A gázadszorpció környezetvédelmi jelentősége

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "A gázadszorpció környezetvédelmi jelentősége"

Henrik Alajos Fülöp
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 GÁZADSZORPCIÓ A gázadszorció környezetvédelmi jelentősége A társadalmi fejlődés, a felgyorslt iarosodás, nagyüzemi mezőgazdaság, rbanizáció következtében felbomlott a környezet egyensúlya, előtérbe kerültek a megoldandó környezetvédelmi roblémák. Amennyiben a levegõ minőségét károsan befolyásoló szilárd-, csefolyós-, gáz- vagy gõzhalmazállaotú légszennyező anyagok jtnak a levegőbe: légszennyezésről beszélünk. A légszennyező gázok az iari termelés, az iari balesetek, a fűtés, a közlekedés és természeti katasztrófák következtében kerülhetnek a légkörbe. Legveszélyesebbek a kén-dioxid, a flor és a hidrogén-florid, a klór és a hidrogén-klorid, a nitrogén-oxidok és az ammónia. Ezen környezetszennyező anyagok levegőből történő eltávolításában jt szerehez a gázadszoció jelensége. Gázadszorcióval gázokból szelektív módon komonenseket tdnk megkötni szilárd anyag, az adszorbens felületén. Az adszorbens szemcsés szerkezetû, nagy fajlagos felületû, orózs anyag: l. szilikagél, aktív szén, aktív koksz, barnaszén koksz moleklaszita (zeolit), moleklaszűrő, nyers mészkő. Ezen adszorbensek fajlagos felülete: m 2 /g. Az adszorció az adszorbens külső felületén, valamint a órsokban, kaillárisokban játszódik le. Ebben értelemszerûen benne van az adszorbens külsõ geometriai felülete, valamint az ennél lényegesen nagyobb belsõ felület, vagyis a órsok, kaillárisok felülete. Az adszorbensek regenerálhatósága azt jelenti, hogy az elnyelt komonens kiűzhető, visszanyerhető. Ilyen módon az adszorbens újra felhasználhatóvá válik. Az adszorció berendezései az adszorberek. Ezek többnyire álló, hengeres készülékek, melyben az adszorbens áll (álló ágy) vagy függőlegesen a gravitációs tér hatására mozog (mozgó ágy), ill. alkalmazhatnk flidizált ágyat (flidizált ágy) is. Álló ágy esetén az adszorbens előbbtóbb telítődik a gázmegkötő kéességtől függően, s ekkor nem kées több adszorbenst felvenni. Ekkor az adszorbenst regenerálni kell. Így az adszorció és a regenerálás, ill. az ezt követő lehűtés (minthogy a regenerálást magasabb hőmérsékleten valósítjk meg, melyet követően az adszorbenst vissza kell hűteni, gyanis nagyobb hõmérsékleten kisebb a megkötő kéessége) időtartamától függően kettő vagy több adszorbert kell üzemeltetni a feladat folyamatos ellátására. Ajánlott irodalom: Szekrényesy Tamás: Kolloidika I (76-919/1), Tankönyvkiadó,1988, old. Nagy Lajos György, László Krisztina: Felületek fizikai kémiája raktikm. J6-939 BME jegyzet, oldal Felületmeghatározásra, adszorbensek adszorciós tlajdonságainak vizsgálatára, továbbá katalizátorokkal kacsolatos vizsgálatokra kiterjedten használják az adszorciós méréseket. Az esetek túlnyomó többségében adszorciós izotermákat (a megkötött anyagmennyiség az egyensúlyi nyomás függvényében) mérnek. A gázadszorciós izotermák tiizálhatók.az adott izotermatís 'mögött' tiiks, az adszorbensre (és a gázra) jellemző tlajdonságok állnak. A IUPAC szerinti izotermatrísokat a melléklet ábárn mtatjk be. Az izotermák értelmezésére - értékelésére legelterjedtebben a Langmir és a BET modellt használják. 1

