Адсорбция

Не путать с поглощением .

См. также: Физисорбция , Хемосорбция и сегрегация (материаловедение).

многослойной адсорбции Брунауэра, Эммета и Теллера Модель представляет собой случайное распределение молекул на поверхности материала.

Адсорбция – это адгезия атомов на , ионов или молекул из газа, жидкости или растворенного твердого тела поверхность . Этот процесс создает пленку адсорбата на поверхности адсорбента . Этот процесс отличается от абсорбции , при котором жидкость ( абсорбат ) растворяется или проникает в жидкость или твердое вещество ( абсорбент ). Хотя адсорбция часто предшествует абсорбции, которая включает перенос абсорбата в объем абсорбирующего материала, альтернативно, адсорбция представляет собой явно поверхностное явление, при котором адсорбат не проникает через поверхность материала в объем адсорбента. Термин «сорбция» включает в себя как адсорбцию, так и абсорбцию, а десорбция — это процесс, обратный сорбции.

ИЮПАК определение

Адсорбция : Увеличение концентрации растворенного вещества на границе раздела конденсированной и жидкой фаз за счет действия поверхностных сил. Адсорбция может происходить и на границе раздела конденсированной и газовой фаз.

Подобно поверхностному натяжению , адсорбция является следствием поверхностной энергии . В объемном материале все требования к связи (будь то ионные , ковалентные или металлические ) составляющих атомов материала выполняются другими атомами в материале. Однако атомы на поверхности адсорбента не полностью окружены другими атомами адсорбента и поэтому могут притягивать адсорбаты. Точный характер связи зависит от особенностей участвующих веществ, но процесс адсорбции обычно классифицируется как физисорбция (характерная для слабых сил Ван-дер-Ваальса ) или хемосорбция (характерная для ковалентной связи). Это также может произойти из-за электростатического притяжения. Характер адсорбции может влиять на структуру адсорбированных частиц. Например, физическая адсорбция полимера из раствора может привести к сплющиванию структур на поверхности.

Адсорбция присутствует во многих природных, физических, биологических и химических системах и широко используется в промышленных целях, таких как гетерогенные катализаторы , активированный уголь , улавливание и использование отходящего тепла для обеспечения холодной водой для кондиционирования воздуха и других технологических нужд ( адсорбционные охладители ), синтетические смолы , увеличение емкости хранения углерода, полученного из карбидов , и очистка воды . Адсорбция, ионный обмен и хроматография — это сорбционные процессы, при которых определенные адсорбаты избирательно переносятся из жидкой фазы на поверхность нерастворимых, жестких частиц, суспендированных в сосуде или упакованных в колонке. Применение в фармацевтической промышленности, в котором адсорбция используется как средство продления неврологического воздействия конкретных лекарств или их частей. менее известны.

Слово «адсорбция» было предложено в 1881 году немецким физиком Генрихом Кайзером (1853–1940).

Изотермы

Адсорбцию газов и растворенных веществ обычно описывают с помощью изотерм, то есть количества адсорбата на адсорбенте в зависимости от его давления (если газ) или концентрации (для растворенных веществ в жидкой фазе) при постоянной температуре. Адсорбированное количество почти всегда нормируется по массе адсорбента, чтобы можно было сравнивать различные материалы. На сегодняшний день разработано 15 различных моделей изотерм.

Дружелюбно

Основная статья: уравнение Фрейндлиха

Первая математическая аппроксимация изотермы была опубликована Фрейндлихом и Кустером (1906) и представляет собой чисто эмпирическую формулу для газообразных адсорбатов:

${\frac {x}{m}}=kP^{1/n},$

где $x$ – масса адсорбированного адсорбата, $m$ – масса адсорбента, $P$ - давление адсорбата (его можно изменить на концентрацию, если исследуется раствор, а не газ), и $k$ и $n$ – эмпирические константы для каждой пары адсорбент–адсорбат при данной температуре. Эта функция неадекватна при очень высоком давлении, поскольку на самом деле $x/m$ имеет асимптотический максимум при неограниченном увеличении давления. С ростом температуры константы $k$ и $n$ Изменение отражает эмпирическое наблюдение о том, что адсорбированное количество увеличивается медленнее и для насыщения поверхности требуется более высокое давление.

