3.1.1.Физические основы адсорбции, основные понятия и определения. Основные виды промышленных адсорбентов и их характеристика

П од адсорбцией понимают процесс поглощения компонента из паровой, газовой или жидкой фазы твердым поглотителем – адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в объеме паровой, жидкой или газовой фазе называется адсорбтивом, а поглощенное – адсорбатом. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул распределяемого компонента и адсорбента под действием сил Ван-дер-Вальса и не сопровождается химическим взаимодействием компонента с поглотителем. При химической адсорбции или хемосорбции между молекулами распределяемого компонента и поверхностными молекулами поглотителя возникает химическая связь. Процесс обратный абсорбции называется десорбцией.

Все промышленные адсорбенты отличаются своей внутренней структурой, включающей поры различного размера. При этом решающее значение на адсорбционную способность поглотителя оказывает содержание микропор в единице объема или массы адсорбента.

В зависимости от размера пор адсорбенты подразделяются на:

• микропористы;

• с переходными порами;

• макоропористыми.

Микоропоры – наиболее мелкие поры, имеющие размеры, соизмеримые с адсорбируемыми молекулами. Радиусы таких пор находятся в пределах 510 А^. Характерной чертой адсорбции в микропорах является то, что все п ространство пор находится в поле действия сил адсорбции (сил Ван-дер-Вальса) и механизм адсорбции в таких порах сводится к их заполнению адсорбируемыми молекулами. Основной характеристикой микропор является их объем в единице объема или массы абсорбента. К микоропористым адсорбентам относят цеолиты, активированные угли.

Переходные поры адсорбентов имеют эффективные радиусы пор много больше размеров адсорбируемых молекул, от 121000(2000) А^. Стенки таких, уже относительно крупных пор, образованы большим числом атомов и молекул поглотителя и в этом случае вводят понятие удельной поверхности пор адсорбента – поверхность всех пор, отнесенная к единице массы адсорбента.

Д ля переходных пор характерно, что действие адсорбционных сил проявляется не во всем объеме пор, а практически только на небольшом расстоянии от стенок. Поэтому поглощение вещества в таких порах происходит по механизму мономолекулярной или полимолекулярной адсорбции – т.е. происходит образование одного или нескольких слоев адсорбируемого вещества на внутренней поверхности поры. Завершается заполнение таких пор по механизму капельной конденсации (в результате смачивания поверхности образовавшихся слоев поглощенного вещества). Основными параметрами таких пор являются удельная поверхность, функция распределения объема пор по их размерам.

Переходные поры в адсорбентах играют роль транспортных артерий, по которым осуществляется подвод вещества к микропорам. Такими адсорбентами являются силикогели, алюмосиликаты.

Макропоры – самые крупные поры адсорбента, имеют эффективные радиусы пор больше 10002000 А^. Удельная поверхность таких пор мала. Поэтому макропоры играют роль крупных транспортных артерий в зернах адсорбента.

К основным типам промышленных адсорбентов относят активированные угли, силикагели, цеолиты.

Активированные угли – микропористые углеродные адсорбенты. Их получают из углеродного сырья (торфа, древесных опилок, отходов бумажного производства) путем термической обработки без доступа воздуха с последующей парогазовой или химической активацией. Активированные угли обладают микропористой структурой и используются в химической технологии и биотехнологии. По форме и размеру частиц угли делятся на гранулированные с диаметром частиц 25 мм и порошкообразные. По назначению: на газовые, рекуперативные и осветляющие.

Газовые предназначены для улавливания плохо сорбируемых компонентов из газовых фаз в небольших концентрациях; рекуперативные – для поглощения хорошо сорбирующихся паров, находящихся в газовых фазах в больших концентрациях; осветляющие используются для адсорбции веществ из жидких сред.

Силикагели – минеральные адсорбенты предназначенные главным образом для осушки газов. По своей химической природе представляют собой гидратированный кремнезем SiO₂nH₂O. По форме зерна силикагели делятся на кусковой и гранулированный, по дисперсности – на мелкопористый, среднепористый, крупнопористый.

В зависимости от аппаратурного оформления процесса рекомендуют следующий гранулометрический состав силикагеля:

- (0,10,25 мм) для процессов с кипящим слоем адсорбента;

- (0,52 мм) для жидкофазных процессов;

-(27 мм) для процессов в газовой фазе со стационарным слоем адсорбента.

Основными преимуществами силикагелей являются низкая температура регенерации (110200) ⁰С; высокая механическая прочность.

Цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе окислы щелочных и щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются строго регулярной структурой пор, которые в обычном состоянии заполнены водой. Перед использованием цеолиты предварительно нагревают для выкипания воды. Особенностью цеолитов является также то, что они обладают молекулярно-ситовым действием, т.е. не все вещества могут проникать в адсорбционные полости цеолитов и поглощаться в них. Это объясняется те, что адсорбционные полости соединяются друг с другом окнами строго определенного размера. Проникать через них могут только те молекулы, диаметр которых меньше диаметра входного окна. Используются цеолиты для осушки газов.

Основной характеристикой адсорбентов является их активность, которая определяется количеством вещества, поглощаемого единицей массы адсорбента (кг вещества/ кг адсорбента). Различают статическую и динамическую активность.

Статическая активность характеризуется максимальным количеством вещества, адсорбированного единицей массы адсорбента к моменту достижения равновесия или насыщения адсорбента при данном давлении, температуре и концентрации адсорбируемого вещества.

Динамическая активность характеризуется максимальным количеством вещества, адсорбируемого единицей массы адсорбента за время от начала адсорбции до “момента проскока” (для определенной высоты слоя адсорбента). Динамическая активность всегда меньше статической.

Процессы адсорбции проводят в замкнутом цикле, важной частью которого является процесс десорбции, осуществляемый с целью регенерации адсорбента.

Десорбция проводится следующими методами: 1)вытеснение из адсорбента поглощенных веществ агентом, обладающим более высокой поглотительной способностью; 2)испарением поглощенных веществ путем нагревания адсорбента; 3)окислительная регенерация адсорбента путем выжигания образующихся смолообразных компонентов.

В качестве десорбирующих агентов используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических веществ, инертные газы. После проведения процесса десорбции слой адсорбента подвергают сушке и охлаждению.