Основні закономірності адсорбції

Адсорбція дуже поширене явище, яке використовується у хімічній, металургійній, харчовій промисловості при очищенні, розділенні і концентруванні рідинних і газових середовищ.

Адсорбція – мимовільне концентрування речовини на поверхні поділу фаз. Речовина, яка адсорбує на своїй поверхні іншу речовину носить назву адсорбента; речовина, яка адсорбується з об’єму має назву адсорбтив; ця ж речовина, яка вже адсорбувалася називається адсорбатом. Тобто для адсорбованої речовини використовують терміни адсорбтив (до адсорбції) та адсорбат (після адсорбції). Частка молекули з поверхні може перейти знову в об’єм. Процес зворотний адсорбції є десорбція.

Адсорбцію виражають у абсолютних та надлишкових величинах.

Абсолютна адсорбція - це кількість адсорбату на одиницю поверхні адсорбенту, що дорівнює добутку концентрації адсорбату у поверхневому шарі і товщині цього шару :

.

Надлишок адсорбату у поверхневому шарі порівняно з його кількістю в об’ємної фазі характеризує надлишкову чи гіббсовську адсорбцію, яка показує на скільки збільшилася концентрація адсорбата внаслідок адсорбції

,

де - рівноважна концентрація адсорбата в об’ємі.

Якщо , то .

Адсорбція відноситься до поверхневих явищ і проходить мимовільно. Концентрування речовини на поверхні поділу фаз відбувається до досягнення рівноваги між процесами адсорбції та десорбції, тобто до досягнення . Практично це відповідає рівності хімічних потенціалів адсорбенту і адсорбтиву. Таким чином, адсорбцію можна визначити як процес вирівнювання хімічного потенціалу, який призводить до змінення концентрації компонентів на межі поділу фаз порівняно з їх концентрацією в об’ємі. У випадку адсорбції одного компонента

,

це рівняння називають фундаментальним рівнянням адсорбції Гіббса.

Залежність між адсорбцією, концентрацією ПАР та зміною поверхневого натягу виражається рівнянням Гіббса,

,

де - зміна поверхневого натягу, яка відповідає зміні концентрації ;

- поверхнева активність;

- універсальна газова стала; - температура.

Залежно від природи адсорбційних сил розрізняють фізичну та хімічну адсорбції.

При фізичній адсорбції взаємодія адсорбенту та адсорбату здійснюється за рахунок сил Ван-дер-Ваальса та водневих зв’язків. Молекули адсорбату зберігають свої індивідуальні властивості. Фізична адсорбція зворотня, малоспецифічна, нелокалізована і зменшується зі збільшенням температури.

При хімічній адсорбції (хемосорбції) молекули адсорбату утворюють з адсорбентом поверхневі хімічні сполуки. Хемосорбція незворотня, специфічна та локалізована.

Теоретично адсорбція на сучасному рівні розроблена Брунауером, Емметом, Теллером (теорія БЕТ). Вона враховує наявність активних центрів адсорбції і можливість утворення декількох шарів адсорбату.

Залежно від агрегатного стану адсорбенту і адсорбтиву розрізняють адсорбцію на межі твердого тіла та газу (Т-Г); рідини і газу (Р-Г); рідини і ПАР (Р-Р); твердого тіла і рідини (Т-Р).

Адсорбція на межі рідина – газ (Р-Г)

На межі поділу рідина-газ (вода-повітря) можуть мимовільно адсорбуватися молекули поверхнево-актиних речовин (ПАР), що формують межеві адсорбційні шари, які радикально змінюють властивості поверхні поділу фаз та дисперсних систем.

Речовини, які зменшують поверхневий натяг чистих розчинників і концентруються на поверхні поділу фаз, мають назву поверхнево-активних речовин (ПАР). До них належать органічні кислоти , спирти , аміни , сульфопохідні , синтетичні миючі засоби, мила, білки тощо.

Молекула ПАР дифільна і має полярну та неполярну частини. Полярна частина гідрофільна і сприяє розчиненню ПАР у воді, а неполярна частина гідрофобна і сприяє розчиненню ПАР у неполярних розчинниках. При розчиненні ПАР у воді поверхневий натяг зменшується (поверхневий натяг розчину стеарату натрію приблизно ). При додаванні ПАР у рідину взаємодія їх з диполем води (розчинника) слабкіша, ніж взаємодія між молекулами води, і молекули ПАР виштовхуються в поверхневий шар, де концентруються. Підвищення концентрації ПАР приводить до зниження поверхневого натягу, що можна виразити ізотермою поверхневого натягу (рис. 1.3 а).

Здатність речовини при адсорбції на межі поділу фаз знижувати поверхневий натяг залежно від його концентрації в об’ємі називають поверхневою активністю . Для ПАР , а адсорбція більше нуля (позитивна) (рис. 1.3 б).

Рисунок 1.3 – Ізотерми поверхневого натягу (а) і адсорбції (б):

1 – для поверхнево-активних речовин; 2 – для поверхнево-інактивних речовин; 3 – для речовин, які не впливають на поверхневий натяг;

- поверхневий натяг чистого розчинника.

Поверхнева активність ПАР одного гемологічного ряду збільшується в 3 – 3,5 раза при збільшенні вуглеводневого радикала на одну групу (правило Дюкло-Траубе). Дія правила обмежена кількістю атомів Карбону у молекулі . Збільшення кількості атомів Карбону приводить до зменшення поверхневого натягу, але не в такій залежності.

Зниження поверхневого натягу внаслідок адсорбції ПАР на межі поділу рідина-газ визначають за рівнянням Шишьковського

Дата добавления: 2014-01-05; Просмотров: 1473; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!