Поверхностные явления и адсорбция. Уравнение Ленгмюра. Адсорбция органических кислот из водных растворов на активном угле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поверхностные явления и адсорбция. Уравнение Ленгмюра. (Адсорбция органических кислот из водных растворов на активном угле)

К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие в гетерогенной системе на границе раздела фаз. Это такие явления как смачивание, адгезия, адсорбция и т.д. Поверхностные явления проявляются сильнее в системах с высокоразвитой поверхность, то есть на поверхности, обладающей избыточной поверхностной энергией.

Адсорбция из растворов на твердых адсорбентах является основой многих производственных процессов. Так как поверхность твердых пористых адсорбентов физически неоднородна и пронизана сетью капилляров различного диаметра, то в адсорбции участвуют не только внешняя, но и внутренняя поверхность адсорбента. Процесс усложняется и тем, что возможна конкурирующая адсорбция компонентов из растворов.

Молекулы типичных ПАВ состоят из двух частей: активной полярной группы, хорошо взаимодействующей с молекулами воды (-ОН, -СООН, -NH, -NO, -СООNa и др.), и неполярной гидрофобной группы углеводородного радикала. Такие дифильные молекулы, способные одновременно взаимодействовать с полярными и неполярными средами, самопроизвольно накапливаются на границе раздела фаз, понижая энергию Гиббса поверхности и образуя адсорбционный слой определенной структуры.

При введении адсорбентов в водные растворы ПАВ молекулы ПАВ адсорбируются на границе вода твердая поверхность. Согласно правилу Ребиндера при адсорбции ПАВ разность полярностей между адсорбентом и растворителем уменьшается. Все полярные гидрофильные поверхности (силикагель, глина, стекло) адсорбируют ПАВ из неполярных и слабополярных жидкостей. Неполярные адсорбенты (уголь, металлы, парафин, некоторые полимерные материалы), напротив, хорошо адсорбируют ПАВ из полярных жидкостей.

Адсорбция растворенных веществ из водных растворов, очевидно, будет происходить на гидрофобных адсорбентах, а из неводных - на гидрофильных.

Дифильные молекулы адсорбирующихся веществ ориентируются своими полярными группами в полярную среду, а неполярными группами - в неполярную (см. рис.). Образовавшийся адсорбционный слой может изменить характер поверхности. Например, адсорбция дифильных молекул из водного раствора приводит к гидрофилизации поверхности угля, вследствие чего уголь приобретает способность смачиваться водой.

На адсорбцию ПАВ из растворов существенное влияние оказывает пористость адсорбента. Влияние пористости определяется соотношением размеров пор и молекул ПАВ. Если молекулы ПАВ имеют размеры, меньшие радиуса пор адсорбента, что позволяет проникнуть в них, то увеличение пористости образца приводит к возрастанию адсорбции. С увеличением размера молекул ПАВ адсорбция на адсорбентах с микропористой структурой снижается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Адсорбция дифильных молекул на твердой поверхности

По истечении определенного времени в системе адсорбент водный раствор ПАВ устанавливается равновесие между количеством молекул ПАВ, перешедших на поверхность адсорбента (адсорбата), и их объемной равновесной концентрацией (равновесной концентрацией адсорбтива).

Зависимость адсорбции из раствора на твердом теле от равновесной концентрации адсорбтива описывается различными уравнениями. В инженерных расчетах часто используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха

 (1)

или уравнение Ленгмюра:

, (2)

где А удельная адсорбция, т.е. количество адсорбированного вещества, приходящееся на единицу массы адсорбента;

К константа адсорбционнодесорбционного равновесия, зависящая от природы адсорбента и адсорбтива;

С равновесная концентрация растворенного вещества (адсорбтива) в растворе;

в и n эмпирические коэффициенты;

А_max максимальная удельная адсорбция, которую называют также емкостью монослоя.

Определив экспериментально емкость монослоя А_max, можно рассчитать величину активной поверхности, приходящейся на единицу массы адсорбента, по формуле:

(3)

где N_а = 6,02 10 моль число Авогадро;

S₀ площадь, занимаемая одной молекулой в насыщенном адсорбционном слое в допущении однородного распределения энергии по поверхности.

Поверхность активного угля пористая и величина ее, как правило, неизвестна. Поэтому адсорбцию (концентрацию адсорбированного вещества на твердом адсорбенте) обычно относят к единице массы адсорбента:

, (4)

где А - удельная адсорбция, m масса адсорбента.

адсорбция монослой смачивание раствор

Размещено на Allbest.ru