabitler nerede; T- sıcaklık.

Gözeneklerin hacim doldurma teorisine dayanan ilişkilerin yanı sıra, adsorpsiyon dengesini tanımlamak için bir dizi başka denklem kullanılır, bunların arasında en iyi bilineni Langmuir denklemidir.

Absorpsiyon, gazların veya buharların sıvı emiciler - adsorbanlar tarafından seçici olarak emilmesine dayanan bir ayırma işlemidir.

Fiziksel absorpsiyonda, absorbe edilen gaz (absorbe edici), absorbanla kimyasal olarak etkileşime girmez. Emici, emici ile kimyasal bir bileşik oluşturuyorsa, işleme kemisorpsiyon denir.

Fiziksel emilim tersine çevrilebilir. Absorpsiyon işlemlerinin bu özelliği, çözeltiden emilen gazın salınmasına dayanır - desorpsiyon.

Absorpsiyon ve desorpsiyon kombinasyonu, emicinin (emici) yeniden kullanılmasını ve emilen bileşenin saf haliyle izole edilmesini mümkün kılar.

Kimyasal teknoloji ve mühendislikte absorpsiyon işlemlerinin kullanımına örnekler, petrol rafinerilerinde hidrokarbon gazlarının ayrılması, hidroklorik asit, amonyak suyu üretimi ve atık gazların tutulması için egzoz gazlarının saflaştırılması olabilir. değerli ürünler veya gaz emisyonlarının nötralizasyonu vb.

adsorpsiyon

Adsorpsiyon - faz ayrımında dengelenmemiş moleküller arası etkileşim kuvvetleri nedeniyle iki fazın (katı faz - sıvı, yoğun faz - gaz) arayüzündeki bir çözünen konsantrasyonunda bir artış. Adsorpsiyon, adsorpsiyon - desorpsiyonun tersi olan özel bir sorpsiyon durumudur.

Temel konseptler

Halen fazın kütlesinde bulunan emilen maddeye adsorbat, emilen maddeye ise adsorbat denir. Daha dar bir anlamda, adsorpsiyon genellikle bir katı (gaz ve sıvı durumunda) veya sıvı (gaz durumunda) - bir adsorban tarafından bir gaz veya sıvıdan bir safsızlığın emilmesi olarak anlaşılır. Bu durumda, genel adsorpsiyon durumunda olduğu gibi, safsızlık, adsorban-sıvı veya adsorban-gaz arayüzünde yoğunlaşır. Adsorpsiyonun tersi olan, yani bir maddenin arayüzeyden fazın hacmine aktarılması işlemine desorpsiyon denir. Adsorpsiyon ve desorpsiyon oranları eşitse, adsorpsiyon dengesinin kurulmasından söz edilir. Bir denge durumunda, dış koşullar (basınç, sıcaklık ve sistemin bileşimi) değişmezse, adsorbe edilen moleküllerin sayısı keyfi olarak uzun bir süre sabit kalır.

fiziksel adsorpsiyon

Adsorpsiyona spesifik olmayan (yani maddenin doğasına bağlı olmayan) van der Waals kuvvetleri neden olur. Adsorban ve adsorbat arasındaki kimyasal etkileşimle karmaşıklaşan adsorpsiyon özel bir durumdur. Bu tür olaylara kimyasal adsorpsiyon ve kimyasal adsorpsiyon denir. Etkileşim kuvvetlerinin doğasının vurgulanmasının gerekli olduğu durumda "sıradan" adsorpsiyona fiziksel adsorpsiyon denir.

Adsorpsiyon, fazlar arasında bir ara yüzün olduğu her yerde ve her zaman meydana gelen evrensel ve her yerde bulunan bir olgudur. En büyük pratik önemi, yüzey aktif maddelerin adsorpsiyonu ve bir gaz veya sıvıdan safsızlıkların özel yüksek etkili adsorbanlar tarafından adsorpsiyonudur. Yüksek özgül yüzeye sahip çeşitli malzemeler adsorban olarak işlev görebilir: gözenekli karbon (en yaygın şekli aktif karbondur), silika jeller, zeolitler ve ayrıca diğer bazı doğal mineral ve sentetik madde grupları.

Adsorpsiyon (özellikle kemisorpsiyon) heterojen katalizde de önemlidir. Azot tesisleri sayfasında adsorpsiyon tesislerine bir örnek verilmiştir.