Ленгмюр

Смотрите также: уравнение Ленгмюра

Ирвинг Ленгмюр был первым, кто вывел научно обоснованную изотерму адсорбции в 1918 году. Модель применима к газам, адсорбированным на твердых поверхностях. Это полуэмпирическая изотерма, имеющая кинетическую основу и полученная на основе статистической термодинамики. Это наиболее распространенное уравнение изотермы из-за его простоты и способности соответствовать различным данным адсорбции. Он основан на четырех предположениях:

1. Все центры адсорбции эквивалентны, и каждый сайт может вместить только одну молекулу.
2. Поверхность энергетически однородна, адсорбированные молекулы не взаимодействуют.
3. нет Фазовых переходов .
4. При максимальной адсорбции образуется только монослой. Адсорбция происходит только на локализованных участках поверхности, а не на других адсорбатах.

Эти четыре предположения редко бывают верными: на поверхности всегда есть дефекты, адсорбированные молекулы не обязательно инертны, и механизм адсорбции первых молекул на поверхность явно не один и тот же, что и для последних. Четвертое условие является наиболее неприятным, поскольку зачастую на монослое адсорбируется больше молекул; эта проблема решается с помощью изотермы БЭТ для относительно плоских (немикропористых ) поверхностей. Тем не менее, изотерма Ленгмюра является первым выбором для большинства моделей адсорбции и имеет множество применений в поверхностной кинетике (обычно называемой кинетикой Ленгмюра-Хиншельвуда ) и термодинамике .

Ленгмюр предположил, что адсорбция происходит по такому механизму: $A_{\text{g}}+S\rightleftharpoons AS$, где A — молекула газа, а S — центр адсорбции. Прямая и обратная константы скорости равны k и k ₋₁ . Если мы определим покрытие поверхности, $\theta$, как доля занятых мест адсорбции, в равновесии имеем:

$K={\frac {k}{k_{-1}}}={\frac {\theta }{(1-\theta )P}},$

или

$\theta ={\frac {KP}{1+KP}},$

где $P$ — парциальное давление газа или молярная концентрация раствора.Для очень низкого давления $\theta \approx KP$, и для высоких давлений $\theta \approx 1$.

Стоимость $\theta$ трудно измерить экспериментально; обычно адсорбат представляет собой газ, а адсорбированное количество указывается в молях, граммах или объемах газа при стандартной температуре и давлении (STP) на грамм адсорбента. Если назвать v _mon СТП-объемом адсорбата, необходимым для образования монослоя на адсорбенте (на грамм адсорбента), то $\theta ={\frac {v}{v_{\text{mon}}}}$, и получим выражение для прямой:

${\frac {1}{v}}={\frac {1}{Kv_{\text{mon}}}}{\frac {1}{P}}+{\frac {1}{v_{\text{mon}}}}.$

его наклон и точку пересечения y мы можем получить vmon _Через и K , которые являются константами для каждой пары адсорбент-адсорбат при данной температуре. v _mon связано с количеством мест адсорбции по закону идеального газа . Если предположить, что число центров — это просто вся площадь твердого тела, разделенная на поперечное сечение молекул адсорбата, мы легко вычислим площадь поверхности адсорбента.Площадь поверхности адсорбента зависит от его структуры: чем больше в нем пор, тем больше площадь, что оказывает большое влияние на реакции на поверхности .

Если на поверхности адсорбируется более одного газа, определим $\theta _{E}$ как доля пустых сайтов, и мы имеем:

$\theta _{E}={\dfrac {1}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}}.$

Также мы можем определить $\theta _{j}$ как доля узлов, занятых j -м газом:

$\theta _{j}={\dfrac {K_{j}P_{j}}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}},$

где i — каждый из адсорбируемых газов.

Примечание:

1) Чтобы сделать выбор между уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха, необходимо исследовать энтальпии адсорбции. В то время как модель Ленгмюра предполагает, что энергия адсорбции остается постоянной в зависимости от занятости поверхности, уравнение Фрейндлиха выводится с предположением, что теплота адсорбции постоянно уменьшается по мере заполнения мест связывания. Выбор модели, основанной на наилучшем приближении данных, является распространенным заблуждением.

2) Использование линеаризованной формы модели Ленгмюра больше не является распространенной практикой. Достижения в вычислительной мощности позволили выполнять нелинейную регрессию быстро и с большей уверенностью, поскольку преобразование данных не требуется.

