Неорганические адсорбенты: основные характеристики, активация, практическое применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казахский Национальный университет имени аль-Фараби

Неорганические адсорбенты: основные характеристики, активация, практическое применение

Выполнил: Жумабаев Д.

Проверила: Омарова К.И.

Адсорбенты -- высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой удельной поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей. Наиболее важные адсорбенты:

Одна из важнейших характеристик адсорбентов - пористость. Объемной пористостью щ называют отношение суммарного объема пор к общему объему дисперсной системы. Необходимо подчеркнуть, что понятие пористости, широко используемое для характеристики и классификации адсорбентов, имеет различный смысл в зависимости от применения его к отдельным частицам (зернам) адсорбента или же к образованной этими частицами структуре. Так, непористые (сплошные) частицы даже при плотнейшей их упаковке, образуют пористую структуру - порошковую мембрану, - поры которой являются промежутками между зернами. В зависимости от размера частиц эти структуры могут быть макро- или микропористыми.

Другой тип - пористые адсорбенты- представляют собой либо структуры, состоящие из зерен с внутренней пористостью, либо пространственные сетки, пронизанные сплошными тонкими порами. Для пористых зерен характерно существование структуры двух порядков: макро- (поры между зернами) и микро-структуры (поры внутри зерен). Эти представления (и кажущиеся противоречия) отражены в классификации адсорбентов (табл. Х. 1).

К грубодисперсным системам, состоящим из непористых частиц, относятся микрокристаллические зерна окислов и солей (например, TiO2, BaSO4), а также порошковые системы (мембраны, таблетки), полученные из этих зерен путем прессования или плотной набивки в трубки, колонки и пр.

Важнейшие представители высокодисперсных систем с непористыми частицами - обычная сажа, графитированная сажа, частично перешедшая в графит в результате термической обработки, белая сажа, представляющая собой высокодисперсный SiO2, получаемая путем гидролиза SiCl4 или SiF4 в атмосфере водяного пара. Гидролиз в особых условиях приводит к образованию дыма, состоящего из сферических частиц размером приблизительно 10 нм. Этот дым, оседая, образует тончайший порошок, так называемый аэросил. Такие порошки широко применяются в качестве адсорбентов, катализаторов, а также наполнителей в полимерных материалах.

Пористые адсорбенты различаются структурой. Корпускулярные структуры образуются путем сращивания частиц. Типичным представителем является силикагель, по составу представляющий собой также SiO2, но получаемый в иных условиях. При взаимодействии силиката натрия или калия (жидкого стекла) с кислотой в водном растворе образуется студень поликремниевой кислоты. Из этого студня после удаления воды получаеют пористые зерна сухого силикагеля. Подобным же путем (нейтрализация) получают пористый алюмогель Al2O3.

Весьма интересными адсорбентами губчатого типа являются пористые стекла, а также представляющие собой почти чистый кремнезем. Их получают путем удаления щелочных и щелочноземельных компонентов (выщелачивания) из стекол специального состава в водных растворах. Эти стекла, являющиеся пористой сеткой - Si - O - связей, приобретают все большее практическое значение.

Кристаллические пористые адсорбенты характеризуются наличием дальнего порядка в решетке. Типичные представители их - цеолиты - природные алюмосиликатные материалы. В настоящее время их получаеют в промышленном масштабе синтетическим путем. Структурными элементами цеолитов различных классов являются тетраэдры (SiO4/2) (Al2O4/2), образующие правильные структуры второго порядка (обычно из 24 первичных единиц) с трубчатыми полостями, строго определенного для каждого класса диаметра в интервале 0,4 - 1,6 нм. В эти длинные полости проникают адсорбирующиеся молекулы, если соотношение размеров молекул и полостей не создает стерических препятствий. Таким образом, цеолиты могут применяться в качестве молекулярных сит, сорбирующих лишь определенные компоненты из газовой смеси.

Важнейшей количественной характеристикой адсорбента является величина определяющая, в основном, сорбционную его способность.

Для пористого адсорбента (образца пористого стекла) в табл. Х. 2 сопоставлены значения , полученные различными методами из одной изотермы. И здесь наблюдается хорошее, поистине удивительное, согласие четырех, совершенно независимых методов измерения .

