Основные характеристики адсорбентов

1. Удельная поверхность - S_уд – это общая поверхность (поверхность всех пор) единицы массы или единицы объёма адсорбента, измеряется в м²/г или м²/см³. Некоторые сорта активированного угля имеют удельную поверхность больше 1000 м²/г. Трудно поверить, но в одном грамме такого адсорбента заключён целый гектар поверхности.

3. Пористость – отношение суммарного объёма пор к общему объёму адсорбента (в %) – П = V_пор/V. (2.98)

4. Средний радиус пор (распределение пор по радиусам) - r. В зависимости от среднего радиуса пор адсорбенты классифицируют на макро-, мезо- и микропористые. Распределение пор по радиусам характеризуют дифференциальной функцией распределения .

Величина определяет долю пор адсорбента с радиусами в пределах отr до (r + dr).На рис.2.28 приведены функции распределения пор по радиусам для адсорбента с монодисперсными порами (кривая 1) и полидисперсными порами (кривая 2).

Рис.2.28. Дифференциальные функции распределения пор адсорбента по радиусам: монодисперсное - (1); полидисперсное - (2) распределение пор.

Форму пор (цилиндрическая, «бутылкообразная», щелевидная, сфероидальная и т.д.) того или иного адсорбента устанавливают, проведя исследование капиллярной конденсации (см. раздел 3.2.5). Для каждой формы пор имеется свой тип петли гистерезиса. Распределение пор по радиусам получают обычно из данных ртутной порометрии. Ртуть не смачивает стенки капилляров практически всех адсорбентов и может проникнуть внутрь них только под действием внешнего давления. Ртуть вдавливают в образец адсорбента, постепенно увеличивая давление. При этом регистрируют зависимость объёма вдавленной ртути от давления. Сначала заполняются ртутью макропоры, затем – мезопоры и, наконец, - микропоры. Путём математической обработки данных порометрии получают дифференциальные кривые, аналогичные изображенным на рис 2.28.

Классификация адсорбентов:

1. По структуре

а) корпускулярные — структуры из сросшихся между собой мельчайших частиц (корпускул – греч. «частиц»),связанных химическими или физическими силами — корпускул.

Наиболее прочные структуры образуются при срастании частиц в результате процессов поверхностной или объемной диффузии или отложения материала, поступающего из другой фазы, у точек контакта частиц. Поры в корпускулярных струк­турах образованы промежутками между частицами. Их размеры и форма зависят от размеров и формы частиц и плотности их упаковки. Чем крупнее частицы и чем рыхлее они упакованы, тем больше размер пор. Форма аморфных частиц обычно сферическая. Кристаллические частицы имеют самую различную форму в зависимости от их кристаллографического строения и дефектности структуры.

Подавляющее большинство промышленных адсорбентов и носителей для катализаторов имеет корпускулярное строение. Примерами могут служить силикагель, алюмосиликатный катализатор, аморфный гидроксид алюминия и другие пористые тела, состоящие из аморфных частиц. Из глобул состоят такие известные адсорбенты и наполнители, как сажа, аэросилы, аэрогели. Очень часто первичные частицы таких адсорбентов образуют более крупные вторичные агрегаты.

Получение:

Синтетические получают по схеме:

Синтез гидрозоля → коагуляция (гель) → сушка, дробление

(гель — более или менее жёсткие пространственные сетки, каркасы)

Например, получение силикагеля — поликонденсация кремниевой кислоты, коагуляция → гель (силикагель) с размером зерен 0,1 - 7мм.

Природные: уголь, древесина, картон, бумага, ткани, зерно, кожа, глина, почвы, грунты

б) кристаллические

Цеолиты — алюмосиликаты, обладающие строго регулярной кристаллической структурой.

Каркас состоит из тетраэдров SiO₄^4- AlO₄^5-:

окна полостей 0,4 — 1,1 нм соизмеримы с размерами молекул. На цеолитах адсорбируются вещества, молекулы которых имеют размер, меньший диаметра окон полостей, поэтому цеолиты называют по-другому «молекулярными ситами», они жадно поглощают воду, при нагревании камня вода испаряется («кипящий камень»)

в) губчатые структуры — массивные тела, пронизанные порами.

Большая часть этих структур имеет ячеистое строение, в котором пустоты-ячейки соединены друг с другом более узкими проходами - горлами (бутылкообразные поры). Каждая пора в такой структуре имеет одно или несколько горл, ведущих в соседние поры.

Губчатые структуры образуются при химическом воздействии реагентов на непористое твердое тело. В результате избирательного удаления части вещества в нем образуются поры. Так, при активировании угля в окислительной атмосфере при температуре 1300К часть углерода выгорает и образуется разветвленная система пор. Воздействием кислот на натриево-боросиликатное стекло удаляется натриево-боратный компонент и остается кремнеземный остов, пронизанный бутылкообразными порами. Аналогично получают никель Ренея выщелачиванием алюминия из никель-алюминиевого сплава.

Получение — обработка крупнопористых материалов агрессивными газами или жидкостями.

Активированные угли получают из различного сырья — каменного угля, торфа, дерева, животных костей, ореховых косточек следующим образом:

1. удаляют летучие вещества при нагревании без доступа воздуха:

2. активизируют уголь окислением О₂, СО_2, Н₂О или химическими реагентами.

Так получают катализатор — никель Рэнея:

NiAl _сплав + NаОН → Ni _{губчатый}