Taalkeuze

Методы адсорбционной порометрии

Процесс адсорбции –  любое поглощение, представляющее собой накопление жидкой или газообразной фазы на поверхности твердого материала. Данное явление характеризуется энергией взаимодействия между поглощаемым веществом, находящимся в объемной фазе (адсорбтивом), и твердым материалом (адсорбентом). Поглощенное вещество называется  адсорбатом.

 
Существует два основных типа адсорбции:
  • Физическая адсорбция. В этом случае энергия взаимодействия определяется слабыми силами Ван-дер-Ваальса, соответствующими теплоте конденсации адсорбированной жидкости. Она может происходить как по механизму капиллярной конденсации, так и  путем проникновения молекул в решетку твердого тела. Данный процесс всегда экзотермический.
  • Химическая адсорбция или хемосорбция. В этом случае адсорбция сопровождается химическими взаимодействиями между адсорбентом и адсорбатом, а энергия взаимодействия соответствует тепловому эффекту химической реакции. Данный процесс может быть как экзотермическим, так и эндотермическим.
Используя методы физической адсорбции легко исследовать следующие фундаментальные свойства твердых материалов: удельную площадь поверхности и распределение пор по размерам, объем мезо- и микро- пор, общий объем пор. Такие важные характеристики твердых материалов как упругость, прочность, проницаемость, коррозионная стойкость, термическая устойчивость напрямую зависят от пористой структуры материала.  Более подробно возможности метода физической адсорбции приведены в таблице:
 

Физической адсорбция

Используемые адсорбаты

Азот, Аргон, Криптон, Диоксид углерода и др.

Применение

Исследование катализаторов, активированных углей, древесных углей, лекарственных средств, строительных материалов, цемента, стекол, грунтов, порошков металлов, оксидов, солей, адсорбентов, керамических материалов и пигментов.

Получаемые результаты

Удельная поверхность, Распределение по размерам мезо и микропор, объем мезо и микропор, общая удельная поверхность, общий объем пор

 
Методами химической адсорбции легко получить информацию о качестве, активности и селективности широкого диапазона катализаторов, путем изучения структуры, физико-химических свойств и активности их поверхностей.  Как правило, катализаторы способны оптимизировать выход реакции за счет увеличения ее скорости, и позволяют проводить реакции в менее жестких условиях, снижая производственные затраты. Действие твердых катализаторов основано на адсорбции молекул реагирующих веществ на специальных активных центрах, в результате их связи разрываются, облегчая течение реакции. Десорбция продуктов с поверхности катализаторов освобождает данные активные центры для следующих реакций. В некоторых случаях катализаторы могут избирательно блокировать реакции, приводящие к возникновению нежелательных продуктов. Металлические катализаторы, нанесенные на твердую подложку, широко используются в различных технологических процессах, от нефтехимической до фармацевтической промышленности. Применение катализаторов является практически единственным решением многих проблем, не только в химической промышленности и технологии, но и в нашей повседневной жизни (например, загрязнение окружающей среды).
 

Химическая адсорбция

Используемые адсорбаты

Водород, кислород, монооксид углерода, аммиак, углеводороды, метан, водяной пар, SO2 в гелии.

Применение

Исследование катализаторов, поддерживающих материалов, оксидов, активированных углей, цеолитов.

Получаемые результаты

Удельная поверхность активных центров, дисперсия металла, средние размеры металлических агрегатов, концентрация кислотно/основных участков поверхности, разницу сильных/слабых взаимодействий.

 
Пористость и, следовательно, удельная поверхность играют важную роль  в определении каталитической активности веществ. В большинстве случаев активность катализаторов на подложке пропорциональна металлической поверхности и активности данной поверхности, что в свою очередь зависит от размеров металлических частиц внутри подложки.
 
Для количественного определения доступной для адсорбции металлической поверхности существует несколько методов:
 
  • Статический волюметрический метод Surfer. Осуществляется в условиях, когда перенос адсорбтива на поверхность адсорбента обусловлен в основном диффузией. 
  • Метод в потоке TPD/R/O 1100. Осуществляется в условиях, когда перенос адсорбтива на поверхность адсорбента осуществляется из потока газа-носителя, принудительно перемещаемого относительно адсорбента. Динамические методы в потоке является быстрыми и чувствительными, также не требуется калибровка мертвых объемов прибора. 

 

Изотермы адсорбции

При проведении исследований, основанных на физической и химической адсорбции, по результирующим давлениям внутри системы наблюдается взаимодействие между газом и твердым материалом, которое описывается изотермой адсорбции.
 
В зависимости от структурных особенностей поверхности материала, наблюдаются разные типы изотерм адсорбции. Всего различают 6 типов изотерм (координаты: количество адсорбата - давление):
 
 
Изотермы Типа I присущи микропористым образцам. Ширина микропор не превышает нескольких диаметров молекул, силовые поля соседних стенок пор перекрываются, и энергия взаимодействия твердого тела с молекулой возрастает.  Изотермы данного типа описывают адсорбцию на углеродных адсорбентах, цеолитах, селикагелях.
 
Изотермы Типа II характерны для непористых твердых тел или для макропористых адсорбентов. Характерный признак изотермы Типа IV – наличие петли гистерезиса, что обусловлено эффектом капиллярной конденсацией. Форма петли может быть различной для разных адсорбционных систем, но величина адсорбции при любом данном относительном давлении для линии десорбции всегда больше, чем для линии адсорбции. Изотермы данного типа присущи мезопористым твердым телам. 
 
Изотермы III  типа наблюдаются при адсорбции паров на непористых и макропористых твердых телах, а изотермы V типа – при адсорбции паров на мезопористых и микропористых. 
Изотерма VI типична для некоторых типов цеолитов, которые обладают очень однородными (правильными) порами. На первой ступени заполняются поры одного размера, на следующей - другого, и так далее.
 

Классификация пор

 
На практике методы адсорбции чаще всего используются для определения удельной поверхности и изучения пористой структуры высокодисперсных твердых тел и систем с развитой  пористостью. Существует много типов пористых систем, и, как в различных образцах, так и в одном материале, поры могут значительно различаться по форме и по размеру. Наиболее распространенная классификация пор по размерам была предложена М.М. Дубининым, согласно которой каждый интервал размеров пор соответствует определенным адсорбционным свойствам,  находящим свое выражение в изотермах адсорбции.
 

Классификация пор

Название пор

Размеры пор, нм

Микропоры

менее 2

Мезопоры

2-50

Макропоры

более 50

 
Также поры классифицируются по форме. Существуют следующие упрощенные модели пор:  циллиндр, щель с параллельными стенками, бутылкообразная пора, клиновидная пора, в промежутках между соприкасающимися друг с другом глобулами. Их рассмотрение позволяет сделать полезные заключения о возможности изучения пористой структуры твердых адсорбентов исходя из изотерм адсорбции IV типа. 
 
Наиболее распространенными методами для определения удельной площади поверхности являются метод Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). Для получения распределения мезопор по размерам используется метод Баррета-Джойнера-Халенды (БДХ), микропор – метод Дубинина-Радушкевича (ДР).
 
 

Форма для связи

Форма для связи
Отправляя форму, вы принимаете условия «Соглашения на обработку персональных данных» в соответствии с ФЗ РФ от 27.07.2006 г. №152-ФЗ «О персональных данных».