Лекция 06. Пористые адсорбенты

пористые тела относятся к дисперсным системам с твердой дисперсионной средой

и газообразной или жидкой дисперсной фазой.
Свободнодисперсные системы с твердой дисперсной фазой (порошки, суспензии) и пористые тела можно рассматривать как своеобразные обращенные системы. Если в системах первого типа твердым телом является дисперсная фаза, то в системах второго типа — дисперсионная среда.

9 9 3 г г. )
советский физико-химик,

академик АН СССР (1943),
Герой Социалистического Труда (1969). В 1921
окончил химический факультет МВТУ, ученик Н. А. Шилова.
С 1921 изучал адсорбцию растворённых веществ 
пористыми адсорбентами; открыл явление обращения адсорбционных рядов в результате молекулярно-ситового действия, образование кислых поверхностных окислов угля.

В 1930—46 разработал основы расчёта процессов адсорбции газов и паров из тока воздуха. Изучил пористую структуру адсорбентов, развил представления о разновидностях пор (микропоры, переходные поры и макропоры) и разработал методы определения их параметров. Дубининым создана теория адсорбции газов и паров микропористыми адсорбентами, разработаны методы расчёта адсорбционных равновесий в широких интервалахтемператур и давлений, а также способы получения адсорбентов с заданными параметрами пористой структуры.
  С 1946 заведующий отделом сорбционных процессов Института физической химии АН СССР. Государственная премия СССР (1942 и 1950). Награждён 2 орденами Ленина, 6 др. орденами, а также медалями.

200,0 нм, удельная поверхность макропористых тел находится в пределах 0,5

— 2 м2/г. В связи с тем, что такие поры намного больше адсорбируемых молекул, то их стенки по сравнению с молекулами можно рассматривать как ровные поверхности, поэтому для макропористых тел применима обобщенная теория адсорбции Ленгмюра. В адсорбентах и катализаторах макропоры играют роль транспортных каналов, и адсорбцией в них можно пренебречь.

или мезопористые) имеют размеры пор в пределах от 1,5 до

100,0 — 200,0 нм их удельная поверхность составляет от 10 до 500 м2/ г.
На стенках этих пор при малых давлениях происходит полимоkекулярная адсорбция паров, которая с увеличением давления заканчивается капиллярной конденсацией, Из промышленных адсорбентов и катализаторов к переходнопористым можно отнести силикагели, алюмогели, алюмосиликагели.

молекул. Радиусы пор лежат в пределах от 0,5 до 1,5

нм. Удельная поверхность таких тел 500—1000 м2 /г и выше.
Отличительной чертой микропор является настолько близкое расположение противоположных стенок, что их поля поверхностных сил перекрываются и они действуют во всем объеме микропор. К микропористым телам применима адсорбционная теория объемного заполнения микропор.
Суммарный объем микропор промышленных адсорбентов не превышает 0,5 см3 /г.
Подобно тому, как с повышением дисперсности суспензии переходят в золи, а затем в истинные растворы, макропористые тела с ростом дисперсности переходят в микропористые тела. Размеры пор становятся соизмери-мыми с размерами молекул, в этом случае представление о внутренней поверхности теряет физический смысл, как и для истинных растворов.

может давать твердый углеродный остаток – ископаемых углей, торфа, древесины,

ореховой скорлупы, фруктовых косточек и животных костей. Лучшими считаются угли, полученные из скорлупы кокосовых орехов и абрикосовых косточек.
Для повышения адсорбционной способности углеродных сорбентов их дополнительно активируют, выдерживая при повышенной температуре в присутствии паров воды и углекислого газа. В процессе активации выгорает смола, заполняющая поры углей, удельная поверхность адсорбента, а следовательно, и его адсорбционная способность, возрастают.
Удельная поверхность активированного угля, включая поверхность всех его пор, может достигать 1000 м2/г.
Углеродные сорбенты применяют для очистки воды, пищевых масс; очистки и разделения газов; в медицине.

Наиболее распространенные пористые сорбенты

это SiO2. Выпускается в виде пористых крупинок, удельная поверхность составляет

~ 500 м2/г.
Бентониты – предварительно активированные кислотой глины, применяют для очистки сиропов, соков, растительных масел.
Пористые стекла получают при удалении из стекол щелочных и щелочноземельных металлов.

при нагревании) – природные и синтетические алюмосиликатные материалы. Кристаллическая структура

их образована тетраэдрами [SiO4]4– и [AlO4]5–, объединенными общими вершинами в трехмерный каркас, пронизанный полостями и каналами, в которых находятся молекулы воды и катионы металлов I, II групп.
Цеолиты проявляют адсорбционные свойства после удаления воды из их полостей (при нагревании). Цеолиты различных марок имеют строго определенный размер входов в полости и каналы. Поэтому их называют еще «молекулярными ситами» за способность сорбировать лишь определенные компоненты.
Используются для выделения и очистки углеводородов нефти; очистки, осушки и разделения газов (в т.ч. воздуха); осушки фреонов; извлечения радиоактивных элементов.

тела является пористость — отношение объема пор к общему объему

тела

Экспериментальное определение плотности и пористости тел обычно проводят с помощью пикнометра. Для этого измеряют объем пикнометра массу пробы пористого тела и общую массу пористого тела и жидкости, смачивающей пористое тело в пикнометре

Для определения пористости и удельной поверхности пористых тел широко используются адсорбционные методы.

адсорбции газов непригоден.
Краевой угол смачивания твердой поверхности ртутью

равен примерно 140 градусов, поэтому требуется избыточное давление для ее вдавливания в поры и преодоление капиллярного давления.
Расчет (радиуса) размера пор проводят по уравнению Уошборна

Определяя давление, которое необходимо для вдавливания ртути в предварительно вакуумированное пористое тело и ее объем , можно рассчитать радиус и объем пор, принимая их форму цилиндрической.
Такой метод позволяет определить размер пор от 3,5 нм (заполняемых при постоянном давлении 200 МПа) до примерно 7,5 мкм (заполняемых при атмосферном давлении).

(Полани) – венгерско-английский физикохимик. Родился в Будапеште; окончил Будапештский университет

в 1913 г. со степенью доктора медицины. Изучал химию в Высшей технической школе в Карлсруэ. В 1914-1915 гг. – врач в австро-венгерской армии. С 1919 г. работал в Будапештском университете, в 1920-1933 гг. – в Институте физической химии кайзера Вильгельма в Берлине. В 1933-1958 гг. – профессор физики (до1948) и общественных наук в Манчестерском университете; в 1959-1961 гг. – в Оксфордском университете. В 1962 г. жил в США; в 1962-1963 гг. работал в Исследовательском центре в Пало-Альто (штат Калифорния), в 1964 г. – профессор теологии в университете Дюка в Дурхеме (штат Северная Каролина), в 1965-1966 гг. – в Уэслеянском университете в Миддлтауне (штат Коннектикут). Сын М. Поляни Джон Чарльз Поляни – лауреат Нобелевской премии по химии1986 г.

Потенциальная характеристическая кривая

адсорбции