НО

Основная статья: Теория СТАВКИ

Часто молекулы образуют многослойные слои, то есть некоторые из них адсорбируются на уже адсорбированных молекулах, и изотерма Ленгмюра недействительна. В 1938 году Стивен Брунауэр , Пол Эммет и Эдвард Теллер разработали модель изотермы, учитывающую эту возможность. Их теория называется теорией БЭТ , по инициалам их фамилий. Они модифицировали механизм Ленгмюра следующим образом:

А _(ж) +С ⇌ АС,

А _(г) + АС ⇌ А ₂ S,

А ₎ +А2С _⇌А3С и _{( г} так далее.

Изотермы Ленгмюра (синий) и БЭТ (красный).

Вывод формулы сложнее, чем у Ленгмюра (полный вывод см. по ссылкам). Мы получаем:

${\frac {x}{v(1-x)}}={\frac {1}{v_{\text{mon}}c}}+{\frac {x(c-1)}{v_{\text{mon}}c}},$

где x — давление, разделенное на давление паров адсорбата при этой температуре (обычно обозначаемое $P/P_{0}$), v — объем STP адсорбированного адсорбата, v _mon — объем STP количества адсорбата, необходимого для образования монослоя, а c — константа равновесия K, которую мы использовали в изотерме Ленгмюра, умноженная на давление паров адсорбата. Ключевое предположение, использованное при выводе уравнения БЭТ, состоит в том, что последовательные теплоты адсорбции для всех слоев, кроме первого, равны теплоте конденсации адсорбата.

Изотерма Ленгмюра обычно лучше подходит для хемосорбции, а изотерма БЭТ лучше подходит для физической адсорбции на немикропористых поверхностях.

Кислюк

Две молекулы азота-адсорбата адсорбируются на вольфрамовом адсорбенте из состояния предшественника вокруг островка ранее адсорбированного адсорбата (слева) и посредством случайной адсорбции (справа)

В других случаях молекулярные взаимодействия между молекулами газа, ранее адсорбированными на твердой поверхности, образуют значительные взаимодействия с молекулами газа в газовых фазах. Следовательно, адсорбция молекул газа на поверхности с большей вероятностью будет происходить вокруг молекул газа, которые уже присутствуют на твердой поверхности, что делает изотерму адсорбции Ленгмюра неэффективной для целей моделирования. Этот эффект был изучен в системе, где адсорбатом был азот, а адсорбентом вольфрам, Павел Кислюк (1922–2008) в 1957 году. Чтобы компенсировать повышенную вероятность адсорбции вокруг молекул, присутствующих на поверхности подложки, Кислюк разработал теорию состояния-предшественника, согласно которой молекулы переходят в состояние-предшественник на границе между твердым адсорбентом и адсорбатом в газовой фазе. Отсюда молекулы адсорбата либо адсорбируются на адсорбенте, либо десорбируются в газовую фазу. Вероятность адсорбции, происходящей из состояния предшественника, зависит от близости адсорбата к другим молекулам адсорбата, которые уже адсорбировались. Если молекула адсорбата в состоянии-предшественнике находится в непосредственной близости от молекулы адсорбата, которая уже образовалась на поверхности, она имеет вероятность прилипания, отражаемую размером константы SE _, и либо будет адсорбироваться из состояния-предшественника со скоростью k или будет _EC десорбироваться в газовую фазу со скоростью k _ES . Если молекула адсорбата переходит в состояние предшественника в месте, удаленном от любых других ранее адсорбированных молекул адсорбата, вероятность прилипания отражается размером S _Д постоянная.

Эти факторы были включены как часть единой константы, называемой «коэффициентом прилипания», k _E , описанной ниже:

$k_{\text{E}}={\frac {S_{\text{E}}}{k_{\text{ES}}S_{\text{D}}}}.$

Поскольку SD _{определяется} факторами, которые учитываются в модели Ленгмюра, SD _можно принять за константу скорости адсорбции. Однако константа скорости модели Кислюка ( R ') отличается от константы скорости модели Ленгмюра, поскольку R ' используется для представления влияния диффузии на образование монослоя и пропорциональна квадратному корню из коэффициента диффузии системы. Изотерма адсорбции Кислюка записывается следующим образом, где θ _{( t )} — фракционное покрытие адсорбента адсорбатом, а t — время погружения:

