Adszorpció Szilárd anyag felületén gáz(gőz)elegyből, ill. oldatokból komponensek szelektív megkötése. A kötődés létrejöhet fizikai (van der Waals-erők) vagy kémiai kötőerővel. pl. szeszipari termékek derítése, cukoroldatok színtelenítése, alumínium–oxid hordozóra felvitt kálium-permanganát mint ipari bűzmegsemmisítő
fizikai kötőerők esetén a folyamat reverzibilis: adszorpció - deszorpció
p*, a megkötődött komponens egyensúlyi parciális nyomása a gázban [Pa]
Adszorpció Adszorpciós izoterma a telítési gőznyomáson beindul a kondenzáció
T
a, szilárd anyag által megkötött gázkomponens mennyisége [g adszorptívum/ g adszorbens]
1
Adszorpció Gőzök és gázok annál könnyebben adszorbeálódnak, minél nagyobb a molekulatömegük és minél alacsonyabb a kritikus hőmérsékletük. Gőz- és gázkomponensek monomolekuláris rétegben történő megkötődésének leírására szolgál a Langmuir-izoterma.
Adszorpció p n ε ϑ 1-ϑ
ν
gáznyomás másodpercenként 1 cm2 felületbe ütköző molekulák száma a felületbe ütköző molekulák ott megkötődött része a felület megkötődött molekulákkal borított része (borítottság) az adott időpillanatban a felület nem borított része a megkötődött részecskék eltávozó része
adszorpció sebessége
deszorpció sebessége
v adsz . = (1 − ϑ ) ⋅ ε ⋅ n
v desz . = ν ⋅ ϑ
2
Adszorpció Egyensúlyban a felületen adszorbeált réteg mennyisége az időben nem változik:
v adsz . = v desz . (1 − ϑ ) ⋅ ε ⋅ n = ν ⋅ ϑ ε ⋅n ϑ= ν +ε ⋅n
Adszorpció A felületbe ütköző molekulák száma az adott időpillanatban arányos a nyomással:
n = k1 ⋅ p
ϑ=
ε ⋅ k1 ⋅ p k ⋅p = 2 ν + ε ⋅ k1 ⋅ p 1 + k 2 ⋅ p
k2 =
ε ⋅ k1 ν
3
Adszorpció Ha A a teljes felület nagysága és m a nagy nyomáson az 1 cm2 felületen megkötött gáztömeg, akkor a ϑ borítottságú felületen lévő adszorbeált gázmennyiség (a):
a = m ⋅ A ⋅ ϑ = a′ϑ k ⋅p k ⋅p a = m⋅ A 2 = a′ 2 1 + k2 ⋅ p 1 + k2 ⋅ p
a = a′
b=
1 k2
p p+b
Adszorpció Langmuir-izoterma: a a’ p b
a = a′
p p+b
az adszorbeált anyag mennyisége (egységnyi adszorbensen megkötődött adszorptívum mennyisége [g/g]) az adszorbeált mennyiség határértéke nagy nyomáson az adszorptívum nyomása a gázfázisban az adszorptívum és az adszorbens között működő erők nagyságára jellemző állandó
4
Adszorpció Gőz- és gázkomponensek polimolekuláris rétegben történő megkötődésének leírására szolgál a Brunauer-Emmett-Teller (BET) egyenlet:
a=
p0 k
a′ ⋅ k ⋅ p ⎡ p⎤ ( p − p0 ) ⎢1 + (k − 1) ⎥ p0 ⎦ ⎣
a’ esetén beálló egyensúlyi nyomás állandó
Adszorpció Oldott anyagok adszorpciójának leírására szolgál a Freundlich-izoterma:
a = α ⋅ cn a
az adszorbeált anyag mennyisége (egységnyi adszorbensen megkötődő adszorptívum mennyisége [g/g]) c az adszorptívum egyensúlyi koncentrációja az oldatban α, n állandók
5
Adszorbensek Aktív szén Különböző széntartalmú anyagokat (pl. fát, csontot) száraz lepárlásnak vetnek alá, majd az így kapott szenet hevítéssel aktiválják 900 °C alatti hőmérsékleten. Fajlagos felület: 600 – 1700 m2/g Átlagos szemcseméret: 1-5 mm Sűrűsége: 260 – 400 g/dm3 Apoláros, hidrofób (vízben nem oldódó szerves anyagok gőzeit jól adszorbeálja). A deszorpció vízgőzzel végezhető. Hátránya: gyúlékony.
