فرایند جذب سطحی

 

تعريف جاذب

 

جاذب ها به طور طبيعي موادي متخلخل هستند كه داراي سطح تماس بسيار زياد بوده و مي توانند برخي از مواد را با نيروهاي بين مولكولي روي سطح خود جذب كنند.بيشتر از اينكه به نوع فرآيند جذب (از حيث پايا يا ناپايا بودن) توجه شود، معمولاً به انتخاب نوع جاذب توجه مي شود. از جمله خصوصيات مورد توجه جاذب ها, ظرفيت جذب بالا، انتخاب پذيري بالا و سرعت جذب آنها مي باشد. پس از آن اندازه و تخلخل ذرات جاذب نيز مهم هستند، زيرا مقدارافت فشار بستر جاذب را تعيين مي نمايند.

 

1-2-2) انواع جاذبها

 

دستهبندي جاذبها به صورتهاي مختلف امكان پذير است. معمولاً مواد جاذب سطحي را طبق روشهاي زير دسته بندي مي كنند:

ü      از حيث اندازه و شكل ذرات

 

ü      از حيث تركيب شيميايي

 

ü      از حيث نوع ايزوترم جذب

 

2-2-2) اندازه و شكل ذرات جاذب

 

با توجه به تعريف IUPACحفرات از نظر سايز به سه گروه تقسيم مي شوند:

 

1- ماكروپور: حفرات با قطر بزرگتر از 50 nm)°A500)

 

2- مزوپور: حفرات با قطر بين 2 و 50 nm)°A500-20(

 

3- ميكروپور: حفرات با سايز كوچكتر از 2 nm) °A20(

 

حفرات به 4 شکل سيلندري, شكاف دار,بطري شكل وگوه ايهستند. كليه حفرات سه گانه فوق مي توانند به صورت مستقيم[1] ، مسيرهاي پرپيچ و خم[2]، مسيرهاي يكطرفه[3] (بن بست) و يامسيرهاي ايزوله[4] در داخل جسم جامد متخلخل وجود داشته باشند. بديهي است كه حفرات ايزوله هيچ گونه نقشي در انتقال جرم نداشته و حفرات بن بست نيز اگر چه در جاذب هاي سطحي نقش فعالي دارند.

 

 

 

3-2-2)تركيب شيميايي جاذب

 

جاذبها يا به طور طبيعي در طبيعت موجود هستند و يا از طريق روشهاي صنعتي توليد مي شوند.دياتوميت ، زئوليت و clayاز انواع جاذبهاي طبيعي وكربن فعال، سيليكاژل، آلومينا، زئوليت مصنوعي و غربال مولكولي از نمونه هاي جاذبهاي صنعتي هستند.جاذبها بطور کلي دو منبع آلي و غير آلي دارند

 

 

 

1-3-2-2) جاذب هاي غير آلي

 

آلومينا: آلومينا از هيدرات آمونيا (Al2O3.n H2O) توليد مي شود كهn   ، 1 يا 3 است و با عمليات آب زدايي به 5/0 مي رسد . اسامي تجاري كه كارخانه ها تعيين كرده اند عبارتند از Alcan, Alcoa, Lanza, Rhone- Poulenc, DOP  كه از نظر ساختار متفاوت اند. سطح تماس مؤثر آنها بين 200 تا 400 m2/g  است كه به شكل دانه هاي به قطر 1 تا 8 mmيا پودري هستند. اين جاذب براي حذف تركيبات هيدروژني و مركاپتان ها از جريان خوراك هيدروكربني، يون هاي فلورايد از آب، اسيد هيدروكلريك از هيدروژن وغيره استفاده مي شود و به عنوان كاتاليست نيز به كار مي رود .

 

 

سيليكا: سطح تماس آنها بين 300 تا 900 m2/g     است كه به دانسيته بستگي دارد. موادي كه دانسيته بالاتري دارند حفرات ريزتر و سطح تماس بيشتري دارند. اين نوع جاذب به شكل دانه هاي با قطر 1 تا 3 mmيا قرص هايي به اندازه 3 تا 4 mm  يا به شكل پودري توليد مي شود. سيليکا به عنوان جاذب براي جداسازي هيدروكربن ها و كاهش نقطه شبنم گاز طبيعي و خشك كردن هيدروكربن هاي مايع  استفاده مي شود .

 

 

 خاكهاي رس ( Fullers earths): اين خاكها عموما طبيعي هستند و از سيليكاتهاي منيزيم آلومينيوم تشكيل شده اند. خاك رس حرارت داده شده وخشك مي شود، سپس ساختمان متخلخل بوجود آمده را خرد مي كنند. رسها در رنگ زدايي ، خنثي سازي و خشك كردن محصولات نفتي مثل روغنهاي روانكاري، نفت سفيد و بنزين استفاده مي شود.

