КАТТЫ ДЕНЕ — ГАЗ ЖАНАСУ ШЕГІІПНДЕІ АДСОРБЦИЯ

Газдардын қатты денемен жанасу бетінде адсорбциялануы екі компоненттен тұратын ең қарапайым система. Қөптеген тәжірибе-лер көрсетіп отырғандай, адсорбцияланған газдьщ мөлшері оны адсорбциялайтын активті беттің ауданы көбейген сайын артады екен. Үлкен мәндегі адсорбция құбылысын жүргізу үшін сіңіретін заттың активті беті (ауданы) үлкен болуы қажет. Адсорбенттің өзіне сіңіру қабілеті, оның тек қуыстығымен ғана анықталып қой-мастан, оныңфизикалық күйімен де сипатталадьг айталық, аморф-ты күйдегі адсорбент, кристалды куйдегіден гөрі әлдеқайда артык-тау адсорбциялайды, яғни аморфты күйдегі адсорбенттің адсорб-циялау қабілеті басым.

Қолданылмалы жағдайда қатты адсорбенттер ретінде ағаштан және сүйектен алынатын активтелген көмір, силикагель, оксидін тотықсыздандыру аркылы алынған аса жоғары дисперстелген (ұн-тақталған) металдар жиі қолданылады. Активтелген көмірді арна-йы жағдайдағы шартқа сәйкес, ағаштардың арнайы түрін өңдеп алады. Осылайша алынған ағаш көмірі әлі активті емес. Оны ак-тивтендіру үшін, яғни ағаш көмірінің активті бетін көбейту мақса-тымен оны термиялық әдіспен өңдейді. Бұл процесс”су буы мен кө-міртек (IV) оксидінің атмосферасында 973—Н73Қ температурада жүреді. Мүндай жағдайдағы ағаш көмірі көміртек (IV) оксидімен және су буымен әрекеттесіп, көміртек (II) оксидін және сутек тү-

37-сурет 167зеді. Осы өңдеу нәтижесіндегі көмір кұрылымының өзгеруі 37-су-ретте көрсетілген. Активтелген көмір улы газдармен жұмыс істегенде, өнеркәсштегі өндірістік ауаны тазартуда қолданылады.

Активтелген көмірдщ өте жоғары адсорбциялық қабілет көр-сетуі ондағы активті бетгің жақсы дамуында. Мысалы, мұндай активтелген көмірдің бір грамындағы қуыс беттерді жинастырса, онда ол 300 — 1000 м² ауданға теңеледі. Әрине мұнда улкен моле-кулалық күш өрісі туындайды да, ол көмір — газарасындағы жанасу беттегі энергия қорын арттырады. Осы беттегі бос энергия есебінен газ көмір бетіне адсорбцияланады, яғни активті көмір бе-тіндегі газ концентрациясы артып, айналадағы газ азаяды.

Көптеген зерттеулер көрсеткендей, газ молекулаларының ак-тивті көмір бетінде болу мерзімі өте аз екен; ол адсорбент бетінде бір секундтың жузден, тіпті, мыңнан бір бөлігіндей ғана уақыт болып, басқа бөлшекпен ауысады. Бұл құбылыстың соңында бос жүрген молекулалар арасында динамикалық тепе-теңдік орнайды. Мұндай динамикалық тепе-теңдікке жету жылдамдығы әр түрлі газдар үшін әр мәнде болады: мысалы, активтелген көмір көмір-тек (IV) оксидін адсорбциялағанда тепе-теңдік 20 секундтан кейш орнаса, оттекті адсорбциялағанда 2,5 сағатта, ал азотты адсорб-циялағанда 20 сағатта орнайды екен. Ал адсорбция жылдамдығы-ның маңызы ерекше. Мысалы, улы газдармен жұмыс жүргізгендегі адсорбциялық құбылыстың жылдамдығы өзінен-өзі ерекше, өйт-кені оны тез арада тазаламаса, онда мұндай ортада жұмыс істеу мүмкін емес. Кейде оның жылдамдығын улы газ өтетін адсорбент қабатын қалындату арқылы да арттырып, адсорбция әсерін жоға-рылатады.

Улы газдармен жұмыс істегенде одан қорғаушы құрал ретінде қолданылатын аспаптағы активтелген көмір көптеген улы газдар мен қосылыстарды өзіне адсорбциялап, үстап қана қоймай олар-дың басым көпшілігіне катализатор ретінде әсер етіп, ыдыратады. Мысалға аса улы қосылыс — фосгеннің активтелген көмір бетінде адсорбция әсерінен ұсталып, сонан соң оньщ катализдік процесс салдарынан ыдырауын келтіруге болады:

немесе хлорпикрин улы қосылысын алсақ:

Көптеген тәжірибе көрсетіп отырғандай, адсорбция құбылысы тек өзіне сіңіретін заттың ғана қасиеті мен кұрылысына тәуелді емес, ол ондағы сіңетін заттың да сипатына байланысты екен (11-таблицада түрақты қысым кезінде кейбір газдардың көмірге ад-сорбциялануы келтірілген).