Adszorbensek Szilikagél Száraz kovasavgél-származékok, melyeket úgy kapnak, hogy nátrium-szilikátot (vízüveget) ásványi savakkal vagy ezek savanyú sóinak oldatával kezelnek. Fajlagos felület: 400 – 770 m2/g Átlagos szemcseméret: 0,2-7 mm Sűrűsége: 400 – 800 g/dm3 Jó a vízmegkötő képessége. Előnye: nem gyúlékony, mechanikai szilárdsága nagyobb, mint az aktív széné.
6
Adszorbensek Zeolitok Alkáli vagy földalkáli-alumínium-szilikátok hidrátjai. Jól meghatározott méretű kapillárisaik miatt molekulaszitának is használható. Kiváló vízmegkötő képességük van. Gázok, folyadékok szárítására, tisztítására alkalmazzák. Átlagos szemcseméret: 2-5 mm
Adszorbensek Követelmények Kémiai inaktivitás (oldószerrel, oldott anyaggal nincs kémiai reakció, nincs katalitikus hatása, nem oldódhat ki belőle semmi) Szelektivitás (az adszorbens mennyire képes egy bizonyos anyagot jobban megkötni mint a többit) Nagy fajlagos felület Kellő mértékű diszperzitás Szín (gyengén színezett anyagok
adszorbeálásánál
az
adszorbens fehér legyen)
Könnyű regenerálhatóság Állandó/hosszantartó adszorbeáló képesség
7
Y2
Y
X2
X
Adszorpció s áli ns m i in b e m zor ny s ad ará adszorpciós izoterma
Anyagmérleg m un ka vo
na l
Y1
Y2 Y1
X1
X2
X1
G = GS (Y1 − Y2 ) = Gadsz . ( X 1 − X 2 ) (Y1 − Y ) = ( X 1 − X ) (Y1 − Y2 ) ( X 1 − X 2 )
X1,max
Kromatográfia A kromatográfiás módszerek közé azok az eljárások tartoznak, amelyeknél az elválasztandó komponensek két fázis között oszlanak meg: a) az egyik fázis álló b) a másik mozgó (átáramlik az álló fázison) Az álló fázis vagy szilárd anyag vagy (szilárd anyagra, ún. hordozóra felvitt) folyadék. A mozgó fázis lehet folyadék vagy gáz, így megkülönböztethetünk: folyadék- és gázkromatográfiát.
8
Kromatográfia A kromatográfiás eljárások összefoglalása Álló fázis
Mozgó fázis Folyadék
Szilárd anyag: adszorbens
Folyadék
Gáz
Folyadék-szilárd kromatográfia
Gáz-szilárd kromatográfia
Adszorpciós kromatográfia
Adszorpciós gázkromatográfia (oszlopos vagy kapilláris elrendezésben)
Folyadék-folyadék kromatográfia
Gáz-folyadék kromatográfia
Megoszlásos, oszlop-, vékonyréteg- vagy papírkromatográfia Ioncserélő
Ionkromatográfia
Gél
Gélkromatográfia
Megoszlásos gázkromatográfia, (oszlopos vagy kapilláris elrendezésben)
Adszorpciós kromatográfia Oszlopban elhelyezett adszorbensen átvezetett gáz-, ill. folyadékfázisban lévő komponensek különböző adszorpciós képességüknél fogva rövidebb-hosszabb tartózkodási idővel jutnak át az adszorbensen. A leggyakrabban használatos poláros adszorbensek: alumíniumoxid, szilikagél, cukor; nem-poláros adszorbensek: aktív szén, parafin. A mozgó fázisként alkalmazott folyadék leggyakrabban víz illetve savak, lúgok vagy sók vizes oldata, de lehet szerves oldószer is, például alkohol, kloroform, petroléter stb.
9
Adszorpciós kromatográfia Élelmiszeripari alkalmazások: cukoriparban levek finomítására növényolajiparban derítés, savtalanítás, telített és telítetlen zsírsavak szétválasztására biológiai hatóanyagok kinyerésére (A-vitamin, szterinek, lecitin stb.) élelmiszeripari hulladékokból karotinoidok kinyerésére
10
