Адсорбер периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента. Технологическая схема для улавливания паров этилового спирта из воздуха (стр. 2 из 4)
2. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе – процесс гидратации.
Адсорбция газов аналогична адсорбции из растворов, за исключением того, что отсутствует конкурирующее действие воды. В процессе адсорбции происходит задержка адсорбата на поверхности адсорбента в течении определенного времени. После чего адсорбат снова может перейти в газовую фазу. Процесс адсорбции из водной (газообразной) фазы идет до установления равновесия. Количество газа или растворенного вещества, которое адсорбируется определенным количеством адсорбента, зависит от вида газа или раствора и от условий:
· температура среды;
· давление газа;
· концентрация растворенных веществ и т.д.
В первый момент сорбции скорость максимальна. В процессе сорбции концентрация адсорбата на поверхности адсорбента увеличивается и при определенных соотношениях может происходить обратный процесс, т.е. переход адсорбционного вещества с поверхности адсорбента в раствор или газ, т.е. наступает равновесие, при котором концентрация извлекаемого вещества в растворе или парциальное давление газа становится постоянным. Эта концентрация раствора называется равновесной концентрацией, а парциальное давление – равновесным.
Для оценки процесса используется величина, называемая удельной адсорбцией (α) – это количество вещества в молях, поглощенное 1 см2 поверхности адсорбента при достижении равновесия в данных условиях. Определяется по формуле:
,где α – удельная адсорбция, моль/см2;
n – число молей адсорбата;
S – поверхность адсорбента, см2.
Так как очень сложно определить площадь адсорбента, то вместо поверхности используется его масса, т.е.
,где m – масса адсорбата, г;
С0 – начальная концентрация адсорбтива в растворе, моль/л;
Ср – равновесная концентрация адсорбтива в растворе после адсорбции;
V – объем, м3/л.
В тех случаях когда адсорбат находится в газообразной форме, то его концентрацию можно вычислить:
где Рi – парциальное давление извлекаемого компонента.
С увеличением температуры газовая адсорбция при постоянном давлении уменьшается, а при уменьшении температуры газовая адсорбция увеличивается. В отличии от газовой адсорбции при адсорбции из растворов повышение температуры наоборот вызывает усиление адсорбции растворенного вещества.
Сам процесс протекает за счет понижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение растворов зависит от природы растворителя и от температуры протекания процесса. Растворенные вещества или понижают поверхностное натяжение растворителя, и в таком случае их называют поверхностно-активными веществами (ПАВ), или повышают поверхностное натяжение, и в таком случае их называют поверхностно-инактивными веществами, или не влияют на величину поверхностного натяжения растворителя. В водных растворах поверхностно-активны полярные органические соединения (спирты, кислоты, амины, фенолы). Поверхностно-инактивные большинство сильных электролитов. ПАВ делятся на две группы:
1) истинно растворимые в воде – представляют собой дифильные молекулы с короткими углеводородными радикалами;
2) мицеллярные коллоиды - представляют собой дифильные молекулы с длинным углеводородным радикалом, малорастворимые в воде.
Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещества и обозначают греческой буквой Г («гамма»). ПАВ положительно адсорбируются в поверхностном слое и, следовательно, для них Г>0, так кА приводит к уменьшению поверхностного натяжения. Напротив, поверхностно-инактивные вещества адсорбируются отрицательно, т.е. их концентрация в поверхностном слое меньше, чем в объеме раствора (Г<0). При этом поверхностное натяжение несколько возрастает в результате того, что в растворах сильных электролитов поверхностные молекулы воды втягиваются внутрь раствора с большей силой, чем в чистой воде. В насыщенных молекулярных поверхностных слоях молекулы ПАВ правильно ориентированны своей полярной группой к полярной фазе (например, воде), а неполярным углеводородным радикалом – к неполярной фазе (например, воздух), образуя подобие частокола.
Адсорбционные процессы описываются уравнениями, которые связывают (α), концентрацию вещества (С) в жидкой или газообразной фазе и давление (Р) в газообразной фазе.
На изотерме можно выделить три участка в области малых концентраций адсорбата на поверхности адсорбента (I) – количество адсорбционного вещества растет пропорционально его концентрации или давлении. В этой области удельная адсорбция (α) описывается уравнением генри:
или 
,где
- предельное количество адсорбата; 
- постоянные адсорбцииСтепень заполнения поверхности адсорбента находится по формуле:
При дальнейшем увеличении концентрации (давления) количество адсорбированного вещества увеличивается, но в меньшей степени (участок II).При достаточно высоких концентрациях (давления) количество адсорбированного вещества не изменяется с повышением концентрации, и кривая становится параллельной оси абсцисс (участок III), что соответствует насыщению поверхности адсорбента молекулами адсорбируемого вещества.
