Adsorpsiyon - Adsorption

Brunauer, Emmett ve Teller'in çok katmanlı adsorpsiyon modeli , malzeme yüzeyinde moleküllerin rastgele dağılımıdır.

Adsorpsiyon bir yapışma ait atomuna , iyonlar veya moleküller , bir gaz, sıvı veya katı çözülmüştür gelen yüzeyi . Bu işlem , adsorbanın yüzeyinde adsorbattan bir film oluşturur . Bu işlem , bir sıvının ( absorbat ) bir sıvı veya katı ( emici ) tarafından çözüldüğü veya bu maddeye nüfuz ettiği absorpsiyondan farklıdır . Adsorpsiyon bir yüzey olayıdır , absorpsiyon malzemenin tüm hacmini içerir, ancak adsorpsiyon genellikle absorpsiyondan önce gelir. Sorpsiyon terimi her iki işlemi de kapsar, desorpsiyon ise bunun tersidir.

Gibi yüzey geriliminin , adsorpsiyon bir sonucudur yüzey enerjisi . Bir dökme malzemede, malzemeyi oluşturan atomların tüm bağlanma gereksinimleri ( iyonik , kovalent veya metalik olsun ) malzemedeki diğer atomlar tarafından karşılanır. Bununla birlikte, adsorbanın yüzeyindeki atomlar, diğer adsorban atomları tarafından tamamen çevrelenmez ve bu nedenle adsorbatları çekebilir. Bağlanmanın tam doğası, ilgili türlerin ayrıntılarına bağlıdır, ancak adsorpsiyon işlemi genellikle fizisorpsiyon (zayıf van der Waals kuvvetlerinin özelliği ) veya kimyasal soğurma ( kovalent bağın özelliği ) olarak sınıflandırılır . Elektrostatik çekim nedeniyle de oluşabilir.

Adsorpsiyon birçok doğal, fiziksel, biyolojik ve kimyasal sistemde mevcuttur ve heterojen katalizörler , aktif kömür , klima ve diğer proses gereksinimleri için soğuk su sağlamak için atık ısının yakalanması ve kullanılması gibi endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılır ( adsorpsiyon soğutucuları ), sentetik reçineler , karbür türevli karbonların depolama kapasitesinin arttırılması ve su arıtma . Adsorpsiyon, iyon değişimi ve kromatografi , belirli adsorbatların sıvı fazdan seçici olarak bir kapta asılı kalan veya bir kolonda paketlenmiş çözünmeyen, katı parçacıkların yüzeyine aktarıldığı sorpsiyon prosesleridir. Spesifik ilaçlara veya bunların parçalarına nörolojik maruziyeti uzatmak için bir araç olarak adsorpsiyon kullanan farmasötik endüstrisi uygulamaları daha az bilinmektedir.

"Adsorpsiyon" kelimesi 1881'de Alman fizikçi Heinrich Kayser (1853–1940) tarafından icat edildi .

izotermler

Gazların ve çözünen maddelerin adsorpsiyonu genellikle izotermlerle, yani sabit sıcaklıkta basıncının (gaz ise) veya konsantrasyonunun (sıvı fazdaki çözünen maddeler için) bir fonksiyonu olarak adsorban üzerindeki adsorbat miktarı ile tanımlanır. Adsorplanan miktar, farklı malzemelerin karşılaştırılmasına izin vermek için hemen hemen her zaman adsorbanın kütlesi tarafından normalleştirilir. Bugüne kadar 15 farklı izoterm modeli geliştirilmiştir.

freundlich

Bir izoterme ilk matematiksel uyum, Freundlich ve Kuster (1906) tarafından yayınlandı ve gaz halinde adsorbatlar için tamamen ampirik bir formüldür:

