Témy prednášok ADSORPCIA IÓNOVÁ VÝMENA MEMBRÁNOVÉ SEPARÁCIE KRYŠTALIZÁCIA ÚPRAVA VZDUCHU A SUŠENIE

Transcript

1 Témy prednášok DSORPCI Fyzikálny princíp, opis rovnováhy pri dsorpcii, vlstnosti dsorbentov, priemyselné procesy využívjúce dsorpciu, priemyselné zrideni, výpočet návrh dsorbérov IÓNOVÁ VÝMEN Fyzikálny princíp, rovnováh pri iónovej výmene, typy vlstnosti iónomeničov, priemyselné procesy, priemyselné zrideni, výpočet návrh zridení MEMBRÁNOVÉ SEPRÁCIE Princíp, prestup látky cez membránu, typy membrán, priemyselné procesy, zrideni KRYŠTLIZÁCI Fyzikálny princíp, rozpustnosť látok, rovnováh, Kinetik kryštlizácie, mteriálová bilnci kryštlizácie, priemyselné procesy zrideni ÚPRV VZDUCHU SUŠENIE Vlstnosti vlhkého vzduch, úprv vzduchu, chldenie vody, rovnováh pri sušení, priemyselné suširne

2 DSORPCI fyzikálny princíp Sorpci: dsorpci: dej, pri ktorom dochádz k selektívnemu prestupu látky k povrchu, prípdne j dovnútr tuhej lebo kvplnej fázy (npr. bsorpci) sorpci, pri ktorej s niektoré zložky z plynnej lebo kvplnej fázy selektívne hromdi n povrch tuhej fázy Tuhá fáz dsorbent Tekutá fáz dsorptív dsorbovná zložk dsorbát Vždy exotermický proces!

3 DSORPCI fyzikálny princíp Fyzisorpci (fyzikáln dsorpci) Chemisorpci (ktivovná dsorpci) dsorbent chemická väzb dsorbát dsorpci z plynnej fázy (podob s kondenzáciou). Vytvárjú s vrstvy dsorbovných molekúl dsorbátu, môže dôjsť ku zplneniu pórov dsorbent dsorbátom. dsorpci obvykle prebieh pri nižšej teplote. Tepelný efekt - n úrovni kondenzčného tepl dsorptív (2 3 väčší) Vždy vrtný dej Vzniká chemická väzb medzi povrchom dsorbent molekulmi dsorbátu. Chemická väzb je pevnejši než väzb spôsobená vn der Wlsovými silmi. Vzniká monomolekulová vrstv dsorbovných molekúl. Chemisorpci s deje j pri vyšších teplotách. Tepelný efekt - može byť rádovo väčší než pri fyzisorpcii Môže byť nevrtný dej

4 DSORPCI fyzikálny princíp dsorpci je exotermický dej. Pri dsorpcii s vždy uvoľňuje dsorpčné teplo. dsorpci plynov pár Uvoľnené dsorpčné teplo môže výrzne ovplyvniť priebeh dej. Problémom je odvod dsorpčného tepl z dsorbér (zrideni n dsorpciu). dsorpci z kvpliny Uvoľnené dsorpčné teplo môže zvyčjne znedbť vďk tomu, že rozpúšťdlo má dosttočnú tepelnú kpcitu. V oboch prípdoch má zvýšenie teploty negtívny vplyv n množstvo dsorbátu.

5 DSORPCI opis rovnováhy Rozdelenie dsorptívu medzi 2 fázy: tuhú tekutú rovnováh solidus gseus (liquidus) Gibbsovo fázové prvidlo: v k f + 2 počet zložiek k 2 počet fáz f 2 počet stupňov voľnosti v 2 Ndsorbovné množstvo f(t, P) počet zložiek k 3 počet fáz f 2 počet stupňov voľnosti v 3 Ndsorbovné množstvo f(c, T, P) dsorpčná izoterm f(p) T resp. f(c) P,T

6 DSORPCI opis rovnováhy Ndsorbovné množstvo dsorbátu ( ) predstvuje hmotnosť, látkové množstvo lebo objem (z definovných podmienok) dsorbátu vztihnuté n jednotku hmotnosti dsorbent (g g 1, mol g 1, cm 3 g 1 ) dsorpčná izoterm f ( P ) T dsorpčné izotermy moniku n ktívnom uhlí pri rôznych teplotách