Адсорбция қүбылысын түсіндіруге арналған бірнеше теория бар. Олардың бірі — физикалық теория. Бұл теорияға орай, ад-сорбциялық куш табиғаты молекулааралық күштердің пайда бо-луына сәйкес келеді. Ал енді химиялық теорияға жүгінсек, адсорб-ция жүретін беттегі орналасқан молекулаларда болатын қанық-

168

11 — т а б л и ц а

Паған, яғни бос валенттілік есебінен химиялық күш туындайды және ол күш салдарынан байланыс құралып, адсорбция жүреді. Физикалық адсорбция теориясының бірнеше түрлері белгілі. Олардың арасында 1915 жылы Ленгмюр ұсынған мономолекула-лық адсорбция теориясы едәуір назар аударарлықтай. Бұл теория-ны тұжырымдарда, оның авторы бірнеше қағидаларға сүйенді:

1. Адсорбция валентті күштер не артылып қалған (қосымша) химиялық валенттілік күштері арқылы жүзеге асады.

2. Адсорбция берілген адсорбент бетінің бәрінде бірдей жүре бермей, тек ондағы активті орталықтарда ғана жүреді. Осы ак-тивті орталықтардьщ әсері онда пайда болатын қанықпаған күш өрісінің күшті болу салдарынан және соның нәтижесінде осы ор-талықтарда газ молекулалары ұсталынып түрады. Әрине, мұнда-ғы адсорбент атомы не молекуласы аз қаныққан сайын, активті орталықтардың активтілігі артык. болады.

3. Адсорбциялық күштердің әсер етуші радиусы кіші және осы-ның салдарынан әрбір активті орталық адсорбтив молекуласының біреуін ғана адсорбциялайды, сөйтіп адсорбент бетінде адсорбтив молекуласының бір молекулалық (мономолекулалық) қабаты пай-да болады.

4. Адсорбент бетіне адсорбцияланған газ молекулалары онда берік ұсталмайдьг олар ылғи тоқтаусыз газды орта мен сол шең-берде алмасуда болады және бұл кұбылыс динамикалық адсорб-ция тепе-теңдігі орнағанша жүреді. Осы қүбылыстар кезіндегі әр-бір молекула өзі адсорбцияланған бетте, дәлірек айтқанда активті орталықта аса ұзақ уақыт ұсталып тұра бермейді, энергияның басқа молекулаларға ауысуына орай, әуелгі молекулалар жаңадан келгендерге орнын береді.

Химиялық адсорбцияны немесе хемосорбцияны физикалық ад-сорбциямен салыстырғанда ол химиялық күш арқылы не соның көмегімен жүзеге асады. Адсорбцияның бұл түрі басқалардан мы-надай өзгешеліктерімен оқшауланады: физикалык адсорбция — қайтымды құбылыс, ал хемосорбция кайтымсыз және физикалық адсорбция жылуы небәрі 8,4—33,5 кДж/моль шамасында болса, ал химиялық адсорбция жылуы бірнеше жүздеген кДж/мольге тең. Температура жоғарылаған сайын физикалық адсорбция төмендесе, химиялық адсорбция жоғарылайды. Химиялық адсорбция жүру

169

үшін,

оған

біршама көбірек активтендіру энергиясы (40—

120 кДж/моль) кажет. „

Химиялык адсорбцкя каитымсыз болғандықтан, бул процестеп лесорбция адсорбцияланған молекуланы жай ғана жұлып алумен аякталмайды, адсорбцияланған беттегі химиялық қосылыстың ыдырауымен бітеді. Химиялык адсорбцияға бірден-бір мысал ретін-де активті көмірдің оттекті адсорбциялауын алуға болады. Хемосорбция процесін схемалық турде, мына келесідей етіп көрсетуге болады:

Егер оттекпен адсорбцияланған активтелген көмірді ауасыз ор-тада қыздырса, одан таза көмір (көміртек) бөлінбестен, көміртек (IV) оксиді бөлінеді.

Адсорбция құбылысына қазіргі теория мен қолданылмалық та-рапынан карасақ, онда физикалық әрі химиялық куштердің бола-тыны аңғарылады, яғни адсорбция физикалық-химиялық қубылыс екен. Оны совет ғалымдары Н. А. Шилов, М. М. Думанский мұ-қият зерттей келіп, адсорбент пен адсорбцияланушы заттар ара-сындағы әрекеттесулерде физикалық жэне химиялық құбылыстар-дың өзіндік орны болатынын дәлелдеді. Бұл, әсіресе, газдар ад-сорбцияланған кезде айқын көрінеді. Мундағы зерттеулерге зер салса, әуелі газдар таза адсорбент бетімен жанасқанда химиялық адсорбция жүреді екен, өйткені осьг туста химиялық күш әсер ете-ді, ал сонан соң адсорбция қубылысы онан әрі жалғасса және осы кезде қысымды арттырса, онда физикалық адсорбция журеді.