Адсорбция. Десорбция. Ионный обмен

Размещено на http://www.allbest.ru/

Адсорбция. Десорбция. Ионный обмен

Адсорбция - процесс поглощения вещества из смеси газон, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела- адсорбента. Поглощаемое вещество, находящееся в объемно и фазе (газе, паре или жидкости), называется адсорбтивом, а поглощенное - адсорбатом.

Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандерваальсовыми силами, которые проявляются ii;i расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата. При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений.

Процессы адсорбции экзотермичны. Процессы адсорбции избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента.

Наиболее рационально адсорбцию применять для обработки смесей с низкой концентрацией извлекаемых веществ. В этом случае увеличивается продолжительность работы адсорбционного аппарата- адсорбера- на стадии собственно адсорбции до его переключения на десорбцию.

Типичными примерами адсорбции являются осушка газов и жидкостей, разделение смесей углеводородов, рекуперация раствори гелей, очистка вентиляционных выбросов и сточных вод и т. п. За последнее время значение адсорбции существенно возросло, особенно в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ.

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они приготовлены, и пористой внутренней структурой.

В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор. Роль переходных пор и макропор в основном сводится к транспортированию адсорбируемого веществ к микропорам.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Величина поглотительной способности зависит от типа адсорбент его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, от концентрации, температуры, а для газов и паров от их парциального давления.

По химическому составу все адсорбенты можно разделить углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относят активные (активированные) угли, углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты и глинистые породы. Активные угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают cyxoй перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.) с целью мления летучих.

адсорбция ионный обмен

Равновесие при адсорбции

Равновесная концентрация X* (кг/кг чистого адсорбента) поглощаемого вещества в адсорбенте может быть представлена в виде функции концентрации с и температуры Т:

или в виде функции парциального давления р и температуры Т в случае адсорбции газов:

(1)

где с - концентрация адсорбтива в объемной фазе,кг/м3; р - парциальное давление адсорбтива в объемной фазе,Н/м2.

Зависимость X* = (с) или X* = (р) при постоянной температуре называется изотермой адсорбции.

Изотермы адсорбции изображаются кривыми, форма которых определяется в основном природой адсорбата и адсорбента и его пористой структурой. Из всего многообразия форм изотерм для анализа процессов адсорбции следует выделить выпуклую и вогнутую(рис.1). Важно отметить, что начальные участки изотерм линейны.

Рис.1. Выпуклая и вогнутая изотермы адсорбции.

Равновесные зависимости описываются рядом эмпирических и теоретических уравнений. Наиболее плодотворной для описания равновесия адсорбционных процессов оказалась теория объемного заполнения пор, явившаяся развитием потенциальной теории адсорбции.

Под адсорбционным потенциалом А понимают работу, совершаемую адсорбционными силами при переносе одного моля адсорбтива из равновесной газовой фазы давлением р на поверхность адсорбционной пленки, давление над которой принимается равным давлению насыщенного пара адсорбтива ps при рассматриваемой температуре Т.

Адсорбционный потенциал выражается соотношением:

(

В процессе адсорбции объем микропор Vn заполняется адсорбатом, объем которого может быть вычислен через величину равновесной адсорбции:

(3)

где М - молекулярная масса адсорбата; Vж- молярный объем адсорбата

Десорбция

Десорбция идет более полно и с большей скоростью при повышенной температуре и пониженном давлении.

При выпуклой изотерме адсорбции основное количество вещества десорбируется в начальной стадии процесса, затем скорость десорбции резко падает, в соответствии с которым точки с наибольшей концентрацией в газе имеют наибольшую скорость, а точки с меньшей концентрацией запаздывают, в результате чего за основной частью выходящего вещества будет находиться «хвост» с постепенно уменьшающейся концентрацией (рис.2,а). В случае вогнутой изотермы десорбируемое вещество выходит более компактно, что также объясняется влиянием вида изотермы на скорость движения концентрационных точек (рис.2,б).

Рис. 2. Профили концентраций в потоке при десорбции для выпуклой (а) и вогнутой (б) изотерм

Методы регенерации адсорбентов можно подразделить на низкотемпературную термическую регенерацию, высокотемпературную термическую, химическую, вытеснительную и регенерацию понижением давления. Низкотемпературную термическую регенерацию адсорбентов проводят их обработкой перегретым или насыщенным острым водяным паром либо газами при температуре 100-400°С.

Часть водяного пара, подаваемого на десорбцию, идет на нагрев адсорбента и аппарата, на компенсацию теплоты адсорбции и отрицательной теплотысмачивания.Другая,несконденсировавшаяся часть пара уносит десорбированное вещество из аппарата. С помощью водяного пара обычно регенерируют активный уголь. Силикагели, алюмогели и цеолиты регенерируют продувкой при повышенной температуре.

