3. Поверхностные явления. Адсорбция
3.1. Движущие силы адсорбции
До сих пор мы рассматривали межфазные равновесия и распределения компонентов между фазами. А что происходит на межфазных границах?
Адсорбция – самопроизвольное концентрирование вещества на межфазной границе. Движущая сила процесса адсорбции – нескомпенсированность межмолекулярных взаимодействий на границе фаз по сравнению с таковыми внутри объема фаз. Если химические (ковалентные) связи на границе фаз не образуются, то межмолекулярными взаимодействиями, ответственными за адсорбцию, могут быть водородные связи, ион-дипольные, диполь-дипольные, индукционные, дисперсионные (вспомните общую химию и воспользуйтесь дополнительной литературой [2, 3]).
В результате нескомпенсированности межмолекулярных взаимодействий обязательно возникает избыточная поверхностная энергия Гиббса:
GS = ,
1)где , – площадь поверхности раздела фаз (м2), – избыточная удельная поверхностная энергия (Дж/м2).
Самопроизвольно в многофазной системе могут идти только процессы с уменьшением этой энергии (ΔGS < 0). Поэтому возможны две группы явлений на межфазных границах:
1) При = const условие ΔGS = Δ < 0 выполнимо при уменьшении площади межфазной границы: Δ < 0. Образование, устойчивость и особые свойства систем с большой общей поверхностью раздела фаз (дисперсных систем) рассмотрим в курсе коллоидной химии)
2) При = const условие ΔGS = Δ < 0 выполняется, если понижается избыточная удельная межфазная энергия: Δ < 0.
Величина
,
как и силы межмолекулярного взаимодействия,
зависит от природы молекул, находящихся
в поверхностном слое.
Поэтому
самопроизвольно на поверхность будут
стремиться “попасть” молекулы,
характеризующиеся наиболее слабыми
межмолекулярными взаимодействиями.
Это означает, что концентрация таких
молекул в объеме окажется меньше, чем
на поверхности, т.е. будет протекать
адсорбция молекул в поверхностном слое.
Значительную роль при адсорбции играет также геометрия поверхности раздела фаз. В курсе физической химии рассмотрим случай открытой плоской поверхности. Случай искривленной поверхности (например, адсорбция в порах твердого тела или на мельчайших частицах твердой фазы) приводит к зависимости термодинамических характеристик системы от радиуса кривизны поверхности раздела фаз (от размера пор; от размера частиц твердой фазы или размера капель жидкой фазы, распределенных в другой фазе). Такие системы, а также явления на границе раздела трех соприкасающихся фаз (твердой, жидкой и газообразной) будут рассматриваться в курсе коллоидной химии.
3.2. Адсорбция на границе раздела жидкой и газообразной фаз.
Поверхностно-активные вещества (пав)Избыточную удельную поверхностную энергию на границе жидкость (раствор) – газ (воздух) принято называть поверхностным натяжением жидкости (ее размерность в системе СИ Дж/м2=Н/м).
Рассмотрим зависимости раствора от концентрации растворенного вещества (с). С увеличением концентрации водного раствора может либо убывать (растворенные вещества в этом случае называются поверхностно-активными, ПАВ), либо возрастать (такие вещества являются поверхностно-инактивными, ПИАВ).
Количественно обе зависимости описываются адсорбционной формулой Гиббса:
, (3.2)
где
Г – избыток вещества на межфазной
границе, т.е. на поверхности жидкости
(т.н. Гиббсовская адсорбция, моль/м2)
по сравнению с объемом раствора, с – концентрация растворенного вещества
(моль/л), (dσ / dc)
– поверхностная
активность.
Для водных растворов ПАВ (dσ / dc)<0 и Г>0 (положительная адсорбция), для водных растворов ПИАВ (dσ / dc)>0 и Г<0 (отрицательная адсорбция).
Разница в поведении ПАВ и ПИАВ обусловлена их строением. Для водных растворов поверхностно-активными являются дифильные молекулы, содержащие полярную головку и неполярный «хвост» (алифатический радикал). Схема строения молекулы ПАВ показана на рис. 3.1.
