4.2.4. Равновесие при адсорбции

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^.Y^1/n, (4.61)

где Y - равновесная концентрация инертной части газовой смеси, кг/кг; А, п - коэффициенты, определяемые опытным путем (причем n  1).

Зависимость (4.61) 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. 4.11.

Рис. 4.11. 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 (4.61) можно представить в другом виде (т.к. концент­рация компонента в газовой смеси при постоянной температуре пропорционально его давлению):

X = A₁^.P^1/n, (4.62)

где A₁ - коэффициент; Р - равновесное давление поглощаемого вещества в парогазовой смеси, Па.

Основные факторы, влияющие на адсорбцию – это свойства адсорбента, температура, давление, свойства поглощаемых веществ, состав фазы, из которой вещества адсорбируются.

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:

, (4.63)

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:

, (4.64)

где А₁ и n - коэффициенты.

Для мономолекулярной физической адсорбции используется уравнение Ленгмюра:

, (4.65)

где b – коэффициент; a_m – предельная величина адсорбции.

Универсальный характер имеет уравнение Брунауер-Эммет-Теллер (БЭТ), описывающее мономолекулярную и моногослойную адсорбцию:

. (4.66)

На поглощаемые молекулы со стороны поверхности адсорбента действует сила притяжения, пропорциональная адсорбционному потенциалу:

. (4.67)

Серьезным отклонением от реальных характеристик адсорбции является и предположение об изотермичности процесса. Адсорбция может быть изотермической только при соответствующей организации теплоотвода из зоны конденсации. В иных случаях тепло, выделяемое при конденсации адсорбата и смачивании поверхности адсорбента, пойдет на нагрев обрабатываемого газа, частиц адсорбента.