§ 2.4.1. Адсорбция газов и паров

Адсорбционные процессы изучаются по кривым адсорбции, устанавливающим зависимость между тремя основными величинами: количеством поглощенного газа а, равновесным, давлением р и температурой Т. Различают три основных типа кривых адсорбции: изотерма a — F(p) при r=const, изобара a = F(T) при p=const и изостера p = F(t) при a=const. Чаще всего пользуются изотермами адсорбции, которые легче всего получить или проверить экспериментальным путем.

На рис. 2.8 показана условная модель многослойной адсорбции. Молекулы адсорбированы на поверхности в несколько слоев.

Для облегчения расчета свободной поверхности все молекулы условно сдвинуты вправо.

Уравнение полимолекулярной адсорбции было получено Брунауэром, Эмметом и Тейлором и известно под названием уравнения БЭТ:

где а — количество адсорбата на единице поверхности адсорбента; ат — количество адсорбата, необходимого для мономолекулярного покрытия адсорбента; р —равновесное давление в газовой фазе; рТ — давление насыщенных паров адсорбата при температуре Т, К; С — константа, зависящая от разности теплот адсорбции Qa и конденсации Е; C=exp[(Qa—E)/(RT)]; R — универсальная газовая постоянная.

Теплоты адсорбции и конденсации некоторых газов приведены в табл. 2.2.

Уравнение (2.17) при Q_a>E дает S-образную изотерму адсорбции (рис. 2.9, а), а при Q_a≤Е — островковую изотерму адсорбции (рис. 2.9, б). При островковой изотерме адсорбции поглощение молекул газа на занятой поверхности более вероятно, чем на свободной. Это приводит к образованию на поверхности многослойных участков поглощенного газа.

Для очень низких давлений р<р_т/С S-образная изотерма переходит в линейную (рис. 2.10, а) и описывается уравнением Генри

где Ъ — постоянная, зависящая от температуры; Ь — С/р_т.

  Для низких давлений p<Е_pT S-образная изотерма дает изотерму мономолекулярной адсорбции (рис. 2.10, б)

Уравнение (2.19) известно под названием уравнения Ленгмюра и характерно для хемосорбционных процессов.

На рис. 2.11 показана изотерма (Т=293 К) паров вакуумного масла, имеющего Q_a = 96-10⁶ Дж/кмоль, Е=96-10⁶ Дж/кмоль и давление насыщенного пара при комнатной температуре Рт=10^-5 Па. Изотерма рассчитана по уравнению (2.17).

Уравнение (2.17) при a=G/A можно преобразовать к виду

  где G — общее количество адсорбированного газа; А —полная поверхность адсорбента.  

Обрабатывая экспериментальные данные G=f(p) в координатах

и р/р_т, относительно которых записанное уравнение линейно, можно найти две константы: А и С.

Константа С позволяет по известной теплоте конденсации рассчитать теплоту адсорбции.