Адсорбционные свойства

Адсорбция веществ на АУ в основном определяется дисперсионными силами, поэтому из смеси веществ АУ всегда будет преимущественно извлекать вещество с самой высокой молекулярной массой. Чем большее число атомов имеет молекула адсорбтива, тем с большей энергией она будет притягиваться к адсорбенту. Так в одних и тех же условиях С₃Н₈ будет поглощаться АУ в больших количествах, чем С₂Н₆; С₂Н₆>CH₄; C₂H₆>C₂H₄.

Для расчета адсорбции паров различных веществ на микропористых активных углях применяется уравнение Дубинина–Радушкевича:

, (1)

где а – величина адсорбции, г/г; W_o – предельный объем микропор в адсорбенте, см³/г; ρ_а – плотность адсорбата в адсорбированной фазе, г/см³; А – дифференциальная мольная работа адсорбции, кДж/моль, А = RT ln P_s/P; P_s и Р – давление насыщенного пара адсорбата при температуре Т (К) и давление пара адсорбата; β – коэффициент аффинности (подобия); Е ₀ – характеристическая энергия адсорбции стандартного пара, кДж/моль.

Адсорбция неполярных веществ не зависит от содержания кислых групп на углеродной поверхности. Но в целом поверхностные комплексы оказывают существенное влияние на адсорбционные свойства активированных углей. При адсорбции полярных веществ наблюдается сильная зависимость величины адсорбции от степени кислотности поверхностных функциональных групп.

Адсорбционные свойства активированных углей по отношению к парам воды в общем случае определяются химическим состоянием поверхности и структурой пор [13]. В области малых относительных давлений, Р/P _s в большей степени проявляется влияние химического состояния поверхности, в области больших Р/P_s, в которых происходит заполнение объемов микропор, – влияние факторов пористой структуры. Важнейшее свойство активированных углей – их гидрофобность – обусловлено, во-первых, тем, что дисперсионные силы взаимодействия молекул воды с углеродной поверхностью очень малы и, во-вторых, – небольшим содержанием оксидов на поверхности.

Начальные участки изотерм адсорбции паров воды активными углями (см. рис. 3) определяются ее адсорбцией на хемосорбированных углеродной поверхностью кислородсодержащих оксидах, которые являются первичными активными центрами (ПАЦ) для взаимодействия молекул воды с активированными углями.

Рис. 3. Изотермы адсорбции паров воды на активных углях

АРТ-1 при 20 ^оС:

1 − АРТ-1; 2 − АРТ-1 окисленный

Роль первичных адсорбционных центров наряду с кислотными группами могут играть и молекулы хемосорбированной углями воды. Молекулы воды, адсорбированные на ПАЦ, служат эффективными вторичными адсорбционными центрами и присоединяют другие молекулы воды за счет образования водородных связей. Это приводит к формированию вокруг ПАЦ кластеров из ассоциированных молекул Н₂О.

В связи с этим активированный уголь проявляет себя как гидрофобный адсорбент до относительных давлений паров воды ~ 0,6, при более высоких Р/P_s его способность адсорбировать воду резко увеличивается. По мере роста кластеры сливаются друг с другом, что приводит в итоге к заполнению всего адсорбционного объема микропор. Объем адсорбированной воды при Р/P_s = 0,9 примерно равен предельному объему микропор.

Зависимость изостерической теплоты адсорбции паров воды активными углями от величины адсорбции имеет характерную форму (см. рис. 4 [13]). В области малых заполнений теплоты адсорбции растут, причем их значение ниже теплоты конденсации паров воды, а при больших величинах адсорбции они постоянны и несколько выше теплоты конденсации паров воды.

Рис. 4. Зависимость изостерических теплот адсорбции

паров воды от величины адсорбции для активных углей:

1 – уголь из полимерного сырья; 2 – АГ

Поскольку адсорбция молекул воды на ПАЦ происходит за счет образования водородных связей, то теплота адсорбции определяется энергией образования одной водородной связи и энергией дисперсионного взаимодействия молекул воды с углеродной поверхностью. Тот факт, что теплоты адсорбции при этом ниже теплоты конденсации водяного пара свидетельствует об отсутствии взаимодействия адсорбированных молекул друг с другом.

При длительном хранении активированных углей протекает медленная хемосорбция молекул воды и кислорода воздуха, что приводит к увеличению числа ПАЦ и заметному росту адсорбции паров воды на этих углях. Тем не менее, насыщение угля влагой – процесс чрезвычайно медленный, поэтому во многих реальных технологических процессах присутствие влаги не оказывает влияния на извлечение какого-то конкретного вещества из газовой или жидкой среды.

Давно известна и широко применяется более стабильная модификация активного угля – окисленный уголь, образуемый при нагревании обычного активного угля при 400–450 ^оС в среде окислителя. Такие угли становятся гидрофильными. Свойства окисленных углей подробно описаны в монографии И.А. Тарковской [4].

Активные угли обладают каталитическими свойствами. Примером служит каталитическое окислении сероводорода до элементной серы кислородом на поверхности активированного угля. Органические соединения серы подвергаются окислению на поверхности активного угля в присутствии кислорода и аммиака, а продукты окисления задерживаются углем.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: