5.2 Сорбенты, применяемые в современных средствах защиты
5.2.1 Пористая структура сорбентов
Адсорбенты (поглотители), применяемые в сорбционной технике, в том числе и в средствах защиты, являются твердыми пористыми телами. К ним относятся активные угли, угли-катализаторы, силикагели, аллюмогели и цеолиты. Их адсорбционные свойства непосредственно связаны с пористой структурой. Она имеет определяющее значение для адсорбции.
Пористая структура образуется системой пор (каналов), которые представляют собой полости в твердом теле, как правило, соединенные между собой и имеющие различную форму и размеры. На основе различия механизмов адсорбционных и капиллярных явлений, протекающих в адсорбентах, М.М.Дубининым предложена классификация пор по их размерам.
Макропоры – наиболее крупные поры с эффективным радиусом rЭ > 200-2000 нм. Их удельная поверхность для различных сорбентов составляет от 0,5 до 2 м2/г. Макропоры при адсорбции играют роль крупных транспортных пор. Для оценки распределения объёма макропор по размерам и их общего объема обычно применяется метод вдавливания ртути. При высоком относительном давлении (концентрации) паров, заполнение макропор может протекать по механизму капиллярной конденсации.
Мезопоры – поры средних размеров с эффективным радиусом rЭ = 1,6 - 200 нм, что также, как и у макропор, много больше размеров адсорбируемых молекул. Удельная поверхность мезопор обычно составляет 50 - 90 м2/г, однако в отдельных образцах она может быть сильно развита и равна 300 - 400 м2/г.
На поверхности мезопор происходит мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция паров, т.е. образование последовательных статистических адсорбционных слоёв, завершающееся объемным заполнением этих пор по механизму капиллярной конденсации.
Микропоры – наиболее мелкая разновидность пор, которые по своим размерам соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул.
Микропоры углеродных адсорбентов имеют щелевидную форму с ограниченными боковыми размерами, Размеры микропор выражаются полушириной Х их щелевидной модели. К микропорам относятся собственно микропоры с Х < 0,6 - 0,7 нм и более крупные поры с 0,6 - 0,7 нм < Х < 1,5 - 1,6 нм, называемые супермикропорами. Собственно микропоры и супермикропоры являются основными адсорбирующими порами, их удельная поверхность может превышать 1000 м2/г. Характеристики пористой структуры сорбентов представлены в таблице 5.1.
Приведенное деление пор по размерам целесообразно положить в основу классификации самих адсорбентов (катализаторов). В этом случае предельными типами адсорбентов будут непористые, макропористые, мезопористые и микропористые. В практике средств защиты, как правило, используются адсорбенты смешанных структурных типов, содержащие две или даже все разновидности пор.
В углеродных адсорбентах, наиболее широко используемых в средствах защиты, развиты все разновидности пор. В общем случае адсорбция паров и газов углеродными адсорбентами происходит на 95 % в объеме микро- и супермикропор и на поверхности мезопор (около 5 %). При относительно высоком равновесном давлении (концентрации) адсорбция может идти и в объеме мезопор (в результате капиллярной конденсации пара). Адсорбция на поверхности макропор практического значения не имеет.
Таблица 5.1 – Характеристики пористой структуры сорбентов
Тип пор |
Размеры пор rЭ, нм |
Объём пор W, см3/г |
Удельная поверхность пор S, м2/г |
Предназначение |
Макропоры |
200 - 2000 |
0,2 - 0,3 |
0,5 - 2 |
Транспортные артерии, по которым адсорбтив поступает в мезо- и микропоры. |
Мезопоры (переходные поры) |
1,6 - 200 |
0,02 - 0,1 |
50 - 350 |
Размещение хемосорбционных и каталитических добавок. Капиллярная конденсация адсорбтива при большом давлении. |
Микропоры супермикропоры; собственно микропоры |
0,7 - 1,6 < 0,7 |
0,2 - 0,5 |
≈1000 |
Физическая адсорбция паров с объёмным заполнением микропор. |
При относительно небольшой концентрации паров (газов) вредных веществ в заражённом воздухе физическая адсорбция в углеродных сорбентах, в первую очередь, происходит преимущественно в микропорах по механизму их объёмного заполнения. После заполнения микропор адсорбция паров вредных веществ происходит на поверхности мезо- и макропор.
Характер изменения величины адсорбции при увеличении относительной концентрации от 0 до 1 представлен на рисунке 5.1.
1 – объёмное заполнение микропор; 2 – мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция
в мезо- и макропорах; 3 – капиллярная конденсация в мезопорах
Рисунок 5.1 – Зависимость адсорбируемости от относительной концентрации паров вредных веществ в заражённом воздухе