Адсорбционная емкость адсорбентов

Любые твердые вещества обладают поверхностью и, следовательно, потенциально являются адсорбентами. Однако для адсорбционной очистки газов в промышленности применяют адсорбенты, которые удовлетворяют следующим требованиям: большой динамической емкостью, большой удельной поверхностью, избирательностью адсорбции, термической и механической устойчивостью, способностью к регенерации, простотой изготовления, дешевизной.

Адсорбционная емкость является главным показателем адсорбентов. От их емкости зависят размеры адсорбционной аппаратуры и эффективность очистки газов. Различают статическую и динамическую емкость адсорбентов.

Статическая емкость соответствует равновесному состоянию системы. Она показывает, какое количество вещества способен адсорбировать адсорбент в условиях равновесия, т.е. когда концентрация адсорбтива на входе и на выходе становится одинаковой.

Динамическая емкость адсорбента соответствует поглощению вещества слоем адсорбента от начала адсорбции до начала «проскока» адсорбтива, т.е. когда в выходящем из слоя адсорбента газе-носителе появляются следы адсорбтива.

Адсорбционная емкость адсорбента зависит от его природы. Она возрастает с увеличением поверхности, пористости, снижением размеров пор адсорбентов, а также с повышением концентрации абсорбтива в газе-носителе и давления в системе. С увеличением температуры и влажности адсорбционная емкость адсорбентов снижается. Поэтому перед использованием их подвергают прокалке (просушке) (часто в вакууме), а процесс десорбции ведут при почти таких же температурах и давлениях. Важно, чтобы адсорбент после длительной работы не терял свою емкость и мог адсорбировать такое же количество вещества, как и в начале процесса. Хорошие адсорбенты выдерживают несколько сотен и тысяч циклов адсорбция –десорбция без существенной потери емкости.

Поверхность адсорбентов формируется за счет формы каркаса, из которого построено пористое тело. Различают внешнюю и внутреннюю поверхность. Внешняя поверхность зависит от количества макропор. Она невелика и составляет 0,5-2 м²/г, т.е. 0,2-0,5 % от общей поверхности адсорбента. Внутренняя поверхность образуется за счет стенок микропор и средних пор и в зависимости от их объема и размеров может достигать 500-1000 м²/г.

Объем и размеры пор. Поры адсорбентов образуются за счет пустот между частицами, из которых состоят пористые тела. Объем, форма и размеры пор зависят от размеров, взаимного расположения и плотности упаковки частиц, из которых построен каркас пористого тела. Эти частицы могут иметь форму шара, эллипса, конуса, цилиндра, волокон и т.д. Поры в твердых телах подразделены на: макропоры с радиусом более 1000...2000 А° (1 А° = 10^-9 м), переходные (мезопоры) с радиусом от 15 до 1000 А° и микропоры с радиусом до 15 А°. Макропоры с размерами пор более 1000...2000 А° оказывают небольшое влияние на статику адсорбции, но являются транспортными каналами для подвода адсорбируемых молекул к мезопорам и микропорам. В макропорах и мезопорах наблюдается послойный механизм адсорбции, в то время как в микропорах, размер которых соизмерим с размерами адсорбируемых молекул, адсорбция носит характер объемного заполнения. Поэтому для микропористых адсорбентов объем пор, а не поверхность адсорбента, имеет решающее значение в адсорбционных процессах.

Адсорбент с крупными порами лучше адсорбирует вещества с большими размерами молекул и при больших давлениях. Среднепористый адсорбент эффективнее адсорбирует при средних давлениях, а мелкопористый - при низких давлениях. Энергия адсорбции в микропорах значительно выше, чем в макропорах и переходных порах. Это объясняется тем, что адсорбированные молекулы, размер которых соизмерим с размером пор адсорбента, взаимодействуют с обеими стенками поры, выделяя при этом больше тепла, чем при адсорбции молекул одной стороной стенки. Удельный объем микропор в адсорбентах достигает 0,2—0,6 см³/г, а удельная поверхность — до 500 м²/г и более. В связи с этим микропоры играют основную роль при разделении газовых смесей, особенно при очистке газов от малых концентраций примесей.

Суммарную пористость твердого тела можно определить по его плотности. Различают истинную (р_ист), кажущуюся (р_каж) и насыпную (р_нас) плотности пористых тел.

Истинная плотность - это масса единицы объема плотноупакованного тела (не содержащего пор); кажущаяся плотность - это масса единицы объема пористого тела, включая объем плотного вещества, объем пор, но без учета объема пустот между зернами; насыпная плотность - это масса единицы объема пористого тела, включая объем плотного вещества, объем пор и объем пустот между зернами. Суммарный объем пор, см³/г:

где ρ_каж – кажущаяся плотность, ρ_ист – истинная плотность.

Суммарный объем пор:

V_Σ = V_мик + V_мез + V_мак,

где V_мик – объем микропор; V_мез ­– объем мезопор; V_мак – объем макропор.

Значения плотности некоторых адсорбентов приведены в таблице 14.1.

Таблица 14.1.

Плотности некоторых адсорбентов, кг/м³

Адсорбент	Истинная	Кажущаяся	Насыпная
Активные угли	1750-2100	500-1000	200-600
Мелкопористый силикагель	2100-2300	1300-1400	800-850
Крупнопористый силикагель	2100-2300	750-850	500-600
Цеолиты	2100-2400	1200-1400	600-800

Избирательность адсорбентов - это способность адсорбировать из газовых смесей индивидуальные вещества с определенными физико-химическими свойствами. Избирательность адсорбентов значительно зависит от их структурных свойств, так как именно от размера пор зависит их способность адсорбировать молекулы различной величины. Если средний радиус пор меньше радиуса адсорбируемых молекул, то такие поры не способны адсорбировать молекулы данного размера. Если же радиус пор значительно больше радиуса адсорбируемых молекул, то такие поры могут лишь частично адсорбировать такие молекулы. Эффективная адсорбция может быть лишь в том случае, когда средний радиус пор имеет тот же порядок, что и адсорбируемые молекулы.

Дата добавления: 2014-01-20