АДСОРБЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЕ СТАДИИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

В процессе становления и развития технологии производства гексафторида урана, для утилизации остатков (следов) фтора, гексафторида урана, фтористого водорода применялись различные сорбенты. Лучше всех зарекомендовали себя: фтористый натрий, фтористый кальций, активированный уголь. В этом случае для извлечения полезных продуктов из так называемых «хвостов» используется процесс адсорбции.

Под адсорбцией принято понимать концентрирование газообразных веществ (адсорбатов) на поверхности твердых веществ (сорбентов). Количество адсорбируемого вещества зависит от давления или концентрации этого вещества. Чем выше давление или концентрация тем больше количество адсорбируемого вещества.

Если сорбент находится в постоянном соприкосновении с газом или раствором, то количество адсорбируемого вещества возрастает, а концентрация окружающих его молекул убывает до тех пор пока скорость десорбции не станет равной скорости адсорбции, т.е. пока не установится адсорбционное равновесие. Если концентрация газа увеличивается, то количество адсорбируемого вещества возрастает до нового равновесного значения. Если концентрация газа уменьшается, то сорбент будет отдавать адсорбированное вещество среде, пока вновь не установится адсорбционное равновесие.

В общем случае речь идет об установлении динамического равновесия между молекулами адсорбента на поверхности и в объеме газовой фазы.

Существуют два вида адсорбции – физическая и химическая. Главное их отличие состоит в природе сил, которые их вызывают. Природа сил вызывающих физическую адсорбцию, аналогична природе сил, которые вызывают конденсацию пара с образованием жидкости. Такие силы называют Ван-дер-ваальсовскими. Теплота, выделяющаяся в процессе физической адсорбции имеет тот же порядок, что и теплота конденсации пара (~ 10 – 40 кДж/моль). Как правило. Физическая адсорбция играет существенную роль тогда, когда температура газа понижается ниже критической, т.е. когда газ находится в виде пара. Физическая адсорбция сопровождается капиллярной конденсацией, т.е. переходом пара в жидкость при давлениях, меньших давления насыщенного пара. Сущность капиллярной конденсации в узких капиллярах, если жидкость смачивает их стенки, мениск всегда бывает вогнутым. В этом случае давление насыщенного пара (Р_нас ) будет более низким чем над плоской поверхностью.

формула Томпсона (137)

Давление насыщенного пара над плоской поверхностью всегда меньше, чем давление насыщенного пара над выпуклой поверхностью.

В результате пар, еще не достигший давления насыщения по отношению к плоской поверхности, может быть уже насыщенным (перенасыщенным) по отношению к жидкой фазе, находящейся в тонком капилляре и конденсироваться в них постепенно заполняя его (капиллярная конденсация). При наличие капиллярной конденсации изотерма адсорбции при приближении к Р_нас имеет изгиб вверх.

Давление пара Р_нас

Рисунок 33. Зависимость скорости адсорбции от давления пара.

Положение кривой зависит от характера пор адсорбента. Поэтому такой вид кривой адсорбции характерен для очень пористых веществ – активированного угля, цеолитов, силикагеля и т.д.[1]

Количество адсорбированного газа при физической адсорбции при Р = const уменьшается с повышением температуры и зависит от природы газа. Так с повышением температуры сжижения газа количество адсорбирующегося газа увеличивается. Однако скорость процесса физической адсорбции мало зависит от температуры, т.к. определяется скоростью диффузии. Энергия активации физической адсорбции мала – от 1 до 5 ккал/моль.