Адсорбционная емкость адсорбентов

Любые твердые вещества обладают поверхностью и, следовательно, потенциально являются адсорбентами. Однако для адсорбционной очистки газов в промышленности применяют адсорбенты, которые удовлетворяют следующим требованиям: большой динамической емкостью, большой удельной поверхностью, избирательностью адсорбции, термической и механической устойчивостью, способностью к регенерации, простотой изготовления, дешевизной.

Адсорбционная емкость является главным показателем адсорбентов. От их емкости зависят размеры адсорбционной аппаратуры и эффективность очистки газов. Различают статическую и динамическую емкость адсорбентов.

Статическая емкость соответствует равновесному состоянию системы. Она показывает, какое количество вещества способен адсорбировать адсорбент в условиях равновесия, т.е. когда концентрация адсорбтива на входе и на выходе становится одинаковой.

Динамическая емкость адсорбента соответствует поглощению вещества слоем адсорбента от начала адсорбции до начала «проскока» адсорбтива, т.е. когда в выходящем из слоя адсорбента газе-носителе появляются следы адсорбтива.

Адсорбционная емкость адсорбента зависит от его природы. Она возрастает с увеличением поверхности, пористости, снижением размеров пор адсорбентов, а также с повышением концентрации абсорбтива в газе-носителе и давления в системе. С увеличением температуры и влажности адсорбционная емкость адсорбентов снижается. Поэтому перед использованием их подвергают прокалке (просушке) (часто в вакууме), а процесс десорбции ведут при почти таких же температурах и давлениях. Важно, чтобы адсорбент после длительной работы не терял свою емкость и мог адсорбировать такое же количество вещества, как и в начале процесса. Хорошие адсорбенты выдерживают несколько сотен и тысяч циклов адсорбция –десорбция без существенной потери емкости.

Поверхность адсорбентов формируется за счет формы каркаса, из которого построено пористое тело. Различают внешнюю и внутреннюю поверхность. Внешняя поверхность зависит от количества макропор. Она невелика и составляет 0,5-2 м²/г, т.е. 0,2-0,5 % от общей поверхности адсорбента. Внутренняя поверхность образуется за счет стенок микропор и средних пор и в зависимости от их объема и размеров может достигать 500-1000 м²/г.

Объем и размеры пор. Поры адсорбентов образуются за счет пустот между частицами, из которых состоят пористые тела. Объем, форма и размеры пор зависят от размеров, взаимного расположения и плотности упаковки частиц, из которых построен каркас пористого тела. Эти частицы могут иметь форму шара, эллипса, конуса, цилиндра, волокон и т.д. Поры в твердых телах подразделены на: макропоры с радиусом более 1000...2000 А° (1 А° = 10^-9 м), переходные (мезопоры) с радиусом от 15 до 1000 А° и микропоры с радиусом до 15 А°. Макропоры с размерами пор более 1000...2000 А° оказывают небольшое влияние на статику адсорбции, но являются транспортными каналами для подвода адсорбируемых молекул к мезопорам и микропорам. В макропорах и мезопорах наблюдается послойный механизм адсорбции, в то время как в микропорах, размер которых соизмерим с размерами адсорбируемых молекул, адсорбция носит характер объемного заполнения. Поэтому для микропористых адсорбентов объем пор, а не поверхность адсорбента, имеет решающее значение в адсорбционных процессах.

Адсорбент с крупными порами лучше адсорбирует вещества с большими размерами молекул и при больших давлениях. Среднепористый адсорбент эффективнее адсорбирует при средних давлениях, а мелкопористый - при низких давлениях. Энергия адсорбции в микропорах значительно выше, чем в макропорах и переходных порах. Это объясняется тем, что адсорбированные молекулы, размер которых соизмерим с размером пор адсорбента, взаимодействуют с обеими стенками поры, выделяя при этом больше тепла, чем при адсорбции молекул одной стороной стенки. Удельный объем микропор в адсорбентах достигает 0,2—0,6 см³/г, а удельная поверхность — до 500 м²/г и более. В связи с этим микропоры играют основную роль при разделении газовых смесей, особенно при очистке газов от малых концентраций примесей.

Суммарную пористость твердого тела можно определить по его плотности. Различают истинную (р_ист), кажущуюся (р_каж) и насыпную (р_нас) плотности пористых тел.

Истинная плотность - это масса единицы объема плотноупакованного тела (не содержащего пор); кажущаяся плотность - это масса единицы объема пористого тела, включая объем плотного вещества, объем пор, но без учета объема пустот между зернами; насыпная плотность - это масса единицы объема пористого тела, включая объем плотного вещества, объем пор и объем пустот между зернами. Суммарный объем пор, см³/г:

где ρ_каж – кажущаяся плотность, ρ_ист – истинная плотность.

Суммарный объем пор:

V_Σ = V_мик + V_мез + V_мак,

где V_мик – объем микропор; V_мез ­– объем мезопор; V_мак – объем макропор.

Значения плотности некоторых адсорбентов приведены в таблице 14.1.

Таблица 14.1.