Изотермы адсорбции – десорбции.

Если твердое тело помещают в замкнутое пространство, заполненное газом или паром при определенном давлении, твердое тело начинает адсорбировать газ и масса его возрастает, а давление газа уменьшается. Спустя некоторое время давление становится постоянным и равным, скажем, Р и масса тела перестает увеличиваться. Основываясь на законах идеальных газов, если известны объемы сосуда и твердого тела, можно, исходя из снижения давления, рассчитать количество адсорбированного газа. В таком эксперименте вещество, адсорбированное твердым телом (адсорбентом), называют адсорбатом, а газообразное вещество, способное адсорбироваться, - адсорбтивом. Адсорбция вызывается силами, действующими между твердым телом и молекулами газа. Эти силы делятся на два главных типа – физические и химические, и они вызывают физическую (или Ван-дер-Ваальса) адсорбцию и хемосорбцию, соответственно.

Количество поглощенного твердым телом газа пропорционально массе m образца и зависит также от температуры, Т, давления газа Р и природы как твердого тела, так и газа. Если n – количество адсорбированного газа, выраженное в молях на грамм вещества, то

n = f(Р, T, газ, твердое тело) (2.1)

Для данного газа, адсорбированного на определенном твердом теле при какой-либо фиксированной температуре, уравнение (2.1) принимает следующий вид: n = f(Р)_{Т, газ, твердое тело} (2.2)

Если температура ниже критической температуры газа, то применяют следующее уравнение: n = f(Р/Р₀)_{Т, газ, твердое тело} (2.3)

где Р₀ – давление насыщенных паров адсорбтива.

Уравнения (2.2) и (2.3) называются уравнениями изотерм адсорбции, выражающих соотношение между количеством адсорбата и давлением при постоянной температуре. Из вида изотермы адсорбции можно сделать вывод о площади поверхности, пористости адсобирующего тела и характере взаимодействия между адсорбентом и адсорбатом. Когда количество адсорбированного на поверхности вещества измеряется в широком диапазоне относительных давлений при постоянной температуре, полученные данные позволяют построить изотерму. Анализаторы сорбции газов предоставляют возможность последовательного построения изотермы по точкам на основе измеренных значений объемов азота и измеренных давлениях при равновесии. Аналогично можно получить и изотермы десорбции, измеряя количества выделенного азота при снижении относительного давления. Все изотермы адсорбции можно разделить на пять разновидностей, показанных на рис. 2.3.

Тип I или изотерма Лэнгмюра (Langmuir) выпукла относительно оси Р/Р₀ и количество адсорбата приближается к пределу при возрастании Р/Р₀ до 1. Такого типа изотермы присущи, в основном, микропористым образцам с относительно небольшой внешней поверхностью (например, активированный уголь или молекулярные цеолиты). Предельное количество адсорбата зависит больше от доступного объема микропор, чем от площади внутренней поверхности.

Рис. 2.3. Типы изотерм

Тип II. Такая изотерма присуща непористым или макропористым адсорбентам. Этот тип изотерм представляет свободную моно-полислойную адсорбцию. Точка начала прямолинейного среднего участка изотермы обычно используется для определения относительного давления, при котором завершается адсорбция монослоя.

Тип III. Такая изотерма вогнута относительно оси Р/Р₀ на всем своем протяжении. Это редкий тип изотермы. Хорошо известным примером является адсорбция водного пара на непористом углероде. Отсутствие точки перегиба обусловлено повышенным взаимодействием адсорбат - адсорбат по сравнению с адсорбат - адсорбент.

Тип IV. Такая изотерма ассоциируется с капиллярной конденсацией в мезопорах, что характеризуется увеличенной крутизной при повышенном относительном давлении. Начальный участок этой изотермы аналогичен изотерме типа II.

Тип V. Изотермы такого типа встречаются чрезвычайно редко. Они являются разновидностью типа III в присутствии мезопор.

Изотермы типов I, II и III как правило, обратимы. Типы IV и V, ассоциирующиеся с мезопорами, обычно показывают гистерезис между изотермами адсорбции и десорбции.

Де Бэр выделил пять типов петель гистерезиса (рис. 2.4), которые он относит к различным формам пор. Гистерезис типа А относится к порам цилиндрической формы; тип В – к щелевидным порам; тип С – к клиновидным порам с открытыми концами; тип D – также к клиновидным порам с сужением в одном или в обоих концах; тип Е – к порам типа «чернильницы», т.е. к глухим порам. Характерно, что в отсутствие микропор петли гистерезиса на всех изотермах в процессе десорбции смыкаются ранее, чем относительное давление достигнет величины 0.3. Кроме пяти классических типов существуют и такие изотермы, которые трудно отнести к какому-то одному определенному типу, и таких изотерм довольно много.

 

 

Рис. 2.4. Типы петель гистерезиса

 

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Кинетика периодической адсорбции.
2. Материальный баланс адсорбции.
3. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра