Адсорбция. Общие сведения. Характеристика адсорбентов. Десорбция адсорбтива из адсорбента. Процессы ионообмена, страница 3

Равновесие при адсорбции обычно характеризуют зависимостями количества вещества, поглощенного единицей массы или объема данного адсорбента, от температуры и концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе; соответственно зависимость между равновесными концентрациями фаз при адсорбции имеет вид:

                                               ,                                              (39.1)

или при постоянной температуре

                                                 ,                                                (39.2)

где  – относительная массовая концентрация поглощаемого компонента в адсорбенте, равновесная с концентрацией адсорбтива в газовой или жидкой фазе, кг адсорбтива/кг адсорбента; – относительная массовая концентрация адсорбтива в фазе, из которой извлекается вещество, кг адсорбтива/кг носителя газовой фазы или раствора.

Концентрация адсорбтива  может быть заменена его парциальным давлением в парогазовой смеси р, Па, а концентрация  (называемая также величиной адсорбции) может быть заменена на активность адсорбента , кг адсорбтива на м³ адсорбента:

                                                 ,                                                (39.3)

                                                 .                                                (39.4)

Зависимости (39.2), (39.3), (39.4) представляют собой выраженные в самом общем виде уравнения линии равновесия при адсорбции, или изотерм адсорбции.

Изотермы адсорбции являются важной характеристикой адсорбционных свойств пористых твердых тел. Конкретная форма этой зависимости определяется свойствами и механизмом взаимодействия адсорбента и поглощаемого вещества. Изотермы адсорбции определяются чаще всего опытным путем. Опытные данные по равновесию адсорбции являются важным источником информации о структуре адсорбента, тепловом эффекте адсорбции и ряде других характеристик процесса.

Равновесные соотношения при адсорбции можно также описать аналитически, базируясь на основе того или иного механизма или теории процесса адсорбции.

Существует ряд теорий адсорбции: мономолекулярная, полимолекулярная, потенциальная, объемного заполнения микропор и др. В соответствии с предложенными теориями адсорбции существуют уравнения изотерм адсорбции для адсорбентов различной природы и различной структуры, используемые при расчете рабочих характеристик процесса. Конкретный вид этих уравнений приводится в литературе посвященной вопросам физической химии сорбционных процессов.

Располагая изотермой адсорбции пара стандартного вещества (обычно бензола) при температуре Т_1, для какого-либо адсорбента, можно вычислить изотерму адсорбции пара другого вещества при температуре Т₂ для того же адсорбента. При этом используют зависимость

                                                ,                                               (39.5)

где  – ордината изотермы адсорбции стандартного вещества кг/кг;  – ордината определяемой изотермы кг/кг;  и  – мольные объемы стандартного и исследуемого вещества (в жидком состоянии) соответственно, м³/кмоль.

Адсорбция сопровождается уменьшением давления пара поглощаемого компонента в исходной смеси и заметным выделением тепла. Поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье количество адсорбированного вещества возрастает с понижением температуры и повышением давления. Таким образом, повышение температуры и понижение давления отрицательно влияют на процесс адсорбции.

Природа поглощаемого компонента также весьма существенно влияет на равновесие при адсорбции. На рис. 39.1 представлены изотермы адсорбции для азота, диоксида углерода и паров бензола. Как видно из рисунка, чем больше молекулярная масса поглощаемого компонента, тем больше равновесная концентрация его в абсорбенте . Для растворов характерно то, что  зависит в первую очередь от растворимости поглощаемого компонента в жидкости: чем меньше растворимость, тем больше значение .

Рисунок 39.1 – Изотермы адсорбции различных газов на активном угле.