2 A Langmir -modell Feltételek: a) A felület homogén; b) Az adszorció egymoleklás. Ha ezek teljesülnek, a mérési ontokra a χ=χ 1/b+ (1) egyenlettel megadott görbén helyezkednek el. c a fajlagosan adszorbeált mennyiség, az egyensúlyi nyomás, c az egymoleklás borítottságnak megfelelő fajlagos adszorbeált mennyiség, b araméter. Ha az adszorciót az egyenlet elég jól leírja, a linearizált ábrázolásban [(2) egyenlet] a mérési ontok egyenes mentén vannak, melynek iránytangenséből és tengelymetszetéből c és b araméterek meghatározhatók = + χ χ χ b (2) Ez a második feltétel akkor teljesül elég jól, ha távol vagynk a gőz kondenzációjától, azaz a relatív nyomás kicsi: x < 0 005, (3) ahol 0 az adszortívm tenziója. Ahhoz, hogy kis relatív nyomáson már jelentős legyen az adszorció, az szükséges, hogy az adszorciós hő lényegesen nagyobb legyen a árolgáshőnél. 2

3 I. tísú izoterma Viszonylag kis külső felületű mikroórsos anyagokra jellemző aktívszenek, zeolit moleklaszűrők, bizonyos órsos oxidok II. tísú izoterma Reverzíbilis izoterma, a nemórsos vagy makroórsos anyagokra jellemző III. tísú izoterma Reverzíbilis izoterma, a teljes / 0 tartományban konvex, nem gyakori legismertebb élda: vízgőz adszorciója tiszta nemórsos szeneken IV. tísú izoterma Jellegzetessége a hiszterézishrok számos iari mezoórsos szorbensre jellemző V. tísú izoterma Ritka, rokon a III. tísú izotermával gyenge adszorbens-adszorbátm kölcsönhatás esetén Izotermatísok 3 VI. tísú izoterma Lécsőzetes többmoleklás adszorció esetén csefolyós nitrogén hőmérsékletén grafitizált szénen argon vagy kriton adszorciója

4 Többréteges adszorció. A BET modell Ha a relatív nyomás meghaladja az 5 %-ot, számolhatnk többréteges adszorcióval. Változatlanl homogén felületet feltételezve, Brnaer, Emmett és Teller izotermaegyenlete - a legelterjedtebben használt gázadszorciós modell - lehet alkalmas az adszorció leírására: χ x c = χ 1 x 1+ c 1 x ( ) (4) ahol x = 0 és c a gáz/szilárd kölcsönhatás erősségére jellemző araméter. A netto adszorciós hő c-ből számítható a következő összefüggés alaján: H net =RTlnc. Célszerű ezt az egyenletet is linearizálni és úgy rendezni, hogy az egyik oldalon csak mérhető mennyiségek maradjanak: 1 x 1 c 1 = + x χ 1 x χ c χ c (5) A BET egyenlet kis relatív nyomáson a Langmir-egyenletre redkálódik (1-x 1 elhanyagolás). A linearizált ábrázolás az egyenlet érvényességének ellenőrzése mellett a araméterek, elsősorban v meghatározására alkalmas. A BET egyenlet alkalmazhatóságának tartománya általában: 0,05 < x < 0,35 Kisebb redkált nyomásokon általában a felület inhomogenitása (aktív helyek) torzítja az izotermát. Nagyobb nyomásokon órsos adszorbenseknél változhat meg az izoterma jellege. A szűk órsok egyrészt gátolják a sokrétegű adszorciót, másrészt a órsmérettől függően kisebb vagy nagyobb relatív nyomás tartományban jelentkezik a kailláris kondenzáció, amely vagy jellegzetes hllámként mtatkozik meg az izotermán, vagy az ilyen esetben gyakori hiszterézis-hrok formájában. Fajlagos felület meghatározása a BET-modell alaján Ha a linearizált BET egyenlet bal oldalán levő törtet ábrázoljk az x redkált nyomás függvényében, a kaott egyenes iránytangenséből és tengelymetszetéből megkahatjk az egymoleklás borítottságnak megfelelő c fajlagos adszorciót. Kiszámíthatjk ebből a fajlagos felületet, ha ismerjük egy molekla fajlagos felületszükségletét. A taasztalat szerint jól használható felületigényt kank, ha szoros illeszkedéssel számolnk. Néhány gáz felületigénye: gáz nm 2 /molekla rel. moleklatömeg N 2 0,162 28,0134 Ar 0,142 39,948 CO 0,163 28,01 CO 2 0,195 44,01 4