 

 

 

زغال استخوان (Bone Char): از تقطير تخريبي استخوان خشك پودر شده در دماي 600 تا 900 درجه سانتي گراد بدست مي آيد . اين ماده را به طور وسيعي در تصفيه شكر مصرف مي شود . زغال استخوان را پس از شستشو و سوزاندن مجددا قابل مصرف مي كنند.

 

 

 

زئوليت ها: بيشتر زئوليتها آلومينوسيليكات ها هستند كه ممكن است تركيب استوكيومتري دو جاذب سيليكاژل و آلومينا باشد. حفرات ميكروپور زئوليت ها بسيار ريز و يكنواخت است و غربال مولکولي ناميده مي شود. فرمول كلي زئوليت ها به صورت M2/n .A1203 • X Sit • Y H20كه xنسبت سيليكا به آلومينا و Yتعداد مول آب هيدرات است. زئوليت همه تركيبات بسيار ريز كريستالي را جذب مي كند. زئوليت براي خشك كردن مايعات و گازها ،جداسازي اكسيژن از هوا، نرمال پارافين از نفتا و پي زايلن از ديگر ايزومرها استفاده مي شود.

 

بيش از 150 نوع زئوليت سنتز شده شناخته شده است كه مهم ترين نوع آن Aو Xمي باشد . ضمناً بيش از 40 نوع زئوليت طبيعي نيز يافت شده است . زئوليت هاي سنتزي به علت تفاوت در سايز حفره ها و شكل شبكه آنها ، اين قابليت را دارند كه شكل خاصي از مولكول ها را در خود جذب كنند و اشكال ديگر را بدون جذب از خود عبور دهند . فرآيند جذب سطحي و دفع سطحي مولكول ها روي زئوليتها بر اساس تفاوت بين سايز مولكول ها ، شكل مولكول ها و برخي خواص ديگر مانند قطبيت مولكول ها صورت مي گيرد . سايز حفره ها و يا كانال ها توسط تعداد اتم هايي كه پنجره هاي كريستالي را تشكيل مي دهند مشخص مي شود . براي مثال ، پنجره ها ممكن است از حلقه هاي 6 ، 8 ، 10 يا 12 تايي اتم هاي اكسيژن كه به همان تعداد آلومينيوم ويا سيليكون دارد ، تشكيل شده باشد .

 

حالت 6 تايي اتم هاي اكسيژن ، پنجره هايي را تشكيل مي دهند كه تنها مولكول هاي خيلي كوچك مانند آب يا آمونياك را از خود عبوردهند . زئوليت هاي 8 ، 10 يا 12 اكسيژنه داراي پنجره هايي به قطر 42/0 ، 57/0 و 74/0 نانومتر مي باشند. شكل 3-1 يك زئوليت نوع Aو Xرا نشان مي دهد . زئوليت هاي نوع A، چنان كه در شكل ديده مي شود ، از 10 اكسيژن و زئوليت نوع Xاز 12 اكسيژن تشكيل شده اند . نوع Xداراي پنجره هاي بزرگتري نسبت به Aمي باشد. و مي تواند مولكول هاي بزرگتري را جذب نمايد.

 

 

واحد هاي ساختماني اوليه زئوليت ها ، چهار گوشه هاي سيليكون و آلومينيوم هستند . از اجتماع اين واحد ها ، واحدهاي ثانويه كه چند وجهي هايي همانند مكعب ها ، منشورها ي شش ، هشت گوش و هشت گوش بريده تشكيل مي گردد .

 

اتم هاي سيليكون و آلومينيوم ، در گوشه هاي چند وجهي قرار مي گيرند و به وسيله ي اتم هاي اكسيژن به هم متصل مي شوند . نسبت سيليكون ها به آلومينيوم ها معمولا بين 1 تا 5 مي باشد . اتم آلومينيم را مي توانند از شبكه خارج كرده و به جاي آن سيليكات قرار دهند و به اي ترتيب تعداد كاتيون ها كاهش مي يابد و كاتيون هاي ديگري مي توانند جاي آنها را بگيرند .

 

بدين ترتيب با توجه به آن كه تعداد اكسيژن ها در قطر پنجره مؤثر هستند و تعداد كاتيونها در خواص جذب تأثير دارند ، با تغيي اين دو پارامتر مي توان زئوليت هاي مختلف ساخته و بسته به نوع  كاربرد ار آنها استفاده كرد . زئوليت نوع Aكه در شكل 3-1 آمده است ، همانطور كه ديده مي شود يك هشت گوش بريده مي باشد . هر يك از گوش هاي آن مي توانند از داخل منشور هاي چهار وجهي به هم متصل شوند . يك واحد زئوليت نوع A، محتوي 24 چهار وجهي است ، 12 عدد  و 14 عدد  . وقتي مولكول كاملا از آب اشباع شود ، 27 مولكول آب در مركز و هشت گوش آن وجود دارد ( قطر پنجره A1.14 مي باشد ).