${\displaystyle {\frac {x}{m}}=kP^{1/n},}$

burada adsorbat adsorbe kütlesi olan adsorban kütlesi, bir adsorbat basınç (yerine gaz daha çözeltisi inceleyen bu konsantrasyona değiştirilebilir), ve ve her bir adsorban-adsorbat çifti için ampirik sabit belirli bir sıcaklıkta olan . Fonksiyon çok yüksek basınçta yeterli değildir çünkü gerçekte basınç sınırsız olarak arttıkça asimptotik bir maksimuma sahiptir. Sıcaklık arttıkça, sabitler ve adsorbe edilen miktarın daha yavaş arttığına dair ampirik gözlemi yansıtmak için değişim ve yüzeyi doyurmak için daha yüksek basınçlar gereklidir. ${\görüntüleme stili x}$${\görüntüleme stili m}$${\görüntüleme stili P}$${\görüntüleme stili k}$${\görüntüleme stili n}$${\görüntüleme stili x/m}$${\görüntüleme stili k}$${\görüntüleme stili n}$

Langmuir

Irving Langmuir , 1918'de bilimsel temelli bir adsorpsiyon izotermi türeten ilk kişiydi. Model, katı yüzeylerde adsorbe edilen gazlar için geçerlidir. Kinetik temelli yarı deneysel bir izotermdir ve istatistiksel termodinamiğe dayalı olarak türetilmiştir. Basitliği ve çeşitli adsorpsiyon verilerine uyma yeteneği nedeniyle kullanılan en yaygın izoterm denklemidir. Dört varsayıma dayanmaktadır:

1. Adsorpsiyon alanlarının tümü eşdeğerdir ve her site yalnızca bir molekülü barındırabilir.
2. Yüzey enerjik olarak homojendir ve adsorbe edilen moleküller etkileşime girmez.
3. Faz geçişleri yoktur.
4. Maksimum adsorpsiyonda sadece tek tabaka oluşur. Adsorpsiyon, diğer adsorbatlarla değil, yalnızca yüzeydeki lokalize bölgelerde meydana gelir.

Bu dört varsayımın tamamı nadiren doğrudur: yüzeyde her zaman kusurlar vardır, adsorbe edilen moleküller mutlaka inert değildir ve mekanizma, bir yüzeye adsorbe eden ilk moleküller için sonuncusu ile açıkça aynı değildir. Dördüncü koşul en zahmetli olanıdır, çünkü sıklıkla daha fazla molekül tek tabakaya adsorbe edilir; bu sorun, nispeten düz ( mikro gözenekli olmayan ) yüzeyler için BET izotermi tarafından ele alınmaktadır . Langmuir izotermi yine de çoğu adsorpsiyon modeli için ilk tercihtir ve yüzey kinetiği (genellikle Langmuir-Hinshelwood kinetiği olarak adlandırılır ) ve termodinamikte birçok uygulamaya sahiptir .

Langmuir, adsorpsiyonun şu mekanizma yoluyla gerçekleştiğini öne sürdü: burada A bir gaz molekülüdür ve S bir adsorpsiyon bölgesidir. Doğrudan ve ters oran sabitleri k ve k _-1'dir . Yüzey kaplamasını, dengede işgal edilen adsorpsiyon bölgelerinin oranı olarak tanımlarsak : ${\displaystyle A_{\text{g}}+S\rightleftharpoons AS}$${\görüntüleme stili\teta }$

${\displaystyle K={\frac {k}{k_{-1}}}={\frac {\theta }{(1-\theta )P}},}$

veya

${\displaystyle \theta ={\frac {KP}{1+KP}},}$

gazın kısmi basıncı veya çözeltinin molar konsantrasyonu nerede . Çok düşük basınçlar ve yüksek basınçlar için . ${\görüntüleme stili P}$${\ Displaystyle \ theta \ yaklaşık KP}$${\ Displaystyle \ theta \ yaklaşık 1}$

değerini deneysel olarak ölçmek zordur; genellikle, adsorbat bir gazdır ve adsorbe edilen miktar , adsorbanın gramı başına standart sıcaklık ve basınçta (STP) mol, gram veya gaz hacimleri olarak verilir . Adsorban üzerinde bir tek tabaka oluşturmak için gerekli olan adsorbat STP hacmini v _{mon olarak} adlandırırsak (adsorbanın gramı başına), o zaman , ve düz bir çizgi için bir ifade elde ederiz: ${\görüntüleme stili\teta }$${\displaystyle \theta ={\frac {v}{v_{\metin{mon}}}}}$