5 Néhány tiiks adszorbens fajlagos felülete: anyag fajlagos felület, m 2 /g egymoleklás nitrogénréteg 7000 aktív szén szilikagél katalizátor or, f = 0,1 mm 0,1-0,5 Ha c értéke elég nagy, az (5) egyenletben a jobboldali első tag nllához tart és az egyenes az origóból indl. Ezt használja ki az ún. egyontos módszer, melynek során egyetlen relatív nyomásnál (általában x 0.3-nál) mérjük az adszorciót és ebből határozzk meg az adszorciós kaacitást. Az iari minősítéseknél használatos ez a gyors eljárás, ahol gyanazon anyagi minőségű felületek összehasonlítása a feladat. A volmetriks mérés elvégzése A volmetriks módszer az adszorció következtében a gáztérben bekövetkezett nyomásváltozást méri. Ideális gáz feltételezéssel a nyomáskülönbségből számítható a megkötött anyagmennyiség. Az adszorciómérés előtt az adszorbenst alaosan meg kell tisztítani az adszorbeált gázoktól. Ez az adszorbens hevítésével (természetesen csak olyan hőmérsékleten, mely még nem okoz károsodást) és tartós (ontos mérésnél órákig tartó) szivattyúzással történik. A méréseket a Qantasorb cég által gyártott AUTOSORB nevű készüléken végezzük. A készülék atomata működésű és tetszőleges nem korrozív gázzal mérhetünk rajta. A gázadszorciós méréseknél standardként használt N 2 gáz adszorcióját mérjük, a csefolyós nitrogén forrásontján. A készüléknek két mintaelőkészítő helye van, ahol folyamatban lévő mérés alatt is lehetőség van két további minta leszívatására és kimelegítésére (max. hőmérséklet 300 C). A vizsgált minták tömegét leszívatás előtt és tán is mérjük. A mérés menete A kívánt egyensúlyi nyomás intervallma, az értékek sűrűsége és konkrét értéke tetszés szerint beállítható. 1) szükség esetén 0 értékének meghatározása 2) az adszorbens - edény szabad térfogatának meghatározása inert (nem adszorbeálódó) gázzal (l. He). Erre a nyomáskülönbség adszorbeált térfogat számításnál van szükség. 3) a He leszívása 4) adott mennyiségű N 2 beadagolása 5) az egyensúlyi állaot (d/dt 0) kivárása. A azt jelenti, hogy a készülék felhasználója döntheti el, milyen mértékben kívánja a 0 értéket megközelíteni (idő!). 5

6 6) az egyensúlyi adatok kiírása és eltárolása 7) újabb cikls indl a 4) onttól. A készülék igen gazdag szoftverkészlete igen gyors méréskiértékelést tesz lehetővé. Mérési feladat Határozzk meg egy adszorbens fajlagos felületét a többontos és az egyontos módszerrel, a BET modell segítségével. Számítsa ki a nettó adszorciós hőt a BET egyenlet c konstansából. Hasonlítsa össze a többontos és egyontos módszerrel számított fajlagos felületet és értelmezze az eltérést. Számítsa ki, hogy hány %-os hibát okoz, ha az egyontos módszert alkalmazza. 6

Hasonló dokumentumok

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével 5.1. Átismétlendő anyag 1. Adszorpció (előadás) 2. Langmuir-izoterma (előadás) 3. Spektrofotometria és Lambert Beer-törvény