Adsorpsiyon tesisine adsorplayıcı denir.

kristalizasyon

Kristalizasyon - bir maddenin kristal formda elde edilmesi (oluşumu). Üç ana kristal oluşumu durumundan - süblimasyon sırasında, erimiş halden, çözeltilerden - sonuncusu en büyük öneme sahiptir. Genellikle kullanın:

1. Çözücünün yavaş buharlaşması.
2. Çözücü ile karışan ve içindeki kristalize maddenin çözünürlüğünü azaltan üçüncü bir madde ilave edilerek; bulanıklık görünene ve beklemeye bırakılana kadar çözeltiye (genellikle sıcak) bir çökeltici eklenir; örneğin, alkollü bir çözeltiye su, bir eter çözeltisine petrol eteri, fenole alkol vb. eklenir.
3. Doymuş sıcak çözeltinin soğutulması; madde, ısıtma ve karıştırma ile uygun bir çözücü içinde çözülür ve çözücü, çözünme için gerekenden sadece biraz daha fazla alınır ve sıcak olarak süzülür (tercihen bir ısıtma hunisinden); kristaller soğutma sırasında ayrılır.

Dinlenme ve yavaş soğutma, kristallerin büyümesini teşvik eder, ancak kristallerin boyutu aynı zamanda maddenin doğasına da bağlıdır. Oda t ° 'ye soğutulduğunda mümkün olandan daha fazla kristal elde etmek istiyorsanız, bir soğutma karışımı kullanın, ancak örneğin çözücü olarak düşük t ° 'de donmayan sıvıların kullanılması gerekir. karbon disülfür, alkol, eter, petrol eteri. Bir yağ şeklinde salınan bir maddenin K.'ye neden olması, içine bu maddenin bir kristalini ("enfekte eden") ve hatta bazen kimyasal olarak ona yakın bir maddeyi sokmak mümkündür. yapı. Damar duvarının bir cam çubukla ovuşturulması da kristalleşmeyi hızlandırır veya kristalleşmeye neden olur.Kristalizasyon, bir maddeyi saflaştırmak veya belirli bir miktarda "kristalizasyon" çözücüsü - su, alkol, kloroform vb. ile taze kristalize edilmesini sağlamak için kullanılır.

Bazı durumlarda, bir maddeyi kimyasal olarak bireysel bir biçimde izole etmek için, iyi kristalize edilmiş en basit türevlerinden K.'ye başvururlar: tuzlar, asetil, benzen ve diğer türevler. Örneğin, kayıtsız bir organik maddenin iyi kristalize edilmiş bir çift bileşiğinin oluşumu çok nadirdir. glikoz ve sodyum klorür bileşikleri: 2C6H1206 + MaCl + HgO. Proteinler gibi bazı maddeler tuzlanarak kristal formda elde edilebilir (bkz.). Bir K maddesini saflaştırırken (genellikle tekrar tekrar), kristalleşen bir maddenin uygun bir çözücü içinde eşit olmayan çözünürlük nedeniyle bir safsızlıktan ayrılabileceği varsayımından yola çıkarlar. Bazı durumlarda, sadece fraksiyonlanmış K ile saf bir madde elde etmek mümkündür. Kristalleşme ve karışık kristallerin oluşumu ile ayrılamayan karışımların olduğu durumlar vardır. - K. genellikle kristalleştiricilerde - ince duvarlı düşük camlarda - veya kaplarda gerçekleştirilir. - Elde edilen kristaller, bir Buchner hunisi üzerinde yıkanarak veya sırsız bir porselen tabak veya filtre kağıdı üzerine yayılarak ana sıvıyı emerek ana sıvıdan arındırılır ve, Gerekirse, süzme yaprakları arasına sıkıştırın. kağıt.

Ana likörü kalınlaştırarak veya ona bir çökeltici ilave ederek veya her ikisinin kombine hareketi ile kristallerin başka kısımları elde edilebilir. Bir çözücü seçerken, kristalize edilecek maddeleri kimyasal olarak etkilemediği ve K.'ye zararlı safsızlıklar içermediği ve K. durumunda, sıcak bir çözeltiyi soğutarak bir maddenin çözünürlüğünün, bir maddenin çözünürlüğünün olduğu akılda tutulmalıdır. Sıcak bir çözücüdeki çözünürlük, soğuk bir çözücüdeki çözünürlükten oldukça keskin bir şekilde farklıdır. En yaygın olarak kullanılan çözücüler su, etil, metil ve amil alkoller, eter, benzen, kloroform, aseton, asetik asit, petrol eteri, fenol, piridin, karbon disülfür, H2S04 ve diğerleridir.

Bir mikroskop için, madde bir cam slayt üzerinde kristalleştirilir, çünkü bir cam slayta dikkatli bir şekilde aktarılsa bile kristaller zarar görür. Test maddesinin konsantre bir çözeltisinden bir damla bir cam lam üzerine uygulanır, bir lamel ile kapatılır ve havada veya madde kolayca sıvılaşabiliyorsa bir desikatörde bırakılır ve oluşan kristaller mikroskop altında incelenir.