массопередача. Презентация По дисциплине Процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы
 Скачать 404.55 Kb.
|
|
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Металлургический институт Кафедра химии Презентация По дисциплине «Процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы» на тему: «Поверхность твердого дела. Способы синтеза развитой поверхности. Характеристики и способы лабораторного оценивания свойств поверхности» Выполнил: Тюрин И.О. Студент М-ХТ-22 Проверил Бондаренко А.В. Доцент, к.х.н. Липецк, 2023 Поверхность твердого тела – это всегда граница раздела двух фаз (сред). Это может быть граница между твердым телом и газом, жидкостью или другим твердым телом. Поверхность – это место, на котором происходит явление адсорбции – прилипание посторонних молекул к границе твердого тела. Общие черты, которые характеризуют поверхность твердого тела: Первая состоит в незавершенности химических связей у атомов, составляющих поверхность. Это означает, что поверхностные атомы основного кристалла ведут себя иначе, чем атомы, находящиеся в его объеме. Существование самой поверхности уже является нарушением внутреннего потенциального периодического поля в кристалле. Как и при всяком нарушении периодичности, в этом случае возникают локальные энергетические уровни – поверхностные состояния. Для них характерна локализация не только по энергии, но и в пространстве – они сосредоточены лишь на самой поверхности раздела твердого тела с другой фазой. Вторая общая черта поверхности твердых тел состоит в том, что поверхностная область имеет сложную многослойную структуру. На поверхности твердого тела практически всегда присутствует оксидная пленка или слой адсорбированных атомов и ионов посторонних веществ. Оксидные и другие поверхностные пленки образуют некоторую промежуточную фазу, разделяющую твердое тело с собственно внешней фазой. Количественной характеристикой поверхности является поверхностная энергия. Поверхностная энергия – это избыток энергии в поверхностном слое на границе двух фаз по сравнению с энергией в объеме этих фаз. Поверхностное натяжение – одна из наиболее важных характеристик поверхности раздела фаз. Оно обусловлено нескомпенсированностью межмолекулярных сил у границы раздела фаз, вследствие чего свободная энергия в поверхностном слое больше, чем в объемах соприкасающихся фаз. РАЗВИТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Поверхность твердого тела, характеризующаяся площадью поверхности в расчете на один грамм порядка 1-1500 м2/г. Особо развитой поверхностью обладают порошкообразные вещества с малым линейным размером: частицы или пористые твердые тела (активированные угли, активированные угольные волокна, цеолиты). Развитостью поверхности в значительной мере определяется эффективность действия адсорбента. Для увеличения поверхности соприкосновения веществ, находящихся в разных фазах, производят их измельчение (диспергирование). Способы развития поверхности контакта фаз зависят от вида системы (г-т),(г-ж),(ж-т), (ж-ж),(т-т), а так же от условия проведения процесса и, как правило увеличивают поверхность более тяжелой фазы. Увеличить поверхность контакта фаз можно путем создания хороших условий контакта. Для системы газ-твердое вещество, жидкость-твердое вещество такими условиями являются:
Для системы газ-жидкость такими условиями является: Увеличение поверхности контакта фаз в системе жидкость-жидкость достигается с помощью пневматических и механических мешалок. Твердые материалы смешиваются во вращающихся барабанах и механических смесителях. ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ. МЕТОД БЭТ. При использовании твердых тел в качестве адсорбентов газов и паров их удельная поверхность является наиболее важным параметром, характеризующим адсорбционные свойства при низких и средних относительных давлениях. Распределение пор по размерам и общий объем пор наиболее важны для характеристики адсорбционной способности при относительных давлениях 0,3-0,4. Определение удельной поверхности методом БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера) является наиболее распространенным методом. В нем используются следующие допущения: поверхность адсорбента однородна; взаимодействие адсорбент–адсорбат сильнее, чем адсорбат–адсорбат; взаимодействие адсорбированных молекул учитывается только в направлении, перпендикулярном поверхности, и рассматривается как конденсация. Для вычисления площади поверхности адсорбента определяется объем газа относительно мономолекулярного слоя и площадь поперечного сечения молекулы адсорбированного газа. Принято считать, что метод БЭТ можно использовать для измерения площади поверхности с точностью 5-10% в интервале значений относительного давления р/р0 0,05-0,35. Автоматический прибор для измерения удельной площади поверхности / распределения пор по размерам BELSORP-miniX ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТЕПЛОВОЙ ДЕСОРБЦИИ По изменению теплопроводности газового потока (гелий или водород с добавкой азота или аргона), проходящего через трубку с измеряемым образцом, определяется количество азота или аргона, адсорбированного поверхностью образца из газовой смеси при охлаждении его жидким азотом и дисорбированного при последующем разогревании образца до комнатной температуры. Изменяя концентрацию адсорбируемого газа в смеси, можно получить несколько значений адсорбции, соответствующих разным концентрациям, построить изотерму адсорбции и вычислить из нее удельную поверхность образца методом БЭТ. Объёмный (волюмометрический) метод объёмный метод заключается в измерении убыли адсорбата из газовой фазы. Адсорбент с известной массой помещается в ампулу А, которая отделена от измерительной системы краном В. Перед началом измерений проводится калибровка объёмов V1 и V2 по гелию, далее после дегазации гелия, осуществляется подача определенной порции адсорбата в дозировочный объём V2, при этом кран В закрыт. При открытии крана В, адсорбат перераспределяется между объёмами V1 и V2, часть его адсорбируется на исследуемом образце. Через некоторое время устанавливается адсорбционное равновесие и измеряется равновесное давление p1. Затем проводят аналогичные измерения, дозируя следующие порции адсорбата. Количество адсорбированного вещества рассчитывают по уравнениям состояния из соответствующих объёмов ёмкостей, содержащих газ, и его давления после установления адсорбционного равновесия количество адсорбата в газовой фазе nг находится следующим образом: где p1 – давление после установления адсорбционного равновесия, V1 – объем ампулы, V2 – калиброванный объём, Т – температура. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОР МЕТОДОМ ВДАВЛИВАНИЯ РТУТИ Экспериментально измеряют объем ртути, проникающий в поры материала при определенном давлении и используя табличные или экспериментальные значения σ и θ, вычисляют соответствующие значения Определив ряд таких величин, строят зависимость объема заполнения ртутью пор от их эффективного радиуса и рассчитывают распределение объема пор по их эффективным радиусам. Методы расчёта распределения объёма пор по размерам Основная идея расчёта заключается в следующем. При максимальном относительном давлении вся пористая структура заполнена адсорбатом (рис. а). При снижении относительного давления происходит ступенчатое освобождение пористой системы. При снижении относительного давления на некоторую величину в первой группе пор (наибольшего радиуса) начинается испарение адсорбата, и на стенках пор остаётся плёнка толщиной t (рис. б). При дальнейшем уменьшении относительного давления, освобождается следующая фракция пор меньшего радиуса (рис. в). При этом адсорбат также удаляется из плёнки на стенках первой фракции пор. Таким образом, при расчёте объёма и размера пор необходимо поэтапно учитывать объём адсорбата, удаляемый как из объёма поры, так и из адсорбционной плёнки. Как видим, процедура расчёта распределения объёма пор по размерам заключается в поэтапных вычислениях освобождаемого объёма. Объём адсорбата, освобождающегося во время десорбции, рассчитывается как сумма объёмов, теряемых из объёма поры и из адсорбционной плёнки. По разности этих объёмов определяется объём коры, отнесённый к её среднему радиусу. Затем производится пересчёт объёма коры в объём поры, а радиус коры – в соответствующий радиус поры. |