${\frac {d\theta _{(t)}}{dt}}=R'(1-\theta )(1+k_{\text{E}}\theta ).$

Решение для θ _{( t )} дает:

$\theta _{(t)}={\frac {1-e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}{1+k_{\text{E}}e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}}.$

Энтальпия адсорбции

Константы адсорбции являются константами равновесия , поэтому подчиняются уравнению Ван'т-Гоффа :

$\left({\frac {\partial \ln K}{\partial {\frac {1}{T}}}}\right)_{\theta }=-{\frac {\Delta H}{R}}.$

Как видно из формулы, изменение K должно быть изостерическим, то есть при постоянном покрытии.Если мы начнем с изотермы БЭТ и предположим, что изменение энтропии одинаково при сжижении и адсорбции, мы получим

$\Delta H_{\text{ads}}=\Delta H_{\text{liq}}-RT\ln c,$

иными словами, адсорбция более экзотермична, чем сжижение.

Одномолекулярное объяснение

Адсорбцию ансамбля молекул на поверхности или границе раздела можно разделить на два процесса: адсорбцию и десорбцию. Если скорость адсорбции превосходит скорость десорбции, молекулы будут накапливаться с течением времени, образуя кривую адсорбции с течением времени. Если скорость десорбции больше, количество молекул на поверхности со временем будет уменьшаться. Скорость адсорбции зависит от температуры, скорости диффузии растворенного вещества (относительной длины свободного пробега для чистого газа) и энергетического барьера между молекулой и поверхностью. Диффузию и ключевые элементы скорости адсорбции можно рассчитать с использованием законов диффузии Фика и соотношения Эйнштейна (кинетическая теория) .В идеальных условиях, когда нет энергетического барьера и все молекулы, которые диффундируют и сталкиваются с поверхностью, адсорбируются, количество адсорбированных молекул $\Gamma$ на поверхности площади $A$ на поверхности бесконечной площади можно напрямую проинтегрировать из дифференциального уравнения второго закона Фика следующим образом:

$\Gamma =2AC{\sqrt {\frac {Dt}{\pi }}}$

где $A$ - площадь поверхности (единица м ² ), $C$ - числовая концентрация молекулы в объемном растворе (ед. #/м ³ ), $D$ – константа диффузии (единицы м ² /песок $t$ время (единицы с). Дальнейшее моделирование и анализ этого уравнения показывают, что корневая зависимость от времени обусловлена ​​уменьшением концентрации вблизи поверхности в идеальных условиях адсорбции. Кроме того, это уравнение работает только для начала адсорбции, когда вблизи поверхности формируется устойчивый градиент концентрации. Поправку на уменьшение площади адсорбции и замедление развития градиента концентрации необходимо учитывать в течение более длительного времени. В реальных экспериментальных условиях поток и небольшая площадь адсорбции всегда увеличивают скорость адсорбции, чем предсказывает это уравнение, а энергетический барьер либо ускоряет эту скорость за счет поверхностного притяжения, либо замедляет ее за счет поверхностного отталкивания. Таким образом, предсказание этого уравнения часто на несколько порядков отличается от экспериментальных результатов. В особых случаях, таких как очень маленькая площадь адсорбции на большой поверхности, а также при химическом равновесии , когда вблизи поверхности нет градиента концентрации, это уравнение становится полезным для прогнозирования скорости адсорбции с дискуссионной особой тщательностью для определения конкретного значения $t$ в конкретном измерении.

Десорбция молекулы с поверхности зависит от энергии связи молекулы с поверхностью и температуры. Таким образом, типичная общая скорость адсорбции часто представляет собой совокупный результат адсорбции и десорбции.

Квантово-механическое – термодинамическое моделирование площади поверхности и пористости

С 1980 года разрабатывались две теории, объясняющие адсорбцию и получающие работающие уравнения. Эти два называются гипотезой хи, квантовомеханическим выводом и избыточной поверхностной работой (ESW). Обе эти теории приводят к одному и тому же уравнению для плоских поверхностей:

$\theta =(\chi -\chi _{c})U(\chi -\chi _{c})$

где U — единичная ступенчатая функция. Определения остальных символов следующие:

$\theta :=n_{\text{ads}}/n_{m},\quad \chi :=-\ln {\bigl (}-\ln {\bigl (}P/P_{\text{vap}}{\bigr )}{\bigr )}$

где «ads» означает «адсорбированный», «m» означает «эквивалентность монослоя», а «vap» относится к давлению паров жидкого адсорбента при той же температуре, что и твердый образец. Единичная функция определяет молярную энергию адсорбции первой адсорбированной молекулы следующим образом:

$\chi _{c}=:-\ln {\bigl (}-E_{a}/RT{\bigr )}$

Сюжет $n_{ads}$ адсорбированный по сравнению с $\chi$ называется сюжетом ци. Для плоских поверхностей наклон графика хи дает площадь поверхности. заметил, что этот график очень хорошо соответствует изотерме. Эмпирически Майкл Поланьи а также Ян Хендрик де Бур и Корнелис Цвиккер. но не преследуется. Это произошло из-за критики в первом случае со стороны Альберта Эйнштейна , а во втором - со стороны Брунауэра. Это уравнение плоской поверхности можно использовать в качестве «стандартной кривой» в обычной традиции кривых сравнения, за исключением того, что ранняя часть графика пористого образца $n_{ads}$ против $\chi$ выступает в качестве эталона. С помощью этого метода можно анализировать ультрамикропористые, микропористые и мезопористые состояния. Типичные стандартные отклонения для подгонки полной изотермы, включая пористые образцы, составляют менее 2%.

Обратите внимание, что в этом описании физической адсорбции энтропия адсорбции соответствует термодинамическому критерию Дубинина, то есть энтропия адсорбции из жидкого состояния в адсорбированное состояние примерно равна нулю.

Адсорбенты

Характеристики и общие требования

Активированный уголь используется в качестве адсорбента.

Адсорбенты применяют обычно в виде сферических таблеток, стержней, формованных изделий или монолитов с гидродинамическим радиусом от 0,25 до 5 мм. Они должны иметь высокую стойкость к истиранию , высокую термическую стабильность и малый диаметр пор, что приводит к увеличению площади открытой поверхности и, следовательно, к высокой адсорбционной способности. Адсорбенты также должны иметь четкую пористую структуру, обеспечивающую быстрый перенос газообразных паров. Большинство промышленных адсорбентов относятся к одному из трех классов:

• Кислородсодержащие соединения – обычно гидрофильны и полярны, включая такие материалы, как силикагель , известняк (карбонат кальция). и цеолиты .
• Соединения на основе углерода. Обычно они гидрофобны и неполярны, включая такие материалы, как активированный уголь и графит .
• Соединения на полимерной основе. Являются полярными или неполярными, в зависимости от функциональных групп в полимерной матрице.

Кремнезем пришел

Силикагелевый адсорбер для NO ₂ , Исследовательская лаборатория фиксированного азота, около 1930-х годов.

Силикагель представляет собой химически инертную, нетоксичную, полярную и стабильную по размерам (< 400 °C или 750 °F) аморфную форму SiO ₂ . Его получают в результате реакции между силикатом натрия и уксусной кислотой, за которой следует ряд процессов последующей обработки, таких как старение, травление и т. д. Эти методы последующей обработки приводят к различному распределению пор по размерам.

Кремнезем используется для осушки технологического воздуха (например, кислорода, природного газа) и адсорбции тяжелых (полярных) углеводородов из природного газа.

Цеолиты

Цеолиты представляют собой природные или синтетические кристаллические алюмосиликаты , которые имеют повторяющуюся сеть пор и выделяют воду при высокой температуре. Цеолиты полярны по своей природе.

Их производят гидротермальным синтезом алюмосиликата натрия или другого источника кремнезема в автоклаве с последующим ионным обменом с определенными катионами (Na ⁺ , Что ⁺ , Как ²⁺ , К ⁺ , НХ ₄ ⁺ ). Диаметр каналов цеолитовых каркасов обычно составляет от 2 до 9 Å . После процесса ионного обмена происходит сушка кристаллов, которые можно гранулировать со связующим для получения макропористых таблеток.

Цеолиты применяются для осушки технологического воздуха, удаления CO ₂ из природного газа, удаления CO из газа риформинга, разделения воздуха, каталитического крекинга , а также каталитического синтеза и риформинга.

Неполярные (кремнистые) цеолиты синтезируют из безалюминиевых источников кремнезема или деалюминированием алюминийсодержащих цеолитов. Процесс деалюминирования осуществляется путем обработки цеолита паром при повышенных температурах, обычно превышающих 500 ° C (930 ° F). Эта высокотемпературная термообработка разрывает связи алюминий-кислород, и атом алюминия выталкивается из каркаса цеолита.

