ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Теория адсорбции

Способность поверхностных частиц (ионов, атомов или молекул) конденсированных тел притягивать и удерживать молекулы газа обуслов­лена избытком энергии на поверхности (по сравнению со средней энергией частиц в объеме тела) и присуща всем твердым веществам и жидкостям. На практике в качестве адсорбентов выгодно использовать вещества с раз­витой удельной (на единицу объема) поверхностью.

Количество адсорбата, удерживаемое на единичной площади по­верхности раздела фаз, в конечном счете определяется силой взаимодейст­вия между молекулами адсорбируемого вещества и частицами, находящи­мися в приповерхностных слоях адсорбента.

Благодаря постоянным колебаниям центров зарядов (электронных оболочек и ядер) атомов около среднего положения непрерывно возникают и исчезают дипольные, квадрупольные, высшие мультипольные моменты. Они создают в пространстве вокруг атомов пульсирующие электрические поля, характеристики которых могут быть вычислены в простейших слу­чаях по уравнениям квантовой механики. Силы, возникающие при взаимо­действии квантовых электрических полей частиц, участвующих в процессе адсорбции, и называют Ван-дер-ваальсовыми или дисперсионными сила­ми. Дисперсионные силы действуют на границе раздела фаз и аналогичны силам взаимодействия между молекулами в объеме газа (силам межмоле­кулярного взаимодействия), обуславливающим отклонение характеристик реальных газов от идеальных. Согласно квантовомеханическим расчетам, силы Ван-дер-Ваальса резко убывают с увеличением расстояния между центрами зарядов взаимодействующих частиц (обратно пропорциональны 6-й степени расстояния) и на несколько порядков слабее обменных сил, создающих химическую связь. Однако, в отличие от объемных сил, дис­персионные могут действовать на относительно больших расстояниях (превышающих размеры молекул) и характеризуются ненасыщаемостью. Поле, создаваемое мгновенными дипольными моментами одной молекулы, может взаимодействовать с полями многих других молекул.

Принимается, что при дисперсионных взаимодействиях обобществ­ления электронов не происходит, и химическая связь не образуется. Одну из двух граничных моделей адсорбции, предполагающую, что при удержа­нии молекул газа на поверхности адсорбента не происходит электронного обмена и образования химической связи, называют физической адсорбци­ей или зачастую просто адсорбцией.

В теоретических расчетах учитывают кроме дисперсионного притя­жения силу отталкивания зарядов, принимая ее обратно пропорциональной 12-й степени расстояния между центрами зарядов. Если взаимодействую­щие частицы имеют постоянные дипольные моменты (например, молеку­лы воды или ионные поверхности) или свободные электроны (металличе­ские поверхности), то между ними возникают и классические электроста­тические силы. Точный теоретический расчет их величины невозможен, хотя на практике они вносят существенный вклад в силу взаимодействия, а иногда и определяют характер процесса адсорбции. Так, например, гораздо более широкое применение в производственных условиях активированных углей по сравнению с синтетическими полярными адсорбентами - силика - гелями, цеолитами, объясняется тем, что угли ввиду неполярности поверх­ностных частиц одинаково взаимодействуют как с полярными, так и с не­полярными молекулами газовой фазы. Молекулы воды, обладая постоян­ным дипольным моментом, взаимно притягивают друг друга в паровой фа­зе, вследствие чего диффундируют к поверхности угля хуже неполярных молекул. Поэтому активированный уголь достаточно эффективно извлека­ет загрязнители из влажных газов, в то время как полярные адсорбенты способы извлекать из них лишь воду.

Результаты теоретических расчетов характеристик физической сорб­ции имеют низкую сходимость с опытными данными и пригодны только для качественной оценки процессов.

По другой модели адсорбции предполагается образование на по­верхности химической связи между молекулой газа и частицей адсорбента. Такую модель называют химической сорбцией или хемосорбцией.

Энергия взаимодействия в процессе хемосорбции близка (но не рав­на) энергии химической связи молекулы, состоящей из соответствующих элементов. Для теоретических расчетов энергии процесса хемосорбции ис­пользуют уравнение Шредингера. Его строгое и точное решение получено лишь для случая взаимодействия одного протона и одного электрона. Тео­ретические методы расчетов более сложных систем весьма громоздки, а их результаты плохо совпадают с опытными данными, вследствие чего не­пригодны для практического использования при проектировании адсорб­ционных устройств.