7 DSORPCI opis rovnováhy Tvry dsorpčných izoteriem P tlk pár látky P 0 tlk nsýtených pár látky I II systémy vhodné n dsorpciu III neželný tvr izotermy z hľdisk dsorpcie IV V dsorpčné izotermy s hysterézou, desorpci s uberá inou cestou ko dsorpci v dôsledku kpilárnej kondenzácie

8 DSORPCI opis rovnováhy Fyzisorpci vn der Wlsove sily vicvrstvová dsorpci povrch pórov ideálny (homogénny) povrch Lngmuirov dsorpčná izoterm homogénny povrch jednovrstvová dsorpci (nízke tlky) židne interkcie medzi dsorbovnými molekulmi neideálny (heterogénny) povrch

9 DSORPCI opis rovnováhy Jednozložková dsorpci + L L rýchlosť: dsorpcie desorpcie ξ & ξ & d k k d C C C L bilnci ktívnych centier (L ktívne centrum) L k k d k, k d, exp exp E RT Ed RT C + L, tot CL CL koncentráci obsdených ktívnych centier celková koncentráci ktívnych centier koncentráci voľných ktívnych centier

10 rovnováh pri dsorpcii C L C L,tot & ξ rovnovážn konštnt dsorpcie K &, t.j. ξ d rovnic dsorpčnej izotermy C 1+ K C DSORPCI opis rovnováhy K k ( k C C CL,tot CL) k k Lngmuirov dsorpčná izoterm d K K, C exp Q -dsorpčné teplo L, tot mx, d Q RT L mximálne množstvo dsorbátu K C 1+ K C mx, K P 1+ K P mx,

11 DSORPCI opis rovnováhy Henryho zákon kp Freundlichov izoterm kp 1/ n rovnovážne ndsorbovné množstvo dsorbátu vztihnuté n jednotku hmotnosti dsorbent, P prciálny tlk dsorptív, k, n empirické konštnty závisice od teploty Pltí pre veľmi nízke prciálne tlky (lineárny úsek dsorpčnej izotermy) Zodpovedá dsorpcii n heterogénnom povrchu. P P

12 DSORPCI opis rovnováhy BET izoterm P c 1 P 1 + ( P P) c P c 0 m 0 m Dubininov izoterm 2 RT P m exp ln E P 0 c je prmeter, ktorý závisí od teploty Predpokldy pltnosti dsorpcii môže prebiehť vo vicerých vrstvách pltí pre P/P 0 < 0.3 Použitie BET izotermy stnovenie špecifického povrchu, špecifického objemu pórov, pórovitosti distribúcie priemerov pórov dsorbent m je rovnovážny reltívny hmotnostný zlomok dsorbátu n povrchu dsorbent pri tlku nsýtených pár dsorptívu P 0 Predpokld pltnosti teóri objemového zpĺňni pórov Použitie Dubininovej izotermy stnovenie špecifického objemu pórov distribúcie priemerov pórov dsorbent

13 DSORPCI opis rovnováhy dsorpčná izoterm má v prípde rovnováhy solidus liquidus podobný priebeh ko v prípde rovnováhy solidus gseus. N opis rovnováhy SL s njčstejšie používjú rovnice Lngmuirovej lebo Freundlichovej dsorpčnej izotermy, resp. ich kombinácie. V prípde viczložkovej dsorpcie tiež empirické rovnice. jednozložková dsorpci viczložková dsorpci mkc 1 + KC i mx, I j KC i i i 1+ K jc j kc 1 n i kkc 1 ni i i i I 1 1+ KC j j j n j

14 Grvimetrická metód Mernie zmeny hmotnosti dsorbátu v závislosti od jeho tlku DSORPCI mernie rovnováhy SG nstvenie /lebo mernie tlku dsorbovnej látky Volumetrická metód Mernie zmeny tlku dsorptív v závislosti od jeho dodného množstv ( ) f P T vákuum piest ΔV 1μg presné váhy termostt termostt

