Адсорбция газов и паров

 

Адсорбционные процессы изучают по кривым адсорбции, устанавливающим зависимость между тремя основными величинами: количеством поглощаемого газа (Q); равновесным давлением (Р); температурой (Т).

Различают три основных типа кривых: изотерма α = F(P), при Т = const, изобара α = F(Т), при Р =const, изостера Р = F(Т), при α = const.

Чаще всего используются изотермы.

При выводе уравнения изотермы многослойной, полимолекулярной адсорбции принимают следующие допущения: 1) теплота адсорбции в первом слое постоянная и не зависит от количества поглощенного газа; 2) теплота адсорбции во втором и всех последующих слоях равна теплоте конденсации; 3) значение вероятности конденсации и минимальное время адсорбции одинаковы для всех адсорбционных слоев.

 

Рис. 2.2. Условная модель многослойной адсорбции.

 

Для облегчения расчета свободной поверхности все молекулы условно сдвинуты вправо, молекулы адсорбированы на поверхности в несколько слоев (рис.2.2).

Уравнение полимолекулярной адсорбции было получено Брунауэром, Эмметом и Тейлором и известно под названием уравнения БЭТ:

 

, (2.14)

 

где а – количество адсорбата на единице поверхности адсорбента; ат – количество адсорбата, необходимого для мономолекулярного покрытия адсорбента; р – равновесное давление в газовой фазе; рТ – давление насыщенных паров адсорбата при температуре Т, К; С – константа, зависящая от разности теплот адсорбции Qa и конденсации Е; C=exp[(Qa—E)/(RT)]; R – универсальная газовая постоянная.

При Qa>E дает S-образную изотерму адсорбции, а при QaE – островковую изотерму адсорбции.

При островковой изотерме адсорбции поглощение молекул газа на занятой поверхности более вероятно, чем на свободной. Это приводит к образованию на поверхности многослойных участков поглощенного газа.

Рис.2.3. Изотермы многослойной адсорбции:

а) S – образная изотерма; б) островковая изотерма

 

Для очень низких давлений S-образная изотерма переходит в линейную и описывается уравнением Генри

 

, (2.15)

где b — постоянная, зависящая от температуры; b=C/pT.

Для низких давлений S-образная изотерма дает изотерму мономоле-кулярной адсорбции.

. (2.16)

 

Уравнение (2.16) известно под названием уравнения Ленгмюра и характерно для хемосорбционных процессов.

 

Рис. 2.4. Изотермы мономолекулярной адсорбции:

а) изотерма Генри; б) изотерма Ленгмюра

Уравнение (2.14) при a = G/A можно преобразовать к виду

 

, (2.17)

 

где G – общее количество адсорбированного газа; А – полная поверхность адсорбента.

Обрабатывая экспериментальные данные G=f(p) в координатах и , относительно которых записанное уравнение линейно, можно найти две константы: А и С, а константа С позволяет по известной теплоте конденсации рассчитать теплоту адсорбции.