5.2 Адсорбция на границах раздела фаз в промывочных жидкостях

Независимо от состава поверхностных слоев адсорбционные процессы характеризуются следующими общими свойствами.

1. Процессы адсорбции обратимы и носят избирательный ха­рактер. Частицы, находящиеся в адсорбционных слоях, не закреплены жестко, они могут выходить за пределы действия межмоле­кулярных сил, т. е. отрываться от адсорбента и уходить в окружающее пространство - десорбироваться. Со временем среднее число частиц, покинувших поверхностный слой, становится равным чис­лу адсорбируемых частиц за тот же период времени и в системе устанавливается адсорбционное равновесие.

2. Процесс адсорбции экзотермичен, т.е. протекает с выделением тепла. В соответствии с принципом смещения равновесий (принцип Ле-Шателье), если на систему, находящуюся в установившемся динамическом равновесии, воздействуют извне, изменяя одно из условий, определяющих положение равновесия, то в систе­ме усиливается тот процесс, течение которого ослабляет влияние произведенного воздействия. При этом положение равновесия сме­стится. Так, если процесс происходит с выделением тепла, повысить температуру системы можно, только подведя тепло извне. Такое воздействие вызовет увеличение колебания частиц, которое сопровождается поглощением тепла, т. е. десорбцию. Десорбция ослабит влияние оказанного воздействия. Таким образом, адсорбцию выгодно осуществлять при низких температурах.

3. Абсорбция характеризуется малой энергией активации, т.е. малым энергетическим барьером, а следовательно, большой ско­ростью ее протекания. Поэтому адсорбция имеет много общего с обратными экзотермическими химическими реакциями и отлича­ется от них и от хемосорбции меньшим тепловым эффектом.

5.2.1.Адсорбция газов и паров на твердой поверхности

В химии и технологии буровых промывочных жидкостей поверх­ности раздела твердое тело - газ встречаются редко. Учитывать адсорбционные процессы на таких поверхностях необходимо при работе с порошкообразными материалами, при использовании воз­духа и газов для очистки скважин от выбуренной породы.

Однако рассмотрение адсорбции газов на твердых поверхностях важно для понимания поверхностных явлений.

Уравнение адсорбции для этого случая получено Ленгмюром, исходившим из следующих положений:

адсорбция вызывается валентными силами;

адсорбция происходит не по всей поверхности адсорбента, а лишь на его активных центрах (углублениях и выступах);

адсорбционные силы обладают малым радиусом действия, вследствие чего каждый активный центр адсорбирует лишь одну молекулу адсорбтива и на адсорбенте образуется мономолекуляр­ный слой адсорбтива;

адсорбированные молекулы связаны с поверхностью адсорбента не прочно, а непрерывно меняются местами с молекулами в газо­вой среде (в системе устанавливается равновесие).

Ленгмюр принял число активных мест на поверхности равным 1, а долю активных мест, связанных с адсорбированными молеку­лами х (рис. 5.2).

Рис 5.2 Схема мономолекулярной адсорбции на поверхности твердой фазы

Тогда свободная часть активных мест на по­верхности составит 1-х. Учитывая, что при х = 0, Г = 0, а и х=1, Г=Г_∞, он находит х = Г / Г_∞.

где Г_∞ - количество вещества, адсорбированное единицей поверхности при полном насыщении.

При Т=const на поверхности адсорбента устанавливается подвижное равновесие, при котором скорость адсорбции равна скорости десорбции. Скорость адсорбции v_а пропорциональна числу возможных соударений молекул со свободной поверхностью, т.е. концентрации С и свободной доле поверхности 1- х. Тогда v_а = К_аС (1-х), где К_а - константа адсорбции.