3.2.5. Адсорбция на пористых адсорбентах

Пористые адсорбенты – твердые тела, внутри которых имеются поры, обуславливающие наличие внутренней межфазной поверхности. Поры могут быть заполнены газом или жидкостью. Тип таких систем Г/Т или Ж/Т.

Для количественно характеристики пористых тел используют:

1. Пористость (П) – отношение общего объема пор к общему объему тела:

. (3.27)

2. Удельный объем пор () – отношение общего объема пор к массе пористого тела:

. (3.28)

3. Удельная поверхность () – отношение общей поверхности пор к объему тела:

. (3.29)

4. Распределение пор по размерам: интегральные () и дифференциальные () кривые.

В отличие от адсорбции на телах с ровной поверхностью, адсорбция на пористых телах значительно выше и зависит от строения и размера пор. Увеличение пористости сорбента приводит не только к увеличению удельной поверхности , но и обеспечивает конденсацию пара при давлениях меньших, чем для ровной поверхности. Кроме того, в микропористых телах наблюдается увеличение энергии адсорбции и резкое возрастание величины адсорбции. По этой причине пористые сорбенты широко применяются в промышленности: в гетерогенном катализе, при улавливании выбросов предприятий в процессе рекуперации (до 95 % всех растворителей возвращают в производство), при улавливании и сборе ценных примесей, что имеет огромное значение для решения экологических задач.

Пористые тела классифицируют в соответствии с размерами пор (классификация М.М. Дубинина):

1. Макропористые тела (). Для количественного описания адсорбции в порах такого размера используют уравнения Лэнгмюра.

2. Мезопористые (переходнопористые) тела (,). В порах таких адсорбентов идет полимолекулярная адсорбция, которая заканчивается капиллярной конденсацией при образовании вогнутого мениска. Процесс адсорбции описывается теориями Поляни и БЭТ.

3. Микропористые тела () – молекулярные сита (цеолиты – алюмосиликаты, обладающие строго регулярной кристаллической структурой, активированные угли). Процесс адсорбции описывается Теорией объемного заполнения микропор (ТОЗМ) Дубинина.

3.2.6.Адсорбенты и их характеристики

На практике в качестве адсорбентов, предназначенных для извлечения, разделения и очистки веществ, применяют специально синтезируемые высокопористые тела. Эти тела кроме большой удельной поверхности должны обладать механической прочностью, избирательностью и рядом других специфических свойств. Наиболее широкое применение находят активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты.

Активные угли (АГ-2, СКТ, АР, СКТ-3, АРТ) характеризуются гидрофобностью (плохой сорбируемостью полярных веществ, в том числе воды). Это свойство определяет их широкое использование в практике рекуперационной и санитарной очистки отходящих газов разнообразной влажности.

Силикагели (марок КСК, КСС, МСМ, ШСК, ШСС, ШСМ) по своей химической природе представляют собой гидратированные аморфные кремнеземы (SiO₂·nH₂O), являющиеся реакционноспособными соединениями переменного состава, превращения которых происходит по механизму поликонденсации. Силикагели используют для поглощения полярных веществ. Мелкопористые силикагели используют для адсорбции лекгоконденсируемых паров и газов, крупнопористые и среднепористые служат эффективными поглотителями паров органических соединений. Высокое сродство поверхности силикагеля к порам воды обуславливает широкое их использование в качестве агентов осушки разнообразных газовых сред.

Алюмогели (Al₂O₃·nH₂O) используют для улавливания полярных органических соединений и осушки газов.

Цеолиты «молекулярные сита» () представляют собой алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов и характеризующиеся регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами молекул. Цеолиты обладают наибольшей адсорбционной способностью по порам полярных соединений и веществ с кратными связями в молекулах.