Izotermy adsorpcji

Dogodne jest podzielenie wszystkich procesów adsorpcji na dwie kategorie. Podział ten związany jest z rodzajem sił wiążących cząsteczki gazowe z ciałem stałym; mogą to b siły fizyczne lub wiązania chemiczne. Rozróżniamy więc adsorpcję fizyczną i adsorpcję chemiczną, czyli chemisorpcję (adsorpcja może przypominać proces fizyczny, kondensację lub reakcję chemiczną).

Badanie procesu adsorpcji polega najczęściej na wyznaczaniu zależności między ilością gazu zaadsorbowanego przez daną masę adsorbentu a ciśnieniem gazu. Pomiary takie wykonuje się zwykle w stałej temperaturze, a otrzymane wyniki przedstawia się graficznie w postaci tzw. izotermy adsorpcji. W praktyce mierzy się objętość gazu zaadsorbowanego przez daną masę adsorbentu albo określa się zmianę masy adsorbentu poddanego działaniu gazu o określonym ciśnieniu.

Langmuir przyjął, iż chemisorpcja prowadzi do utworzenia na powierzchni adsorbentu warstwy jednocząsteczkowej i rozważał równowagę ustalającą się między fazą gazowa a częściowo utworzoną warstwą jednocząsteczkową. Ciśnieniu gazu p odpowiada ułamek pokrytej powierzchni Θ. Równowaga ma charakter dynamiczny; szybkość desorpcji jest równa szybkości ich adsorpcji. Teoria Langmuira zakłada, że szybkość desorpcji jest proporcjonalna do ułamka powierzchni pokrytej przez cząsteczki Θ. Natomiast szybkość adsorpcji jest proporcjonalna zarówno do ciśnienia gazu p, jak i do ułamka po­wierzchni jeszcze nie pokrytej przez zaadsorbowane cząsteczki (1-Θ). W stanie równowagi szybkości desorpcji i adsorpcji są równe:

Wprowadzając współczynnik aproksymacji b = k / k' można napisać:

Doświadczalna izoterma adsorpcji jest obrazem zależności między ilością gazu zaadsorbowaną przez daną masę adsorbentu a ciśnieniem gazu. Liczba moli substancji n zaadsorbowana pod pewnym ciśnieniem p oraz ilość substancji n_m potrzebna do utworzenia warstwy jednocząstecz­kowej powiązane są ze stopniem pokrycia powierzchni Θ zależnością (oraz a = n/m i a_m = n_m/m, gdzie: m-masa adsorbentu):

lub

Freundlich podał empiryczne równanie izotermy adsorpcji, dość dobrze opisujące adsorpcję gazów, stosowane jednak głównie w przypadku adsorpcji z roztworów. Równanie Freundlicha ma postać:

gdzie: y oznacza masę substancji zaadsorbowanej przypadającą na l g adsorbentu, c — stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze, k i n — stałe empiryczne. Dogodne jest posłu­giwanie się logarytmiczną postacią równania:

Jeżeli dane doświadczalne spełniają równanie Freundlicha, graficznym obrazem zależności ln y od ln c jest linia prosta. Umożliwia to wyznaczenie stałych równania Freundlicha na podstawie nachylenia prostej i odcinka wyznaczonego przez prostą na osi rzędnych.

1. Pomiary i obliczenia

- 2 -

---