Поверхностно-инактивными веществами являются сильные электролиты, диссоциирующие в водном растворе на ионы.
На
границе полярной (вода) и неполярной
(воздух) фаз молекулы ПАВ и ПИАВ ведут
себя по-разному. ПАВ – концентрируется,
ориентируясь полярной головкой в
полярную фазу (воду), а «хвостом» – в
неполярную (воздух), поскольку именно
в этом случае σ
и Gs понижаются.
ПИАВ, более полярные, чем вода, вообще
«не хотят» выходить на поверхность.
На рис. 3.2 приведена зависимость удельной поверхностной энергии (поверхностного натяжения) водного раствора ПАВ от его концентрации и показано состояние поверхностного слоя раствора при разных концентрациях ПАВ.
Рис. 3.2. Зависимость удельной поверхностной энергии водного раствора ПАВ от его концентрации и изменение состояния поверхностного слоя (при постоянной температуре)
По мере увеличения концентрации ПАВ в растворе растет его концентрация в поверхностном слое и уменьшается поверхностная энергия. При полном заполнении поверхностного слоя молекулами ПАВ (образовании мономолекулярного слоя из таких молекул) зависимость σ от концентрации ПАВ исчезает.
Движущая сила – процесс – адсорбция
Cтраница 1
Определение числа ступеней изменения концентрации.
[1] |
Движущая сила процесса адсорбции определяется при данной величине адсорбции а. Поскольку движущая сила в процессе адсорбции изменяется по высоте аппарата, вводится понятие о средней движущей силе процесса Асср. [2]
Что является движущей силой процесса адсорбции
Что является движущей силой процессов адсорбции. [4]
Что является движущей силой процесса адсорбции на любой тарелке адсорбера. [5]
После построения рабочих линий движущую силу процесса адсорбции находят обычным путем – или определением числа ступеней изменения концентраций, или подсчетом общего числа единиц переноса. [6]
По уравнению (24.7) рассчитывают движущую силу процесса адсорбции на выходе из адсорбера. [7]
Кроме принятого в этой работе выражения для движущей силы процесса адсорбции, разностью каких двух других величин она может быть выражена.
[8]
Кроме принятого в этой работе выражения для движущей силы процесса адсорбции разностью каких двух других величин она также может быть выражена. [9]
| Расрределение адсорбата в неподвижной ( а и подвижной ( б фйзах при движений потока раствора через неподвижный слой адсорбента ( кривые 6 7 отражают параллельн ый перенос фронта адсорбционной волны вдоль слоя. [10] |
Новые порции потока газа-носителя или раствора при поступлении в слой встречаются с зернами адсорбента, в порах которых уже есть ранее поглощенное вещество. В результате того, что движущая сила процесса адсорбции ( ао – а () уменьшается с ростом щ, скорость адсорбции падает и процесс снижения концентрации вещества в потоке от Со до О заканчивается на большем расстоянии от начала слоя. [11]
Распределение адсорбата в неподвижной ( а и подвижной ( б фазах при движении потока раствора через неподвижный слой адсорбента ( кривые 6, 7 отражают параллельный перенос фронта адсорбционной волны вдоль слоя. |
Новые порции потока газа-носителя или раствора при поступлении в слой встречаются с зернами адсорбента, в порах которых уже есть ранее поглощенное вещество. В результате того, что движущая сила процесса адсорбции ( а0 – а /) уменьшается с ростом а, скорость адсорбции падает и процесс снижения концентрации вещества в потоке от С0 до О заканчивается на большем расстоянии от начала слоя. [13]
Для заданных значений F, W и Р и их составов при неизменной скорости адсорбента движущая сила процесса адсорбции постоянна. [14]
В тех случаях, когда необходимо осушать газ до точки росы заметно ниже – 40 С ( например на заводах сжижения), рекомендуется влагоемкость адсорбентов принимать несколько меньшей приведенной. Это связано с тем, что массообмен между газом и адсорбентом в концевой части слоя ухудшается из-за уменьшения движущей силы процесса адсорбции. [15]
