Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов

Адсорбцией называют концентрирование веществ на поверх­ности или в объеме микропор твердого тела. В процессе адсорб­ции участвуют, как минимум, два компонента. Твердое вещество, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, назы­вается адсорбтивом, а после того как оно перешло в адсорбиро­ванное состояние — адсорбатом. Любое твердое вещество обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом. Однако в технике используют твердые адсорбенты с сильной внутренней поверхностью. Развитие внутренней поверхности в твердом теле достигается путем создания специальных условий в процессе его синтеза или в результате дополнительной обработки.

Большинство промышленных адсорбентов отличается «ажурной» внутренней структурой, состоящей из пор различного размерa. При этом решающее влияние на адсорбционную способность и скорость поглощения оказывает содержание мелких пор в единице объема или массы адсорбента. В зависимости от размера поры подразделяются на три типа: микро-, переходные и макропоры. Иногда переходные поры называют мезопорами.

Все адсорбенты в соответствии с преобладающим размером пор подразделяют на три предельных структурных класса: макропористые, переходнопористые и микропористые. Подавляющее большинство промышленных адсорбентов, применяемых для очистки газов и рекуперации паров (активные угли, силикагели), держат широкую гамму пор различного размера.

Активный уголь — единственный гидрофобный из промышленных адсорбентов, и это качество предопределило широкое использование его для рекуперации паров, очистки газов и сточных вод.

По размеру и форме частиц активные угли подразделяют на гранулированные и порошкообразные. Гранулированные угли изготавливаются обычно в форме цилиндриков диаметром от 5 мм, причем высота цилиндрика всегда больше диаметра. Гранулированные угли применяются главным образом на установках со стационарным слоем адсорбента при очистке и разделении технологических потоков. Порошкообразные угли состоят из частиц величиной менее 0,15 мм. Их используют исключительно для очистки веществ в жидкой фазе контактным способом, например для очистки сточных вод.

Основные показатели активных углей приведены ниже:

Плотность гравиметрическая, г/см3

гранул 0,3-0,6

порошка 0,2-0,4

кажущаяся гранул 0,6-0,9

истинная 1,9-2,1

Теплоемкость сухого угля

кДж/(кг К) 0,84

ккал/(кГ °С) 0,2

Теплопроводность (при 30 °С)

Вт/(м-К) 0,17—0,28

ккал/(м ч °С) 0,15—0,24

В зависимости от назначения угли подразделяются на газовые и осветляющие, отличающиеся характерной структурой пор.

Газовые угли — микропористые, они предназначены для улавливания относительно плохо сорбирующихся компонентов (например, этилена) или паров, присутствующих в газах в небольшой концентрации. Кроме того, этот сорт углей может быть применен и для глубокой очистки воды от примесей веществ с небольшим размером молекул, например фенолов. В отечественной промышленности широко используются газовые угли типа СКТ. Они обладают большим объемом микропор (0,45—0,60 см3/г) и умеренно развитой переходной пористостью, обеспечивающей интенсивность.

Осветляющие угли предназначены для поглощения относительно крупных молекул или микросуспензий из жидких сред. Они отличаются развитой переходной пористостью, удельная поверхность переходных пор составляет в среднем 150 м2/г.

Адсорбционная способность слоя адсорбента ад характеризует количество вещества, поглощенного до момента «проскока» и отнесенное к массе загрузок всего адсорбера. Отношение динамической адсорбционной способности слоя к равновесной ад­сорбционной способности адсорбента называют степенью использования ад­сорбционной емкости слоя a.. Следо­вательно

a = ад/ар

С другой стороны, a определяется соотношением высоты слоя адсорбента L и высоты работающего слоя Lр:

a = (L-jLр)/L

При проектировании рекуперационных установок следует стремиться размеры адсорбера подбирать таким образом, чтобы величина a была не ме­нее 0,8.

Между временем защитного действия слоя (временем до «проскока» поглощаемого ве­щества) tпp и длиной адсорбера обычно существует строгая за­висимость, определяемая формулой Шилова:

tпр = kL-t0

где k - коэффициент защитного действия, показывающий, сколько времени за­держивает 1 см слоя адсорбента в условиях стационарного режима поглощае­мое вещество;

t0 – потеря времени защитного действия, связанная с начальным периодом формирования кривой распределения адсорбата.

Коэффициент защитного действия является обратной величиной скорости движения адсорбционной волны:

k = l/U

Величину работающего слоя Lр часто определяют по выходной кривой, отражающей нарастание концентрации примеси за слоем адсорбента во времени. Для этого используют формулу Майклса и Требла:

где ∆t - разность времени между появлением максимальной (равновесной) и проскоковой концентраций за сдоем;

tp - время появления максимальной концентрации;

j - фактор симметричности выходных кривых, связанный с недонасыщением концевого слоя адсорбера в стадии рекуперации.

Отрицательной особенностью активного угля как адсорбента является его горючесть. В воздушной атмосфере окисление углей начинается при температурах выше 250°С. Однако известны слу­чаи пожаров на углеабсорбционных установках при более низких температурах.. Загорание пирофор­ных соединений происходит при относительно низких температу­рах, и в слое они являются очагами воспламенения всей массы угля. Чтобы уменьшить пожароопасность, к углю при его изготов­лении иногда добавляют до 5% силикагеля. Такой адсорбент называют силикарбоном.