Активированный уголь

Сам термин «адсорбция» был придуман Генрихом Кайзером в 1881 году в контексте поглощения газов углеродами.

Активированный уголь представляет собой высокопористое аморфное твердое вещество, состоящее из микрокристаллитов с графитовой решеткой, обычно приготовленное в виде небольших таблеток или порошка. Он неполярный и дешевый. Одним из его основных недостатков является то, что он реагирует с кислородом при умеренных температурах (более 300 °С).

Изотерма азота активированного угля, показывающая выраженное микропористое поведение типа I.

Активированный уголь может быть изготовлен из углеродистого материала, включая уголь (битуминозный, суббитуминозный и бурый уголь), торф, древесину или скорлупу орехов (например, кокосового ореха). Производственный процесс состоит из двух этапов: карбонизации и активации. Процесс карбонизации включает сушку, а затем нагревание для отделения побочных продуктов, включая смолы и другие углеводороды, от сырья, а также для удаления образующихся газов. Процесс завершается нагреванием материала до температуры выше 400 °C (750 °F) в бескислородной атмосфере, которая не может поддерживать горение. Карбонизированные частицы затем «активируются», подвергаясь воздействию окислителя, обычно пара или диоксида углерода, при высокой температуре. Этот агент сжигает структуры, блокирующие поры, созданные во время фазы карбонизации, и таким образом образуется пористая трехмерная графитовая решетчатая структура. Размер пор, образующихся во время активации, зависит от времени, которое они проводят на этой стадии. Более длительное время воздействия приводит к увеличению размера пор. Наиболее популярные углероды в водной фазе имеют битумную основу из-за их твердости, устойчивости к истиранию, распределения пор по размерам и низкой стоимости, но их эффективность необходимо проверять в каждом применении, чтобы определить оптимальный продукт.

Активированный уголь используется для адсорбции органических веществ. и неполярные адсорбаты, а также обычно используются для очистки отходящих газов (и сточных вод). Это наиболее широко используемый адсорбент, поскольку большинство его химических (например, поверхностных групп) и физических свойств (например, распределения пор по размерам и площади поверхности) можно регулировать в соответствии с потребностями. Его полезность также обусловлена ​​его большим объемом микропор (а иногда и мезопор) и, как следствие, большой площадью поверхности. В недавних исследовательских работах сообщалось, что активированный уголь является эффективным агентом для адсорбции катионных разновидностей токсичных металлов из систем с множеством загрязнителей, а также были предложены возможные механизмы адсорбции с подтверждающими доказательствами.

Адсорбция воды

Адсорбция воды на поверхности имеет широкое значение в химической технологии , материаловедении и катализе . Присутствие физически или химически адсорбированной воды на поверхности твердых тел, также называемое поверхностной гидратацией, играет важную роль в управлении свойствами интерфейса, путями химических реакций и каталитическими характеристиками в широком диапазоне систем. В случае физически адсорбированной воды поверхностную гидратацию можно устранить просто путем сушки при температуре и давлении, обеспечивающих полное испарение воды. Для химически адсорбированной воды гидратация может протекать либо в форме диссоциативной адсорбции , когда молекулы H ₂ O диссоциируют на адсорбированные на поверхности -H и -OH, либо в форме молекулярной адсорбции (ассоциативной адсорбции), когда отдельные молекулы воды остаются неповрежденными.

Адсорбционное солнечное отопление и хранение

Низкая стоимость (200 долларов США за тонну) и высокая скорость цикла (2000 ×) синтетических цеолитов, таких как Linde 13X с водным адсорбатом, в последнее время вызвали большой академический и коммерческий интерес в связи с использованием для хранения тепловой энергии (TES), особенно низкопотенциальной солнечной энергии. и отходящее тепло. С 2000 года по настоящее время (2020 год) в ЕС было профинансировано несколько пилотных проектов. Основная концепция заключается в сохранении солнечной тепловой энергии в виде скрытой химической энергии в цеолите. Обычно горячий сухой воздух из плоских солнечных коллекторов пропускается через слой цеолита, так что любой присутствующий водный адсорбат удаляется. Хранение может быть дневным, еженедельным, ежемесячным или даже сезонным в зависимости от объема цеолита и площади солнечных тепловых панелей. Когда требуется тепло ночью, в пасмурные часы или зимой, через цеолит проходит увлажненный воздух. Поскольку влага адсорбируется цеолитом, тепло выделяется в воздух, а затем и в пространство здания. Эту форму TES со специфическим использованием цеолитов впервые преподавал Джон Герра в 1978 году.