Изотерма адсорбции газообразных веществ при высоких давлениях представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Изотерма адсорбции при высоких давлениях
Изотерма адсорбции при приближении к насыщенному давлению изгибается и круто поднимается вверх – это явление связано с копилярной концентрацией. Характер адсорбционных изотерм газообразных веществ зависит от природы и характера адсорбента и газа.
1.2 Активные угли
Адсорбент – это твердое тело, на поверхности и в порах которого происходит адсорбция.
Особенностью процесса адсорбции является избирательность и селективность. Благодаря этому свойству возможно поглощение из сточных вод и загрязненных газов определенных загрязнений, а затем в процессе сорбции возможно выделение их в чистом виде, т.к. адсорбция протекает на поверхности адсорбата, то чем больше поверхность, тем выше скорость адсорбции, и поэтому адсорбенты должны иметь сильно развитую поверхность с очень высокой пористостью и глубокой структурой.
Адсорбенты характеризуются удельной площадью поверхности отнесенной к единице объема или массы, плотностью, адсорбционной емкостью, хорошую способность к регенерации, иметь не высокую стоимость и быть изготовленным из доступных материалов.
Адсорбционные процессы носят циклический характер и предполагают периодическую регенерацию адсорбентов насыщенных целевыми компонентами.
Адсорбционная очистка может быть регенерированной, когда извлекаемые вещества утилизируются. В связи с этим для регенерации адсорбентов применяют методы:
· Экстрагирование органическими растворами;
· Изменение степени диссоциации слабых электролитов, с помощью которых производится десорбция;
· Отгонка десорбционного вещества с водяным паром;
· Испарение адсорбционного вещества током инертного газообразного теплоносителя;
В зависимости от метода различают:
- десорбцию термическую;
- вытеснительную;
- десорбцию со снижением давления.
Активные угли используют в качестве эффективных адсорбентов для извлечения свинца из атмосферного воздуха; Ca, Ba и Sr из концентрированных растворов щелочей, солей и других соединений; Cr, Mo и V из воды и рассолов ртутного электролиза. Как правило, определение элементов заканчивается непосредственно в концентрате: прямым сжиганием концентрата в канале спектрального угольного электрода или концентрат облучают потоком нейтронов или определяют элементы в концентрате рентгенофлуоресцентным методом. Окончание анализа может быть другим: после разложения адсорбента, содержащего сорбированные компоненты, действием азотной кислотой в полученном растворе компоненты определяют атомно-абсорбционным, спектрофотометрическим и другими методами.
Эффективность разделения и концентрирования может быть улучшена при добавлении в исследуемый раствор комплексообразующих веществ. Так, микроколичества Bi, Co, Cu, Fe, In, Pb при анализе металлического серебра и нитрата талия можно извлечь в виде устойчивых комплексов с ксиленоловым оранжевым сорбцией активным углем, помещенным в виде слоя на фильтр. Примеры приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Концентрирование микроэлементов в виде комплексов на активном угле
| Определяемый элемент | Объект анализа | Реагент | Особенности концентрирования | Метод определения |
| Ag,Сd,Co,Cu,In,Ni,Pb,Tl,Zn | Вольфрам | Диэтилдитио-карбаминат натрия | Десорбция азотной кислотой | Атомно-абсорбционный и рент-генофлуоресценгный |
| Ag,Bi,Сd,Co,Cu,In,Ni,Pb,Tl,Zn | Соли хрома(III) | Гексаметилен- дитиокарбаминат гексаме- тиленаммония | Сорбционный фильтр, десорбция HNO3 | Атомно- абсорбционный |
| Сd,Co,Cu, Pb | Водные растворы солей (NaС1,MgCl2, СаС12) | Дитизон, дифе- нилкарбазид. 8-оксихинолин, антраниловая кислота | Сорбционный фильтр, десорбция HNO3 | Атомно- абсорбиионный и атомно-эмнссионный |
| С<1, Со, Си, Сг, Ре, Н8, НГ, Мп, N1, РЬ, Яе, 2п, РЗЭ C | Природные воды | 8-Оксихинолин | Коэффициент концентрирования 1-Ю4 | Фотометрия, атомно- абсорбционный и рент- генофлуоресцентный, нейтронно-активационный и γ-активационный анализ |
2.Описание технологического процесса