Описание изотерм адсорбции и их применение для анализа свойств материалов.
Изотерма адсорбции – это зависимость количества адсорбированного вещества (величины адсорбции) на поверхности адсорбента от парциального давления или концентрации этого вещества в газовой фазе при постоянной температуре. Экспериментально полученные изотермы адсорбции строят в координатах «количество адсорбированного вещества – равновесное давление/ концентрация» для изучения свойств материалов и их взаимодействия с газами или растворами.
Для анализа изотерм используются современные анализаторы удельной поверхности и пористости, которые позволяют проводить комплексные исследования адсорбционных процессов для катализаторов, молекулярных сит, силикагелей, активированного угля и других материалов.
Изотерма адсорбции отображает изменение объема или массы вещества, удерживаемого на поверхности адсорбента, при увеличении давления газа или концентрации растворенного вещества.
Помимо изотермы адсорбции часто для анализа сорбционных свойств материалов определяют зависимость объема вещества, высвобожденного при уменьшении давления газа или концентрации вещества в системе – изотерму десорбции. Благодаря анализу изотерм можно оценить максимальную емкость сорбента, исследовать характер взаимодействия между адсорбентом и адсорбатом, выявить степень однородности поверхности, а также подобрать оптимальные режимы для процессов разделения, очистки или катализа.
Классификация изотерм адсорбции
Форма изотермы во многом определяется структурой и составом поверхности материала, а также условиями эксперимента – температурой, давлением, и др. По международной классификации ИЮПАК можно определить шесть основных типов изотерм:
- Тип I – Обратимые адсорбция на микропористых материалах или мономолекулярная адсорбция на макропористых материалах при сильном взаимодействии адсорбат-адсорбент.
- Тип II – Обратимая полимолекулярная адсорбция на дисперсных макропористых и непористых материалах.
- Тип III – Обратимая адсорбция со слабым взаимодействием адсорбат-адсорбент на непористых материалах.
- Тип IV – Полимолекулярная адсорбция и десорбция с гистерезисом, связанным с капиллярной конденсацией в мезопористых материалах.
- Тип V – Адсорбция и десорбция со слабым взаимодействием адсорбат-адсорбент с капиллярной конденсацией в мезопористых материалах.
- Тип VI – Полимолекулярная адсорбция и десорбция на неоднородных непористых материалах.
Форма изотермы отражает механизм удержания молекул и свойства поверхности и, таким образом, позволяет делать выводы о наличии пор, структуре слоя и специфике адсорбции. Также, важным фактором, влияющим на характер изотерм, является температура измерений, так как при изменении температуры меняется равновесие между адсорбцией и десорбцией. Преимущественно, с ростом температуры адсорбция снижается вследствие роста кинетической энергии молекул адсорбата.
Классические модели изотерм адсорбции
Для описания изотерм адсорбции и десорбции и сорбционного взаимодействия материала с адсорбатом используются различные теоретические модели в зависимости от вида полученных экспериментальных данных.
Модель Ленгмюра
Модель Ленгмюра объясняет процесс мономолекулярной адсорбции на однородной поверхности с ограниченным числом активных центров и широко используется для анализа процессов химической адсорбции, которая является необратимой и характеризируется теплотой адсорбции более 40 кДж/моль. Для описания физической адсорбции, которая является обратимой и отличается теплотой адсорбции менее 40 кДж/моль, модель Ленгмюра применима при невысоких давлениях или при адсорбции на микропористых материалах.
Модель Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ)
Модель БЭТ описывает полимолекулярную адсорбцию, когда молекулы формируют несколько слоев на поверхности. Расчет удельной поверхности, полученный с использованием уравнения БЭТ при низких парциальных давлениях (0,05 ≤ p/p0 ≤ 0,3), признан стандартом в исследовании поверхности материалов при помощи газоадсорбционных анализаторов.
Уравнения Фрейндлиха и Темкина
Эмпирические уравнения Фрейндлиха и Темкина предназначены для описания адсорбции на неоднородных поверхностях и позволяют учитывать различия в энергиях взаимодействия молекул адсорбата с адсорбентом на всех участках поверхности. При экспоненциальном распределении теплоты адсорбции и описании локальной изотермы каждого участка уравнением Ленгмюра применяется уравнение Фрейндлиха. Уравнение Темкина используется при линейном распределении адсорбционных центров по энергиям. Данные модели особенно актуальны при работе с сорбентами природного происхождения и сложными многокомпонентными системами.
Модель Дубинина-Радушкевича
Модель Дубинина-Радушкевича применяется для описания адсорбции на неоднородных микропористых материалах и позволяет оценить объем микропор в анализируемом материале.
Для описания полимолекулярной адсорбции возможно использование нескольких уравнений, однако при выборе необходимо учитывать границы применимости моделей для исследуемой адсорбционной системы.
Как экспериментально получить изотермы адсорбции и десорбции?
Измерения изотерм адсорбции состоят из следующих этапов:
- Подготовка образца, включающая очистку и нагрев в вакуумной среде или среде инертного газа для удаления адсорбированных газов и влаги.
- Дозирование известного количества газа-адсорбата в ячейку, содержащую образец.
- Измерение количества адсорбированного вещества по разнице давлений при достижении равновесного давления в экспериментальной точке.
- Изменение относительного давления в системе для заданного количества точек и построение графика.
В лабораторных условиях изотермы строятся при помощи газоадсорбционных анализаторов, которые позволяют проводить измерения при различных давлениях и температурах. На их основе рассчитывают удельную поверхность, объем пор и параметры теоретических моделей, а также проводят статистическую обработку полученных данных.
Применение изотерм адсорбции в аналитике и промышленности
Изотермы адсорбции и десорбции широко используются в науке и промышленности для:
- Определения удельной поверхности и пористости материалов.
- Контроля качества катализаторов, адсорбентов и фильтров.
- Оптимизации процессов очистки, разделения и хранения веществ.
- Анализа поведения сложных сорбционных систем.
Современное оборудование для анализа изотерм анализатор IMC ProSurf-H 2210
Современные газоадсорбционные анализаторы, такие как IMC ProSurf-H 2210, позволяют выполнять автоматическое построение изотерм адсорбции и десорбции газа-аналита в широком диапазоне температур от -196 до 550 °C и выше и давлений от вакуума до 200 бар. Данный прибор применяется для решения задач моделирования хранения водорода, изучения свойств катализаторов и других промышленных и научных направлений.
Заключение
Изотермы адсорбции и десорбции – ключевой инструмент для изучения процессов на поверхности твёрдых тел, анализа свойств новых материалов, выбора оптимальных технологий очистки, разделения и хранения газов и жидкостей. Применение современных газоадсорбционных анализаторов обеспечивает высокую точность, воспроизводимость и удобство проведения анализа для научных и производственных задач.
Получить консультацию и оставить заявку на анализатор адсорбции газов при высоких давлении и температуре IMC ProSurf-H 2210 вы можете по телефону, электронной почте или на сайте ООО «Группа Ай-Эм-Си».