2. Адсорбційні рівноваги

1. Програма теоретичного курсу

Адсорбція - це самочинний нерівноважний процес перерозподілу компонентів системи між поверхневим шаром та об’ємною фазою. При цьому відбувається концентрування (накопичення) газу чи розчиненої речовини на межі поділу фаз. Речовина, що перерозподіляється, називається адсорбатом, а рідина чи тверде тіло, на поверхні яких відбувається перерозподіл - адсорбентом.

Внаслідок теплового руху одночасно з адсорбцією відбувається зворотній процес - десорбція.

Кількісно адсорбція може бути виражена:

1. Адсорбція «А» - це кількість адсорбату віднесеного до одиниці маси адсорбенту, [моль/кг], або до одиниці площі поверхні адсорбенту [моль/м²].

2.Адсорбція за Гіббсом «Г», - це різниця між кількістю молів адсорбату в поверхневому шарі (n_S) та кількістю його молів в шарі об’єму розчину такої ж товщини (n_V), віднесена до одиниці площі міжфазної поверхні [моль/м²].

Г = (n_S – n_V)/S ( 2.0)

Якщо концентрація адсорбату в поверхневому шарі більша за об’ємну, адсорбцію Г вважають додатною, а якщо навпаки - від’ємною.

Залежності величини адсорбції від рівноважного тиску (або концентрації) адсорбату при сталій температурі: a=f(p) та a=f(c) називають ізотермами адсорбції.

Рушійною силою адсорбції є вирівнювання хімічних потенціалів компонентів в об’ємі та у поверхневому шарі.

Розрізняють фізичну, або Ван-дер-ваальсову, адсорбцію та хімічну, або хемосорбцію.

В залежності від природи адсорбату і адсорбенту адсорбцію можна класифікувати наступним чином:

• адсорбцію газів на твердій поверхні;

• адсорбцію розчиненої речовини на межі розчин – тверде тіло;

• адсорбцію розчиненої речовини на межі розчин – газ.

1. Адсорбція газів на однорідній твердій поверхні

Адсорбція в мономолекулярному шарі при невеликих значеннях тиску або концентрації описується рівнянням ізотерми адсорбції Генрі:

А=К_Гс, або А=К_Гр ( 2.0)

Адсорбція в мономолекулярному шарі при довільних значеннях тиску або концентрації описується рівнянням ізотерми адсорбції теорії Ленгмюра:

або ( 2.0)

Для розрахунку параметрів рівняння Ленгмюра його зручно використовувати в лінійній формі:

( 2.0)

В координатах 1/А=f(1/с) це - рівняння прямої лінії, яка відтинає на осі ординат відрізок рівний 1/А_∞ з тангенсом кута нахилу

( 2.0)

За значенням А_∞ можна розрахувати питому поверхню адсорбенту:

S_пит = A_∞N_АS_о, де ( 2.0),

де S_о – площа, яку займає одна молекула в поверхневому шарі.

Адсорбцію в мономолекулярному можна також описати емпіричним рівнянням адсорбції Фрейндліха

A = K_Fс^1/n , або A = K_Fр^1/n ( 2.0)

В лінійній формі рівняння Фрейндліха має вигляд:

ln A = ln K_F +1/n∙lnс ( 2.0)

В координатах ln А = f(ln с) рівняння Фрейндліха є рівнянням прямої лінії, яка відтинає на осі ординат відрізок рівний ln K_F з тангенсом кута нахилу 1/n.

Адсорбція на однорідній поверхні в полімолекулярному шарі описується рівнянням ізотерми адсорбції БЕТ.

( 2.0)

Лінійна форма рівняння БЕТ

( 2.0)

дозволяє графічним методом визначити його константи А_∞ і С.

…………………( 2.0)

Рис. 3. Ізотерма адсорбції БЕТ в лінійних координатах.