Страницы: 1
Описание: Рисунок 4-43: Типичная система адсорбции/абсорбции Механизмы адсорбции обычно классифицируются как
физическая адсорбция, хемосорбция или электростатическая адсорбция. наиболее распространенным адсорбентом является гранулированный активированный уголь (ГАУ) (технология Профиль № 4.46). Другие природные и синтетические адсорбенты включают: активированный оксид алюминия, кормовая губка, адсорбция лигнина, сорбционные глины и синтетические смолы. Активированный оксид алюминия Активированный оксид алюминия представляет собой фильтрующий материал, изготовленный путем обработки алюминиевой руды, чтобы она стала
пористый и обладает высокой адсорбционной способностью. Кормовая губка Кормовая губка представляет собой целлюлозную губку с открытыми порами, в состав которой входит аминсодержащий хелатирующий полимер, избирательно поглощающий растворенные тяжелые металлы. полимер тесно связаны с целлюлозой, чтобы свести к минимуму физическое отделение от поддерживающая матрица. Функциональные группы в полимере (т.е. аминогруппы и карбоксильные группы) обеспечивают селективное сродство к тяжелым металлам как в катионном, так и в анионном состоянии, преимущественно образуя комплексы с тяжелыми металлами переходной группы. Адсорбционная/сорбционная глина лигнина Адсорбционно-сорбционные глины лигнина используются для очистки водных потоков сточных вод с органическими,
загрязнение неорганическими и тяжелыми металлами. Синтетические смолы Синтетические смолы дороже, чем GAC, но могут быть разработаны для достижения более высокой степени селективности и адсорбционной способности по определенным соединениям, чем активированный углерод. Смолы обычно регенерируют с использованием кислот, оснований или органических растворителей. термических методов, поэтому они лучше подходят для термически нестабильных соединений, таких как взрывчатые вещества и устойчивы к дезактивации за счет адсорбции растворенных твердых веществ. Кроме того, смолы более устойчивы к истиранию, чем активированный уголь. увеличение срока их службы. | |
Синонимы: Жидкофазная адсорбция. | |
Применимость: Целевыми группами загрязняющих веществ для процессов адсорбции/абсорбции являются большинство органических загрязнителей и отдельные неорганические загрязнители из жидких и газовых потоков. Активированный оксид алюминия может удалять фторид и тяжелые металлы. Губка-фуражир специально
используется для удаления тяжелых металлов. Адсорбционно-сорбционные глины лигнина очищают органические, неорганические и
загрязнение тяжелыми металлами водных стоков. Синтетические смолы лучше.
подходит для термически нестабильных соединений, таких как взрывчатые вещества, чем GAC, из-за
Требования к нетермической регенерации. | |
Ограничения: Факторы, которые могут ограничивать применимость и эффективность этих процессы включают:
| |
Потребность в данных: Подробное обсуждение элементов данных представлено в подразделе 2.2.2. (Требования к данным для грунтовых вод, поверхностных вод и фильтрата). | |
Данные производительности: Процессы адсорбции/абсорбции имеют долгую историю использования в качестве лечения для бытовых, промышленных и опасных отходов. Понятия, теория и инженерные аспекты технологий хорошо проработаны. Это проверенные технологии с документально подтвержденными данными о производительности. | |
Стоимость: Стоимость очистки грунтовых вод, загрязненных тяжелыми металлами, в течение одного года период использования технологии Forager Sponge оценивается в 340 долларов США за 1000 галлонов, если предположить, что губки не регенерируются и заменяются при насыщении; или 238 долларов за 1000 галлонов, при условии, что губки регенерируются дважды, что обеспечивает три полезных цикла обработки. Затраты на другие адсорбционные процессы недоступны. | |
Каталожные номера: Тезисы
Remediation Case Studies, том 4, июнь 2000 г., EPA.
