Реферат Выпускная квалификационная работа содержит с. 70, рис. 39, табл. 13, 60 источников. Получение углеродных адсорбентов из отходов растительного происхождения и изучение их сорбционных свойств
жүктеу/скачать 2,45 Mb.
|
Получение углеродных адсорбентов из отходов растительного происхождения и изучение их сорбционных свойств
| 1.1.2 Принципы процесса адсорбции
Адсорбция (а-я) - это процесс, происходящий на границе раздела фаз. Он затрагивает только поверхностные слои, взаимодействующих фаз, и не распространяется на глубинные слои этих фаз [10]. А-ей называют явление накопления одного вещества на поверхности другого. В общем случае, адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. А-я происходит на любых межфазовых поверхностях и адсорбироваться могут любые вещества. А-я понижается с понижением температуры. Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтивом, поглощённого - адсорбатом. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция - адсорбентом. А-я представляет собой обратимый процесс. Процесс, обратный а-ии, называется д-ей. Схема процесса а-и и д-и приведена на рисунке 1 [11]. Рисунок 1 - Схема процесса адсорбции и десорбции На основании сведений о структуре углеродных а-тов можно прийти к выводу о том, что их поверхность образована сочетанием плоскостей микро кристаллитов, параллельных гексагональным слоям ароматических углеродных колец, и плоскостей, образованных гранями этих слоев, связанных Ван-дер-Ваальсовыми силами. Именно на этих участках, сформированных из краевых углеродных атомов ароматических колец, возможно существование различных функциональных групп [12]. В настоящее время нет достаточно надежных данных по адсорбции из водных растворов, которые бы свидетельствовали о формировании полимолекулярных адсорбционных слоев. Также нельзя опираться на опыты по адсорбции красителей, так как даже в очень разбавленных растворах ионы красителей в значительной степени ассоциированы, причем степень их ассоциации является функцией не только концентрации, но и содержания в растворе сильных электролитов (ионов неорганических солей) и рН. По тем же причинам не могут быть использованы молекулы поверхностно активных веществ. При разработке теории а-ии растворенных веществ необходимо иметь ввиду, что при любом соотношении молекул растворенного вещества и растворителя вся поверхность а-та полностью покрыта адсорбированными молекулами. При адсорбции из растворов молекулы адсорбата находятся одновременно под влиянием адсорбционного поля поверхности адсорбента и молекул растворителя (силы взаимодействия с которыми противоположны силам а-и). В результате на границе раздела фаз (в адсорбционном слое) молекулы растворенного вещества приобретают определенную ориентацию. При поглощении молекул из раствора происходит физическая адсорбция, представленная на рисунке 2 [13]. Рисунок 2 - Принцип физической адсорбции Она обусловлена в основном Ван-дер-Ваальсовыми силами. В этом процессе адсорбированное соединение не подвергается химическому изменению. Принципиальное отличие а-и из растворов от а-и газов и паров прежде всего заключается в том, что такая а-я всегда имеет вытеснительный характер и осуществляется путем перераспределения компонентов раствора на границе раздела фаз, а не за счет постепенного повышения концентрации вещества у поверхности адсорбента. Физическая адсорбция органических веществ из водных растворов наиболее сильно проявляется при использовании в качестве адсорбентов углеродных материалов, поскольку энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия молекул воды с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного меньше энергии дисперсионного взаимодействия этих атомов с атомами углеродного скелета органических молекул. Энергия дисперсионного взаимодействия органических молекул с адсорбентом особенно высока в тех случаях, когда углеродные скелеты молекул а-та имеют плоскую структуру и характеризуются сопряженной системой π-связей, как это наблюдается, например, в ароматических соединениях [14]. Большое различие в энергиях взаимодействия молекул компонентов раствора с поверхностью углеродного адсорбента (у.