Поглотительная способность адсорбентов выражается концентрацией адсорбата в массовой или объемной единице адсорбента. Процесс адсорбции сопровождается выделением тепла, поэтому снижение температуры способствует его проведению.
Независимо от природы адсорбционных сил на величину адсорбции влияют следующие факторы: природа поглощаемого вещества; температура; давление; примеси в фазе, из которой поглощается вещество.
Природа поглощаемого вещества - считается, что равновесная концентрация в адсорбенте тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае растворов - чем меньше растворимость поглощаемого вещества в жидкости.
С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается.
С ростом давления в парогазовой фазе равновесная концентрация x увеличивается.
Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. При наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вытесняющего) вещества В, т.е. вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация вещества А в адсорбенте. В этом случае вещество В либо частично, либо полностью вытесняет или замещает вещество А в адсорбенте.
С течением времени при адсорбции наступает равновесие, при котором устанавливается определенная зависимость между концентрацией адсорбируемого вещества Х (кг/кг адсорбента) и его концентрацией Y в газовой фазе:
X = A.Y1/n (3.59)
где Y - равновесная концентрация инертной части газовой смеси, кг/кг; А, п - коэффициенты, определяемые опытным путем (причем n ≥ 1).
Зависимость (3.59) величины адсорбции целевого компонента в условиях равновесия между фазами при постоянной температуре называют изотермой адсорбции.
|
|
Существует пять типов изотерм физической адсорбции паров. Они приведены на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Типы изотерм адсорбции
Изотерма типа а) соответствует мономолекулярной ленгмюровской адсорбции; изотермы типа б), в) - мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции. Изотермы типа г) и д) соответствуют случаю, когда мономолекулярная и полимолекулярная адсорбции сопровождаются капиллярной конденсацией.
Уравнение (3.59) можно представить в другом виде (т.к. концентрация компонента в газовой смеси при постоянной температуре пропорционально его давлению):
X = A1P 1/n (3.60)
где A 1 - коэффициент; Р - равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси, Па.
Адсорбция ускоряется при понижении температуры или при повышении давления. Эти же факторы влияют на процесс десорбции в обратном направлении. Десорбция ускоряется с повышением температуры адсорбента и снижением давления, а также при пропускании через адсорбент паров, вытесняющих поглощенное вещество.
При высоких температурах или малых парциальных давлениях изотермы адсорбции аппроксимируются законом Генри:
а* = Aр ∙ p (3.61)
где а * - количество поглощенного вещества, кг/кг (адсорбента) или кг/м3; А р -
константа фазового равновесия; р - парциальное давление компонента в газе.
В практических расчетах широко используется уравнение Фрейндлиха:
а* = A1∙ pn (3.62)
где А 1 и n - коэффициенты.
Для мономолекулярной физической адсорбции используется уравнение Ленгмюра:
a *= b∙ am ∙ p /(1+ b ∙ p) (3.63)
|
|
где b – коэффициент; am – предельная величина адсорбции.
Универсальный характер имеет уравнение Брунауер-Эммет-Теллер (БЭТ), описывающее мономолекулярную и многослойную адсорбцию:
(3.64)
где ps – давление насыщенного пара; c – константа.
На поглощаемые молекулы со стороны поверхности адсорбента действует сила притяжения, пропорциональная адсорбционному потенциалу:
E = R ∙T ∙ ln ps / p (3.65)
Серьезным отклонением от реальных характеристик адсорбции является предположение об изотермичности процесса. Адсорбция может быть изотермической только при соответствующей организации теплоотвода из зоны конденсации. В других случаях тепло, выделяемое при конденсации адсорбата и смачивании поверхности адсорбента, пойдет на нагрев обрабатываемого газа и частиц адсорбента.