542-Р-00-006 Райнер, Н., 1995. «Губка-фуражер, описание технологии» , . Дайнафон, Инк. Ассоциация качества воды, 1994 г. | |
Информация о сайте:
Контактные лица: Общие контакты агентства FRTR Специализированный веб-сайт технологии: Правительственные веб-сайты Негосударственные веб-сайты Информация о продавце: Список поставщиков, предлагающих
Физическая/химическая очистка воды ex-situ доступна в Агентстве по охране окружающей среды. Правительственная оговорка Здоровье и безопасность: Анализ опасностей |
Слабые молекулярные силы,
такие как силы Ван-дер-Ваальса, обеспечивают движущую силу физической адсорбции, в то время как
химическая реакция образует химическую связь между соединением и поверхностью твердого тела
при хемосорбции. Электростатическая адсорбция включает адсорбцию ионов через
кулоновских сил, и обычно называется ионным обменом, к которому обращаются
отдельно в ионообменных модулях. В жидкостях взаимодействие между растворенным веществом и
растворитель также играет важную роль в установлении степени адсорбции.
Активированный оксид алюминия удалит различные загрязнения,
в том числе чрезмерное содержание фтора, мышьяка и селена. Среда требует периодической очистки
с соответствующим регенерантом, таким как квасцы или кислота, чтобы сохранить эффективность.
Поток отходов обрабатывается за счет молекулярного
Адгезия загрязнений к адсорбирующей поверхности.
«Очистка воды, которую мы пьем, когда и
Где мы это пьем.», Технический обзор WaterReview , Том 9, № 4.
REACH IT, который объединяет информацию из трех установленных баз данных EPA,
Информационная система поставщиков инновационных технологий лечения (VISITT),
Система полевых аналитических и характеризационных технологий (Vendor
FACTS) и Инновационные технологии лечения (ITT), чтобы предоставить пользователям доступ к
исчерпывающая информация о технологиях обработки и характеристики и
их приложения.Лиофобность может не быть основной движущей силой длинноцепочечных ПАВ от объемной фазы к границе раздела
Лиофобность может не быть основной движущей силой длинноцепочечных ПАВ от объемной фазы к границе раздела
Юаньчжэнь Лян, ab Си Чжан, † аб Вэй Ву, аб Фанъюань Ян, ab Вэй Ган, * ак Ханчжун Джиа, * и Шунли Чен, акр Сюэфэн Чжу и и Цюньхуэй Юань* д Принадлежности автора* Соответствующие авторы
и Лаборатория экологических наук и технологий, Синьцзянский технический институт физики и химии, Ключевая лаборатория функциональных материалов и устройств для особых сред, Китайская академия наук, Урумчи 830011, Китай
Электронная почта: jiahz@ms.
xjb.ac.cn
б Университет Китайской академии наук, Пекин 100049, Китай
в Школа наук, Харбинский технологический институт (Шэньчжэнь), Университетский городок, Шэньчжэнь 518055, Китай
Электронная почта: [email protected]
д Школа материаловедения, Харбинский технологический институт (Шэньчжэнь), Университетский городок, Шэньчжэнь 518055, Китай
Электронная почта: yuanqunhui@hit.
edu.cn
Аннотация
В соответствии с правилом Траубе, поверхностно-активное вещество с более длинной алкановой цепью более гидрофобно, поэтому его склонность к переходу от полярного растворителя к менее полярной границе раздела выше. В данной работе мы вновь обратились к этой теме, изучив адсорбцию солей четвертичного аммония и карбоновых кислот с различной длиной цепи алканов на границе раздела гексадекан–вода. Свободные энергии адсорбции поверхностно-активных веществ на этой границе масло–вода из полярной (водный раствор) или неполярной фазы (гексадекан) оценивались по измерениям генерации второй гармоники. Изменение свободных энергий на метиленовую группу в объемной фазе, на границе масло-вода и воздух-вода показало, что существуют разные взаимодействия между алкановыми цепями ПАВ в разных средах. Межцепное взаимодействие на границе гексадекан–вода ниже, чем на границе воздух–вода.