Сорбционная емкость, распределение и диффузия

Первый результат рассмотренного выше опыта зависит от отношения объемов фаз, называемого «фазовым отношением» (очевидно, что чем больше «пустой» фазы по отношению к «наполненной», тем большая доля веществ смеси перейдет в первую), и от особого свойства сорбционных систем – сорбционной емкости.

Сорбционная емкость () – это предельная суммарная концентрация сорбируемых веществ («сорбатов») в фазе сорбента.

Иногда сорбционную емкость конкретизируют по каждому веществу (). В этом случае она аналогична растворимости.

Ясно, что если сорбционная емкость равна нулю, то каким бы большим ни было фазовое отношение, концентрация веществ в свободной фазе (в которой они оказались первоначально) останется без изменений. Если фаза сорбента характеризуется большой сорбционной емкостью, то во многих практических случаях ее полное насыщение не достигается, и тогда говорят о концентрации данного вещества в этой фазе (верхним пределом которой является емкость).

Второй результат опыта по сорбции в статике определяется различным распределением веществ между фазами, т.е. различными значениями отношения равновесных концентраций одного и того же вещества в разных фазах. Это отношение называется коэффициентом распределения данного вещества в заданной сорбционной системе ().

Третий результат определяется молекулярно-статистическим механизмом выравнивания химических потенциалов уравновешиваемых фаз. Он имеет диффузионную природу, т.е. скорость процесса тем больше, чем сильнее отличие текущего значения концентрации от равновесного значения. Мерой этой взаимосвязи служит коэффициент диффузии – разный для различных веществ и сред ( - первый индекс относится к фазе, а второй – к сорбату).

Три перечисленные величины важны не только для простейшего опыта сорбции в статике, их задание исчерпывает набор физико-химических характеристик для любой сорбционной задачи!

Первые две величины могут быть найдены из графика изотермы сорбции – зависимости равновесной концентрации в фазе сорбента от равновесной концентрации в свободной фазе (рис.2.3).

Рис.2.3. Изотерма сорбции, построенная на основании опытов по сорбции в статике. Каждая экспериментальная точка соответствует результатам отдельного опыта при длительной экспозиции. Показано, как определяются емкость () и коэффициент распределения в точке , равный .

Емкость сорбента можно найти также при проведении фронтального процесса, рассчитав площадь над выходной кривой (см. рис. 2.1 б: площадь под пунктирной линией; см. также главу 5, рис. 5.5).

Третья величина (кинетический коэффициент) может быть найдена из опыта сорбции в статике, поставленного специальным образом, называемого в этом случае «кинетика сорбции из ограниченного объема». Его суть заключается в получении зависимости от времени t, где - равновесная концентрация в сорбенте (рис.2.4). Сначала получают зависимость (рис.2.4 а) путем непрерывного измерения средней концентрации в свободной фазе, а затем по балансовым соотношениям, которые будут рассмотрены в следующей главе (см. (4)), получают искомую зависимость (рис. 2.4 б) и сравнивают ее с теоретической зависимостью в безразмерных переменных — для нахождения коэффициента диффузии.

Существуют и другие специальные методы определения коэффициентов диффузии, однако теория сорбционных процессов развита в достаточной мере, чтобы не ставить очень сложные эксперименты, а определять необходимые параметры из простых экспериментов по сорбции в статике или хроматографии.

Рис. 2.4. Результаты опыта «кинетика сорбции из ограниченного объема». а – экспериментальная зависимость ; б – рассчитанная из эксперимента зависимость заполнения сорбента от времени.

Законы, управляющие процессами разделения

Перейдем теперь от интуитивных представлений о сорбционном процессе к количественным.

Лекция 2 (2 часа)