${\displaystyle {\frac {1}{v}}={\frac {1}{Kv_{\text{mon}}}}{\frac {1}{P}}+{\frac {1}{v_ {\metin{mon}}}}.}$

Eğimi ve y kesişimi aracılığıyla, belirli bir sıcaklıkta her adsorban-adsorbat çifti için sabit olan v _mon ve K elde edebiliriz . v _mon , ideal gaz yasası yoluyla adsorpsiyon bölgelerinin sayısı ile ilgilidir . Bölge sayısının sadece katının adsorbat moleküllerinin enine kesitine bölünmüş tüm alanı olduğunu varsayarsak, adsorbanın yüzey alanını kolayca hesaplayabiliriz. Bir adsorbanın yüzey alanı, yapısına bağlıdır: sahip olduğu daha fazla gözenek, daha büyük alan, bu da yüzeyler üzerindeki reaksiyonlar üzerinde büyük bir etkiye sahiptir .

Yüzeyde birden fazla gaz adsorbe ederse , boş alanların oranı olarak tanımlarız ve elimizde: ${\ Displaystyle \ theta _ {E}}$

${\displaystyle \theta _{E}={\dfrac {1}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}}.}$

Ayrıca, tanımlayabilir kesrini tarafından işgal olarak j -inci gaz: ${\ Displaystyle \ theta _{j}}$

${\displaystyle \theta _{j}={\dfrac {K_{j}P_{j}}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}},}$

burada i adsorbe eden gazların her biri.

Not:

1) Langmuir ve freundlich denklemleri arasında seçim yapmak için adsorpsiyon entalpileri araştırılmalıdır. Langmuir modeli adsorpsiyon enerjisinin yüzey doluluğu ile sabit kaldığını varsayarken, Freundlich denklemi, bağlanma bölgeleri işgal edildikçe adsorpsiyon ısısının sürekli olarak azaldığı varsayımıyla türetilir. Verilerin en iyi uyumuna dayalı model seçimi yaygın bir yanlış anlamadır.

2) Langmuir modelinin doğrusallaştırılmış formunun kullanımı artık yaygın bir uygulama değildir. Hesaplama gücündeki gelişmeler, hiçbir veri dönüştürmesi gerekmediğinden doğrusal olmayan regresyonun hızlı ve daha yüksek bir güvenle gerçekleştirilmesine izin verdi.

BAHİS

Moleküller genellikle çok katmanlı oluştururlar, yani bazıları zaten adsorbe olmuş moleküller üzerinde adsorbe edilir ve Langmuir izotermi geçerli değildir. 1938'de Stephen Brunauer , Paul Emmett ve Edward Teller , bu olasılığı hesaba katan bir model izotermi geliştirdiler. Teorilerine , soyadlarının baş harflerinden sonra BET teorisi denir . Langmuir'in mekanizmasını şu şekilde değiştirdiler:

A _(g) + S ⇌ AS,

A _(g) + AS ⇌ A ₂ S,

A _(g) + A ₂ S ⇌ A ₃ S vb.

Langmuir (mavi) ve BET (kırmızı) izotermleri

Formülün türetilmesi Langmuir'inkinden daha karmaşıktır (tam türetme için bağlantılara bakın). Elde ederiz:

${\displaystyle {\frac {x}{v(1-x)}}={\frac {1}{v_{\text{mon}}c}}+{\frac {x(c-1)}{\frac {1}{v_{\text{mon}}c}} v_{\text{mon}}c}},}$

burada x , o sıcaklıkta adsorbat için buhar basıncına bölünen basınçtır (genellikle ), v , adsorbe edilen adsorbat STP hacmidir, v _mon , bir tek tabaka oluşturmak için gereken adsorbat miktarının STP hacmidir ve c , Langmuir izoterminde kullandığımız denge sabiti K , adsorbat buhar basıncı ile çarpılır. Birinci hariç tüm katmanlar için ardışık adsorpsiyon ısılarının adsorbat yoğunlaşma ısısına eşit olduğu BET denkleminin türetilmesinde kullanılan temel varsayım. ${\görüntüleme stili P/P_{0}}$

Langmuir izotermi genellikle kimyasal adsorpsiyon için daha iyidir ve BET izotermi mikro gözenekli olmayan yüzeyler için fizisorpsiyon için daha iyi çalışır.