Выбор температуры регенерации определяется энергией связи адсорбат-адсорбент, необходимой полнотой десорбции, термической стойкостью адсорбента и временем регенерации. Чем выше энергия связи между молекулами адсорбата и адсорбента и полнее требуется десорбция, тем более высокой должна быть температура регенерации. За пороговую температуру, ниже которой процесс регенерации осуществлять нецелесообразно, принята величина, при которой половина адсорбата удаляется в вакууме в течение 10 мин. В случае, если низкотемпературная регенерация не позволяет достаточно полно удалить поглощенное вещество, что характерно, например, для отработанных активных углей после водоочистки, прибегают к высокотемпературной термической регенерации, которая заключается в обработке адсорбента различными газами, например СО2, при высокой температуре. В процессе высокотемпературной регенерации адсорбат разлагается, а продукты его деструкции удаляются. В жестких условиях высокотемпературной регенерации частично меняется также и структура адсорбента.

Химическую регенерацию проводят обработкой адсорбента жидкими или газообразными реагентами при умеренных температурах (t<100°С). В качестве реагентов используют кислоты, щелочи, различные окислители.

При вытеснительной десорбции адсорбент обрабатывают растворителем, который, лучше адсорбируясь, чем поглощенное вещество, вытесняет его и вымывает.

Если изотерма адсорбции не крутая, регенерацию можно проводить без подвода теплоты, снижая давление в аппарате, что приводит к увеличению движущей силы процесса. Процессы десорбции, подобно процессам адсорбции, проводят в неподвижном, кипящем или плотно движущемся слое. Расчет процесса десорбции проводят с целью определения времени десорбции (в случае периодического процесса) и расхода десорбирующего агента. В наиболее распространенных методах десорбции слой адсорбента нагревают до заданной температуры и затем продувают при практически постоянной температуре газом или паром.

Ионный обмен

Ионный обмен можно рассматривать как гетерогенную химическую реакцию и представить в виде примера следующими уравнениями:

Промежуточное положение между катионитами и анионитами занимают амфолиты, которые включают кислотные и основные ионогенные группы, выступая (в зависимости от условий проведения процесса) в роли катионита или анионита.

В соответствии со степенью ионизации в растворе катиониты делятся на сильнокислотные (КУ) и слабокислотные (КБ); аниониты подразделяют на высокоосновные (АВ) и низкоосновные (АН).

По степени пористости синтетические иониты можно подразделить на гелевые и макропористые. Макропористые иониты обладают гораздо более развитой пористой структурой, чем гелевые, что значительно ускоряет транспорт вещества внутри гранулы.

При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные противоионы замещаются на эквивалентное количество ионов раствора электролита. В зависимости от противоиона, которым насыщена ионообменная смола, различают Н-форму, Na-форму, Са-форму и т.п. для катионитов и соответственно ОН-форму, С1-форму и т. п. для анионитов. Отметим, что активные группы находятся во всем объеме ионитов. Трехмерная структура ионита представляет собой как бы губку, в порах которой при набухании находятся растворитель и противоионы. Для обмена ионы раствора должны продиффундировать в матрицу и обменяться с ее противоионами.

Кинетические свойства ионообменных смол и их обменная емкость зависят также от строения матрицы. В зависимости от сшивки углеводородных цепей меняется набухаемость ионита. Увеличивая степень сшивки, можно добиться такого размера элементарной ячейки матрицы, когда диффузия ионов внутрь ионита будет невозможна из-за их размеров. В этом случае ионный обмен возможен только на поверхности частицы ионита. Матрица ионита вместе с фиксированными ионами в растворах представляет собой твердый нерастворимый полином, заряд которого компенсируется зарядами противоионов противоположного знака.

У катионитов фиксированные ионы заряжены отрицательно,у анионитов - положительно.

Сильнокислотные катиониты способны к обмену ионов в щелочной, нейтральной, кислой средах. В качестве фиксированных ионов сильнокислотные компоненты обычно содержат группу SO3

Слабокислотные катиониты способны к обмену катионов только при рН 2-7. В качестве фиксированных ионов они имеют различные слабодиссоциирующие группировки, например -- COOН

Сильноосновные аниониты способны к обмену в широком диапазоне рН. Эти аниониты наиболее часто содержат в качестве фиксированных ионов группу N+.

Слабоосновные аниониты способны к обмену анионов только при рН < 7. К ним относятся аниониты с первичными, вторичными и третичными аминогруппами.

Некоторые иониты содержат одновременно сильно- и слабодиссоциирующие активные группы.

Ионообменные смолы обладают большой емкостью, химической стойкостью и механической прочностью. Изменяя состав активных групп и матрицы, получили ионообменные смолы самых различных свойств.

Литература

1.Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1995г, 768 с

Размещено на Allbest.ru