 

زئوليت هاي نوع Aبا 12 كاتيون سديم تشكيل مي شود كه اين زئوليت A4 مي باشد . سديم را مي توان با انواع كاتيون هاي ديگر يا يون هيدروژن جابجا كرد . اگر اين زئوليت را در نظر بگيريم و  آن را با  و يا  تعويض كنيم ، زئوليت هاي نوع 5Aكه دريچه بزرگتري دارد بدست مي آيد . جذب انتخابي زئوليت ها در اينجا مجددا مشاهده مي شود .چرا كه با استفاده از 4Aدر جداسازي هوا ، محصول نيتروژن خواهد بود ، به علت آنكه اكسيژن بهتر جذب مي شود . اما در جداسازي هوا با 5Aمحصول اكسيژن خواهيم داشت و نيتروژن جذب 5Aمي شود .

 

 خواص فيزيكي زئوليت 5Aدر ذيل عنوان شده است :

 

Physical properties of 5A

 

Internal porosity = 34%

 

Buik dencity = 0.6 – 0.66     kg / L

 

Average pore diameter = 0.5 nm

 

Surface  area = 0.7 km^2 / kg

 

Sorptive capacity ( dry ) = 0.23 – 0.28 kg / kg

 

 

 

شكل 1-2) ساختار چند وجهي زئوليتها : (a) زئوليت Aو (b) زئوليتX

 

2-3-2-2) جاذبهاي آلي

 

كربن فعال: كربن فعال به صورت دانه ها يا قرصهاي سياه رنگ هستند. با انجام فرآيندهاي فعال سازي متفاوت، توزيعهاي مختلفي از حفرات داخلي را مي توان توليد کرد. سطح تماس اين جاذب ها بين 300 تا 1500 m2/gتغيير مي كند. شكل معمول آنها دانه هايي به قطر 1 تا 3 mmاست. کربن فعال براي حذف مواد آلي خطرناك از آب، كلر زدايي خوراك و خالص سازي داروها استفاده مي گردد. كربن فعال را مي توان از چوب، ذغال، ذغال سنگ و پوسته نارگيل توليد كرد.

 

 

 

پليمري: اين نوع جاذبها معمولا از نوع  polystyrene/divinylbenzene copolymerهستند و به شكل كروي و سايز حفرات زياد وجود دارند. در ساخت جاذبهاي پليمري به جاي اين ماده از polymethacrylate, divinylbenzene/ethylvinylbenzene ,vinylpyridineنيز استفاده مي شود. سطح تماس اين نوع جاذبها بين 5 تا 800 m2/g است.محدوده سايز اين حفرات بين 20 تا A°2000 است . كاربرد اين پليمر ها در خالص سازي و بازيافت آنتي بيوتيكها و ويتامين ها ، كلر زدايي، جداسازي مواد آلي سبك از آب و غيره است .

 

 

 

 

 

3-2) انواع ايزوترم ها

 

ايزوترم نشان دهنده مقدار ماده جذب شونده روي سطح جاذب بعنوان تابعي از فشار (اگر گاز باشد) يا غلظت (اگر مايع باشد) در دماي ثابت است کهتعادل بين فاز سيال و فاز جاذب را بيان مي كند.اولين طبقه بندي ايزوترمهاي جذب سطحي توسطBrunauer  و همکاران در سال1938 ارائه گرديد که طي آن ايزوترمها به پنج نوع تقسيم شدند. همانگونه که در شکل (1-1) مشاهده مي شود، کمسيون IUPACدر سال 1985 با ارائه يک اصلاحيه، يک ايزوترم پله اي به پنج نوع قبلي اضافه کرد. يک توضيح دقيقاز مدلهاي متفاوت که در هر نوع از ايزوترمها استفاده شده توسطGregg  و Singدر سال 1982 ارائه گرديده است.

 

ايزوترم نوع Iاز نوع ايزوترم لانگمور است (پوشش يك لايه). اين نوع ايزوترم براي جذب سطحي گاز روي جاذب هاي ميكروپور مشاهده شده که اندازه حفرات خيلي از قطر مولکولهاي جذب شونده بزرگتر نيست و با تکميل لايه اول جذب، اين حفرات کوچک پر مي شوند. يک مثال براي اين نوع، جذب سطحي اكسيژن روي کربن سياه در دماي 183- درجه سانتيگراد است.

 

ايزوترم نوع IIمكانيسم جذب ايزوترم BETاستو مانند نوع اول با يک لايه اشباع نمي شود. اين نوع ايزوترم جذب چند لايه اي نامحدود پس از تکميل لايه اول را نشان داده و اين به علت بازه وسيع اندازه حفرات جاذب است. مثال اين نمونه، جذب سطحي نيتروژن روي كاتاليست هاي آهن در دماي 195- درجه سانتيگراد و يا جذب بخار آب روي کربن فعال در دماي 30 درجه سانتيگراد است (بسياري از جامدات در اين گروه قرار مي گيرند).

 

 

شما هم می توانید در مورد این فایل نظر دهید.