Улавливание и хранение углерода

Типичными адсорбентами, предлагаемыми для улавливания и хранения углерода, являются цеолиты и МОК . Адаптация адсорбентов делает их потенциально привлекательной альтернативой абсорбции. Поскольку адсорбенты можно регенерировать за счет колебаний температуры или давления, этот этап может быть менее энергоемким, чем методы абсорбционной регенерации. Основными проблемами, связанными со стоимостью адсорбции при улавливании углерода, являются: регенерация адсорбента, массовое соотношение, растворитель/MOF, стоимость адсорбента, производство адсорбента, срок службы адсорбента.

В технологии конверсии водяного газа с усиленной сорбцией (SEWGS) процесс улавливания углерода перед сжиганием, основанный на адсорбции твердых веществ, сочетается с реакцией конверсии водяного газа (WGS) для получения потока водорода под высоким давлением. Полученный поток CO ₂ можно хранить или использовать для других промышленных процессов.

Адсорбция белков и поверхностно-активных веществ

Основная статья: Адсорбция белка

Адсорбция белка — это процесс, который играет фундаментальную роль в области биоматериалов . Действительно, поверхности биоматериалов, контактирующие с биологическими средами, такими как кровь или сыворотка, немедленно покрываются белками. Следовательно, живые клетки взаимодействуют не непосредственно с поверхностью биоматериала, а со слоем адсорбированных белков. Этот белковый слой опосредует взаимодействие между биоматериалами и клетками, переводя физические и химические свойства биоматериала на «биологический язык». Фактически, клеточной мембраны рецепторы связываются с биоактивными участками белкового слоя, и эти события связывания рецептор-белок передаются через клеточную мембрану таким образом, что стимулируют специфические внутриклеточные процессы, которые затем определяют клеточную адгезию, форму, рост и дифференцировку. На адсорбцию белка влияют многие свойства поверхности, такие как смачиваемость поверхности , химический состав поверхности. и морфология поверхности в нанометровом масштабе. Адсорбция поверхностно-активных веществ - аналогичное явление, но с использованием молекул поверхностно-активных веществ вместо белков.

Адсорбционные охладители

Принципиальная схема адсорбционного охладителя: (1) тепло теряется за счет испарения хладагента, (2) пары хладагента адсорбируются на твердой среде, (3) хладагент десорбируется из неиспользуемой секции твердой среды, (4) хладагент конденсируется и возвращается в исходное состояние, (5) и (6) твердая среда циркулирует между адсорбцией и десорбцией для ее регенерации.

, сочетающие адсорбент с хладагентом, Адсорбционные охладители используют тепло для обеспечения охлаждающего эффекта. Это тепло в виде горячей воды может поступать из любого количества промышленных источников, включая отходящее тепло промышленных процессов, основное тепло солнечных тепловых установок или тепло выхлопных газов или водяной рубашки поршневого двигателя или турбины.

есть сходство Хотя между адсорбционными охладителями и абсорбционным охлаждением , первое основано на взаимодействии газов и твердых веществ. Адсорбционная камера чиллера заполнена твердым материалом (например, цеолитом, силикагелем, оксидом алюминия, активированным углем или некоторыми типами солей металлов), который в нейтральном состоянии адсорбировал хладагент. При нагревании твердое вещество десорбирует (выделяет) пары хладагента, которые впоследствии охлаждаются и сжижаются. Этот жидкий хладагент затем обеспечивает охлаждающий эффект в испарителе за счет своей энтальпии испарения . На заключительном этапе пары хладагента (ре)адсорбируются твердым веществом. Поскольку адсорбционный охладитель не требует компрессора, он относительно тихий.