Kisliuk

Önceden adsorbe edilmiş bir adsorbat adası (solda) ve rastgele adsorpsiyon (sağda) etrafında öncü halden bir tungsten adsorban üzerine adsorbe eden iki adsorbat nitrojen molekülü

Diğer durumlarda, daha önce katı bir yüzey üzerinde adsorbe edilen gaz molekülleri arasındaki moleküler etkileşimler, gaz fazlarındaki gaz molekülleri ile önemli etkileşimler oluşturur. Bu nedenle, gaz moleküllerinin yüzeye adsorpsiyonunun, katı yüzey üzerinde halihazırda mevcut olan gaz moleküllerinin etrafında meydana gelmesi daha olasıdır, bu da Langmuir adsorpsiyon izotermini modelleme amaçları için etkisiz hale getirir. Bu etki, 1957'de Paul Kisliuk (1922-2008) tarafından azotun adsorbat ve tungstenin de adsorban olduğu bir sistemde incelenmiştir. Substrat yüzeyinde bulunan moleküller etrafında meydana gelen artan adsorpsiyon olasılığını telafi etmek için Kisliuk öncü durumunu geliştirdi. Moleküllerin gaz fazında katı adsorban ve adsorbat arasındaki arayüzde bir öncü duruma gireceği teorisi. Buradan, adsorbat molekülleri ya adsorbana adsorbe eder ya da gaz fazında desorbe olur. Öncül durumdan meydana gelen adsorpsiyon olasılığı, adsorbat'ın halihazırda adsorbe edilmiş olan diğer adsorbat moleküllerine yakınlığına bağlıdır. Ön-madde halinde adsorbat molekülünün önceden yüzeyinde oluşmuş olan bir adsorbat moleküle yakın ise, S büyüklüğüne göre yansıyan bir yapışma olasılığına sahiptir _e sabit ve ya bir hızda ön-madde durumundan emilecektir bir k _EC veya hızında gaz haline desorbe edecektir k _ES . Bir adsorbat molekülü başka bir önceden adsorbe adsorbat moleküllerinden uzak bir yerde ön-madde durumuna girer ise, yapışma olasılığı S büyüklüğü ile yansıtılır _D sabiti.

Bu faktörler , aşağıda açıklanan "yapışkan katsayısı", k _E olarak adlandırılan tek bir sabitin parçası olarak dahil edildi :

${\displaystyle k_{\text{E}}={\frac {S_{\text{E}}}{k_{\text{ES}}S_{\text{D}}}}.}$

S olarak _D , Langmuir modeline göre dikkate alınır faktör tarafından belirlenecektir, S _D adsorpsiyon hızı sabit olduğu kabul edilebilir. Bununla birlikte, Kisliuk modeli için hız sabiti ( R '), Langmuir modelinden farklıdır, çünkü R ', difüzyonun tek tabaka oluşumu üzerindeki etkisini temsil etmek için kullanılır ve sistemin difüzyon katsayısının karekökü ile orantılıdır. Kisliuk adsorpsiyon izotermi aşağıdaki gibi yazılır; burada θ _{( t )} adsorbanın adsorbatla fraksiyonel kapsamıdır ve t daldırma süresidir:

${\displaystyle {\frac {d\theta _{(t)}}{dt}}=R'(1-\theta )(1+k_{\text{E}}\theta )}$

θ _{( t )} verimleri için çözme :