а) приводит к сильно выраженной избирательной адсорбции органических веществ. Такая избирательность обусловливает технологическое применение адсорбции и является основой адсорбционных механизмов многих процессов. Сорбция - процесс самопроизвольный, протекающий с выделением некоторого количества теплоты [15]. В отличие от физической сорбции, носящей обратимый характер с сохранением индивидуальности сорбата и сорбента, хемосорбция - скорее химический процесс на границе раздела фаз. Этот процесс обычно необратимый и значительно более экзотермичный, чем физическая сорбция. Поэтому для многократного использования сорбента в промышленных условиях используют сорбенты, обладающие физической сорбцией. При всем этом сорбат располагается на поверхности сорбента в виде отдельных молекул, на все й поверхности мономолекулярного слоя. При высоких концентрациях сорбата при условии, что поры сорбата достаточно крупные, возможна полимолекулярная а-я, когда на поверхности с-а располагаются несколько слоев сорбата. А-я может проходить в статических и динамических условиях. А-я в статических условиях - это процесс, протекающий на сорбенте при добавлении к определенному количеству воды определенного количества с-та. При сорбции в статических условиях концентрация растворенного вещества снижается до равновесной. Динамической сорбцию - это процесс при котором поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой фазе, которая фильтруется через слой с-та. Динамическую активность сорбента характеризуют временем от начала пропускания сорбтива до его проскока, то есть, до появления его за слоем сорбента. Динамическая сорбция имеет определенные недостатки: она требует очень малой скорости пропускания и, следовательно, значительного времени. Поэтому для того чтобы определить кинетические и термодинамические характеристики нетрадиционных материалов пользуются статической сорбцией. Сорбция в растворах проходит значительно сложнее, чем в парогазовой смеси, в следствии того, что проходит взаимодействие с-та с сорбируемым веществом и с растворителем (водой); при этом также следует учитывать взаимодействие растворителя с сорбатом. Уравнением сорбции называют функциональную зависимость вида f(Г, С, Т)=0, (3) где Г - количество сорбированного вещества, рассчитанное на 1 м2 поверхности сорбента, моль/м2; С - остаточная концентрация сорбированного вещества, ммоль/дм3; Т - температура, ˚С. Если температура постоянная, то сорбированное количество вещества есть функция зависимости Г= f(С); Т=const. Теория молекулярной сорбции Ленгмюра, теория полимолекулярной абсорбции и общая теория Брунауэра, Эммета и Теллера позволяют получить представление о таком сложном процессе, как сорбция. Основные сведения о сорбционных свойствах материала и характере сорбции могут быть получены из изотерм сорбции, характеризующих зависимость сорбционных свойств (Г) от концентрации (С) сорбируемого компонента при постоянной температуре: Г=f(С). Брунауэр, Эммет и Теллер выделили пять основных типов изотерм сорбции, представленные на рисунке 3 [16]. Рисунок 3 - Типы изотерм сорбции по БЭТ Выпуклые участки изотерм I, II и IV типов (Лэнгмюровская сорбция) указывают на наличие в сорбентах микропор, но, кроме того, сорбенты II и IV имеют еще и макропоры. Чем круче изотерма, тем мельче микропоры. Предельное значение такой сорбции Гпр соответствует покрытию поверхности мономолекулярным слоем. Вогнутые участки указывают на наличие макропор. Изотермы III и V типов встречаются реже и описывают сильное межмолекулярное взаимодействие в веществе сорбата. Крутизна изотермы I типа характеризует размер микропор сорбентов: а - ультрамикропористых, б - микропористых. Изотерма IVб принадлежит переходно-пористому сорбенту; IVв - однородно макропористому, а IVа - со смешанной структурой. Уравнение Фрейндлиха пригодно только для интервала средних концентраций. Константа К уравнения зависит от природы с-та и сорбата, колеблется в широких пределах и представляет собой сорбции при равновесной концентрации сорбата 1 моль/л. Показатель 1/n является правильной дробью и характеризует степень приближения изотермы к прямой и интенсивность сорбции . При изучении сорбции из растворов этот показатель принимается постоянным, зависит от температуры и природы сорбата и колеблется в пределах 0,1-1. Изотермы Фрейндлиха не имеют простого теоретического обоснования и не дают ни начальной линейной зависимости сорбции от концентрации, ни конечного значения постоянной предельной сорбции, в отличие от уравнения Ленгмюра [17]. Особенности моделей Ленгмюра и Фрейндлиха объединены в эмпирические уравнения Редлиха - Петерсона, Ленгмюра-Фрейндлиха. В случае, когда значение показателя степени (фактора гетерогенности) близко к 1, данные уравнения переходят в уравнение Ленгмюра. Уравнение Редлиха-Петерсона и Ленгмюра-Фрейндлиха же переходят в уравнение Фрейндлиха в том случае, когда выполняются неравенства ГR·Cγ>>1 (при высоких значениях концентраций) и ГLF·C1/p<<1 (при низких значениях концентрации) соответственно. Модели Ленгмюра-Френдлиха и Редлиха-Петерсона, так же как и модель Тота, применяют для описания с-ии на энергетических неоднородных поверхностях. жүктеу/скачать 2,45 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|