Вопрос 3. Равновесие в процессах адсорбции

Независимо от природы адсорбционных сил количество веще­ства, адсорбированного единицей массы или объема определенно­го адсорбента, зависит от природы поглощенного вещества, тем­пературы, давления и количества примесей в фазе, из которой по­глощается вещество.

Зависимость между равновесными концентрациями поглощен­ного вещества в твердой и газовой или жидкой фазе в общем виде выражается уравнением

(1)

Зависимости, описываемые уравнениями (1), называются изотермами адсорбции. На основании законов химической термо­динамики найдены конкретные выражения изотерм адсорбции, называемые изотермами Лэнгмюра:

(2)

или Фрейндлиха:

Адсорбции способствуют пониженная температура и повышен­ное давление над адсорбентом, а также отсутствие примесей в фазе над адсорбентом.

Вид изотермы адсорбции зависит от многих факторов: удель­ной площади поверхности адсорбента, объема пор, структуры ад­сорбента, свойств поглощаемого вещества, а также от температуры процесса. На рис. 21.1 изображены пять основных типов изотерм адсорбции. Тип 1 характерен для микропористых адсорбентов. Начальные выпуклые участки изотерм типов 2 и 4 также связаны с микропорами. Последующую форму изотерм определяют полимолекулярная адсорбция и капиллярная кон­денсация. Вогнутые участки на изотермах 3 и 5 характерны для систем адсорбент — адсорбтив, когда силы взаимодействия моле­кул адсорбтива с адсорбентом меньше сил межмолекулярного взаимодействия для мо­лекул адсорбтива. Эти изотермы встреча­ются сравнительно редко.

Рис. 1. Основные типы изотерм

Установлено, что при адсорбции из па­ровой или жидкой фазы нескольких ве­ществ адсорбируются все вещества, однако равновесная концентрация каждого будет ниже, чем при адсорбции индивидуального вещества.

Существуют различные теории адсорб­ции, каждая из которых удовлетворительно описывает экспериментальные данные в определенных условиях. М.М.Дубинин рассматривает процесс адсорбции микропорис­тым адсорбентом как процесс заполнения микропор адсорбтивом. Полученные им уравнения адсорбции для газов и паров в широ­ком диапазоне температур характеризуют зависимость равновес­ной концентрации адсорбтива от структуры пор адсорбента. Такие уравнения имеют сложный характер. Одно из полученных М. М. Дубининым уравнений

(3)

Адсорбция сопровождается уменьшением давления пара погло­щаемого вещества в исходной смеси и выделением теплоты, поэто­му в соответствии с принципом Ле-Шателье количество адсорбиро­ванного вещества возрастает с понижением температуры и повы­шением давления. Таким образом, понижение давления и повыше­ние температуры способствуют обратному процессу — десорбции.

Количество выделяющейся при адсорбции теплоты (кДж/кмоль) определяют экспериментально. При отсутствии опытных данных оно может быть вычислено по уравнению

(4)