Адсорбция, опосредованная портальным сайтом

Адсорбция, опосредованная портальными сайтами, представляет собой модель сайт-селективной адсорбции активированного газа в металлических каталитических системах, которые содержат множество различных центров адсорбции. В таких системах низкокоординационные участки, подобные дефектам «край и угол», могут демонстрировать значительно более низкие энтальпии адсорбции, чем высококоординационные ( базальная плоскость ). В результате эти участки могут служить «порталами» для очень быстрой адсорбции на остальную поверхность. Это явление основано на обычном эффекте «побочного эффекта» (описанном ниже), когда определенные адсорбированные частицы проявляют высокую подвижность на некоторых поверхностях. Модель объясняет, казалось бы, противоречивые наблюдения термодинамики и кинетики адсорбции газа в каталитических системах, где поверхности могут существовать в диапазоне координационных структур, и она была успешно применена к биметаллическим каталитическим системам, где наблюдается синергетическая активность.

В отличие от чистого перелива, адсорбция в портальном центре относится к поверхностной диффузии к соседним местам адсорбции, а не к неадсорбирующим опорным поверхностям.

Модель, по-видимому, была впервые предложена для монооксида углерода на платине, нанесенной на кремнезем, Брандтом и др. (1993). Похожая, но независимая модель была разработана Кингом и его сотрудниками. для описания адсорбции водорода на щелочно-промотированных рутениевым, серебро-рутениевым и медно-рутениевым катализаторах на носителе из кремнезема. Та же группа применила эту модель к гидрированию CO ( синтез Фишера-Тропша ). Зупанк и др. (2002) впоследствии подтвердили ту же модель адсорбции водорода на цезий-рутениевых биметаллических катализаторах на носителе магнезии. Тренс и др. (2009) аналогичным образом описали поверхностную диффузию CO на частицах Pt на углеродном носителе различной морфологии.

Распространение адсорбции

В случае каталитических или адсорбентных систем, где частицы металла диспергированы на материале носителя (или носителе) (часто квазиинертные оксиды, такие как оксид алюминия или кремнезем), адсорбирующие вещества могут косвенно адсорбироваться на поверхности носителя под действием условия, когда такая адсорбция термодинамически невыгодна. Присутствие металла служит низкоэнергетическим путем для газообразных частиц, которые сначала адсорбируются на металле, а затем диффундируют на поверхность носителя. Это возможно, поскольку адсорбированные частицы достигают более низкого энергетического состояния после адсорбции на металле, тем самым снижая активационный барьер между частицами газовой фазы и частицами, адсорбированными на носителе.

Перелив водорода является наиболее распространенным примером адсорбционного перелива. В случае водорода адсорбция чаще всего сопровождается диссоциацией молекулярного водорода (H ₂ ) на атомарный водород (H) с последующим перетоком присутствующих атомов водорода.

Спилловер-эффект использовался для объяснения многих наблюдений в области гетерогенного катализа и адсорбции.

Адсорбция полимеров

Основная статья: адсорбция полимеров

Адсорбция молекул на полимерных поверхностях играет центральную роль в ряде применений, включая разработку антипригарных покрытий и различных биомедицинских устройств. Полимеры также могут адсорбироваться на поверхностях посредством адсорбции полиэлектролита .

В вирусах

Адсорбция является первым шагом в жизненном цикле вируса . Следующие шаги — проникновение, снятие покрытия, синтез (при необходимости транскрипция и трансляция) и высвобождение. Цикл репликации вируса в этом отношении одинаков для всех типов вирусов. Такие факторы, как транскрипция, могут быть необходимы, а могут и не потребоваться, если вирус способен интегрировать свою геномную информацию в ядро ​​клетки или если вирус может реплицировать себя непосредственно в цитоплазме клетки.

В популярной культуре

Тетрис — это игра-головоломка, в которой блоки по 4 штуки прикрепляются к поверхности во время игры. Ученые использовали блоки Тетриса «как аналог молекул сложной формы» и их «адсорбцию на плоской поверхности» для термодинамики наночастиц изучения .

См. также

• Адатом
• Криоадсорбция
• Двухполяризационная интерферометрия
• Концентратор с псевдоожиженным слоем
• Силовой микроскоп с зондом Кельвина
• Микромеритика
• Молекулярное сито
• Адсорбция Поланьи
• Адсорбция при переменном давлении
• Случайная последовательная адсорбция
• Органический каркас с водородными связями

Дальнейшее чтение

• Касслер, Э.Л. (1997). Диффузия: массообмен в жидкостных системах (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. стр. 308–330. ISBN  978-0-521-45078-2 .

Внешние ссылки

• Вывод изотерм Ленгмюра и БЭТ на JHU.edu
• Адсорбция углерода , на MEGTEC.com