Более строгий критерий правильности теории адсорбции - постоянство отношений для двух адсорбентов; они рассчитаны из экспериментальных изотерм, полученных для различных адсорбатов разными авторами. В табл. Х. 3 представлены данные для нескольких пар адсорбентов, вычисленные пятью независимыми методами.

Данные показывают, что отношения / найденные из изотерм различных адсорбатов и рассчитанные различным способом, весьма близки между собой. Таким образом, можно считать что современные теории правильно и в основном количественно описывают процессы адсорбции, позволяя получать достоверные данные о количестве вещества, адсорбирующегося при данных значениях Р и Т, а таке об удельной поверхности .

На практике большое значение имеет динамическая адсорбция, когда адсорбирующийся газ или смесь его с воздухом пропускают через слой адсорбента. Такие условия имеют место при работе установок, на которых проводится рекуперация паров растворителей из смеси с воздухом, при работе противогаза и т.д.

Динамическая активность адсорбента существенно отличается от его статической активности. Статическая адсорбационная активность при данной температуре и концентрации газа определяется количеством адсорбтива, поглощенного единицей массы адсорбента при установлении равновесия. Динамическая активность адсорбента характеризуется длительностью пропускания газа или его смеси с воздухом через слой адсорбента до момента обнаружения первых следов газа за слоем адсорбента. Эта величина зависит как от статической активности адсорбента, так и от другх факторов, а именно от соотношения между толщиной и площадью слоя адсорбента, диаметра зерен адсорбента, концентрации газа и скорости его протекания. Поэтому динамическую адсорбцию можно характеризовать только временем, протекающим до проскока газа через слой адсорбента при данных условиях процесса, и нельзя характеризовать количеством газа, адсорбированным единицей массы или объема адсорбента.

Заключение

В заключение следует сказать несколько слов о представлениях, развиваемых Дубинным и его учениками. Согласно этим представлениям, понятие удельной поверхности с ростом дисперсности «вырождается» и не применимо к высокодисперсным адсорбентам, напимер, углям, где половина атомов С свободно контактирует с адсорбатом. Понятие границы раздела фаз (без которого не имеет смысла ) исчезает в таких системах, и их с большим основанием можно трактовать как гомогенные. В этом случае адсорбент можно рассматривать как один из компонентов, изменяющих, в процессе адсорбационного взаимодействия, свой химический потенциал .

Эта концепция вырождения поверхности хорошо согласуется с возможностью гомогенной трактовки дисперсных систем, рассмотренной при обсуждении правила фаз.

Действительно, термодинамическое описание поверхностного слоя для системы конденсированная фаза (адсорбент - адсорбат) - пар приводит к уравнению

Где индекс а относится к адсорбенту; 1 - к адсорбату; Ф - экспериментально определяаемая величина:

Для инертных адсорбентов

из (Х.47) следует: , т.е. уравнение Гиббса. Для (микро) пористых активных адсорбентов s=0; и , т.е. уравнение Гиббса - Дюгема для гомогенной системы, где адсорбент фигурирует в качестве одного из компонентов.

В соответствии с этим Дубинин вводит следующую классификацию адсорбентов по пористости:

Микропоры - r < 0.6 - 0.7 нм - для котоых характерно объемное заполнение адсорбционного пространства, охватывающего перекрытие силовых полей; адсорбент адсорбция поверхностный слой конденсирование

Супермикропоры - 0.6 - 0.7 нм < r < 1,5 - 1,6 нм - переходная область;

Мезопоры - 1,5 - 1,6 < r < 100 - 200 нм - образование последовательных адсорбационных слоев на поверхности, завершающееся заполнением пор посредством капиллярной конденсации;

Макропоры - r > 100 - 200 нм не могут быть заполнены по механизму капиллярной конденсации.

Литература

1. С. С. Воюцкий, Курс коллоидной химии. Москва, издательство «Химия», 1975г., стр. 109-113.

2. Д.А.Фридрихсберг «Курс коллоидной химии». Л.:Химия, 1984г., стр. 157-162.

Приложение

Размещено на Allbest.ru