15 DSORPCI mernie rovnováhy SL ( ) f C P, T 1. VC, M VC, Rovnovážn krivk má podobný priebeh ko dsorpčná izoterm plynov (hlvne typ I III). Prime mernie ndsorbovného množstv nie je možné. Preto s izoterm určuje neprimo, ko séri experimentov s rôznymi 0 štrtovcími koncentrácimi dsorptív ( C ) v inertnom (nedsorbujúcom s rozpúšťdle). 1. Zmiešme známe množstvo dsorbent so známym objemom roztoku známej štrtovcej koncentrácie dsorptív. 2. Suspenziu ridne miešme, by s dosihl rovnováh medzi tuhou kvplnou fázou. 3. Odfiltrujeme roztok stnovíme obsh dsorptív v rovnovážnej kvplnej fáze. Ndsorbovné množstvo vypočítme n záklde mteriálovej bilncie VC ( C) M 0 1 mol kg

16 vonkjší povrch čstice dsorbent DSORPCI vlstnosti dsorbentov čstic tvorená mikrokryštálmi kvplná fáz v póroch dsorbent porézn štruktúr súvisí s kryštálovou mriežkou tuhej fázy trnsportné póry Požidvky veľký merný povrch pórov dsorbent vhodná distribúci veľkostí pórov (dostupnosť vnútorného povrchu pórov, vplyv n rýchlosť dsorpcie) vhodné mechnické vlstnosti (pevnosť, oteruvzdornosť,...) vhodné fyzikálnochemické vlstnosti (tepelná vodivosť,...) ktlyticky nektívny mteriál Klsifikáci pórov podľ ich priemeru mikropóry < 2 nm mezopóry 2 50 nm mkropóry > 50 nm Prestup látky do v poréznej čstici dsorbent difúzi cez lminárnu vrstvu pri povrchu čstice dsorbent difúzi v trnsportných póroch (mkro- ž mezopóry) difúzi v poréznej štruktúre čstice (mezo- ž mikropóry) dsorpci n povrchu pórov

17 DSORPCI mikroštruktúrne vlstnosti dsorbentov skutočná hustot, t.j. hustot mikrokryštálov dsorbent (určuje s pyknometricky pomocou héli, ρ He ) zdnlivá hustot, podiel hmotnosti čstice jej geometrického objemu (určuje s ortuťovou porozimetriou, ρ Hg ) merný objem pórov, t.j. objem pórov čstice dsorbent vztihnutý n jej hmotnosť (V p ) porozit predstvuje podiel objemu pórov n celkovom objeme čstice dsorbent (ε p ) merný povrch dsorbent, t.j. ploch povrchu pórov čstice dsorbent vztihnutá n jednotku jeho hmotnosti (určuje s n záklde merni dsorpcie dusík pri 77 K, S BET ) rozdelenie pórov podľ veľkosti ich priemerov stredná hodnot priemeru pórov (d p ) Ploch, ktorú n povrchu dsorbent zberá dsorbovná molekul (α) V p 1 1 ρ ε ρ V ρ p Hg p Hg He dp 4 Vp / SBET M α Nρ 2/3

18 DSORPCI priemyselné dsorbenty Poždovné vlstnosti veľký vnútorný povrch mechnická pevnosť Tvr čstíc: gulôčky šošovičky vlčeky duté vlčeky extrudáty hviezdičky Chrkteristický rozmer: R p

19 DSORPCI priemyselné plikácie dsorpci v plynnej fáze Čistenie plynov odstrňovnie orgnických látok z plynných zmesí odstrňovnie SO 2 z plynných zmesí odstrňovnie vody zo vzduchu iných plynov odstrňovnie NO x z N 2 odstrňovnie CO 2 zo zemného plynu Delenie plynných zmesí N 2 /O 2 prfíny/izoprfíny/romáty CO, CH 4, CO 2, N 2, NH 3 /H 2 vod/etnol dsorpci v kvplnej fáze Čistenie kvplín odstrňovnie vody zo zmesí orgnických látok odstrňovnie orgnických látok z vody odfrbovnie roztokov Delenie kvplných zmesí zložiek roztokov prfíny/izoprfíny prfíny/olefíny p-xylén/osttné romáty C 8 fruktóz/dextróz, polyschridy Iónová výmen (úprv/deminerlizáci vody,...) Chromtogrfi (špeciálne (mlotonážne) výroby)