${\displaystyle \theta _{(t)}={\frac {1-e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}{1+k_{\text{E}} e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}}.}$

adsorpsiyon entalpisi

Adsorpsiyon sabitleri denge sabitleridir , bu nedenle van 't Hoff denklemine uyarlar :

${\displaystyle \left({\frac {\partial \ln K}{\partial {\frac {1}{T}}}}\sağ)_{\theta }=-{\frac {\Delta H}{ R}}.}$

Formülde görülebileceği gibi, K'nin değişimi izosterik, yani sabit kapsamada olmalıdır. BET izoterminden başlarsak ve sıvılaşma ve adsorpsiyon için entropi değişiminin aynı olduğunu varsayarsak, şunu elde ederiz:

${\displaystyle \Delta H_{\text{reklamlar}}=\Delta H_{\text{liq}}-RT\ln c,}$

yani adsorpsiyon sıvılaştırmadan daha fazla ekzotermiktir.

Tek moleküllü açıklama

Grup moleküllerinin bir yüzey veya arayüz üzerinde adsorpsiyonu iki işleme ayrılabilir: adsorpsiyon ve desorpsiyon. Adsorpsiyon hızı desorpsiyon oranını kazanırsa, moleküller zamanla birikerek adsorpsiyon eğrisini verir. Desorpsiyon hızı daha büyükse, yüzeydeki molekül sayısı zamanla azalacaktır. Adsorpsiyon hızı sıcaklığa, çözünenin difüzyon hızına ve molekül ile yüzey arasındaki enerji bariyerine bağlıdır. Adsorpsiyon hızının difüzyon ve temel elemanları, Fick'in difüzyon yasaları ve Einstein ilişkisi (kinetik teori) kullanılarak hesaplanabilir . Bir molekülün yüzeyden desorpsiyonu, molekülün yüzeye bağlanma enerjisine ve sıcaklığa bağlıdır.

Kuantum Mekanik - Yüzey alanı ve gözeneklilik için Termodinamik Modelleme

1980'den beri adsorpsiyonu açıklamak ve çalışan denklemleri elde etmek için iki teori üzerinde çalışıldı. Bu ikisi, chi hipotezi, kuantum mekaniksel türev ve Aşırı Yüzey Çalışması, ESW olarak adlandırılır. Bu teorilerin her ikisi de düz yüzeyler için aynı denklemi verir:

${\displaystyle \theta =(\chi -\chi _{c})U(\chi -\chi _{c})}$

Burada U birim adım fonksiyonudur. Diğer sembollerin tanımları aşağıdaki gibidir:

${\displaystyle \theta :=n_{reklamlar}/n_{m},\quad \chi :=-\ln {\bigl (}-\ln {\bigl (}P/P_{vap}{\bigr )} {\büyük )}}$

burada "ads", "adsorbe edilmiş" anlamına gelir, "m", "tek tabakalı eşdeğerlik" anlamına gelir ve "vap", katı numune ile aynı sıcaklıkta sıvı adsorpsiyonun buhar basıncına atıfta bulunur. Birim işlevi, ilk adsorbe edilen molekül için adsorpsiyonun molar enerjisinin tanımını şu şekilde oluşturur:

${\displaystyle \chi _{c}=:-\ln {\bigl (}-E_{a}/RT{\bigr )}}$

Arsa adsorbe karşı chi arsa olarak adlandırılır. Düz yüzeyler için chi grafiğinin eğimi yüzey alanını verir. Ampirik olarak, bu arsa Polanyi ve ayrıca deBoer ve Zwikker tarafından izoterme çok iyi bir uyum olarak fark edildi, ancak takip edilmedi. Bu, ilk durumda Einstein tarafından ve ikinci durumda Brunauer tarafından yapılan eleştirilerden kaynaklanıyordu. Bu düz yüzey denklemi dışında, karşılaştırma eğrileri normal gelenek bir "standart eğrisi" olarak kullanılabilir olduğu grafiğinin gözenekli numunenin ilk kısmı karşı kendiliğinden bir standart olarak görev yapar. Ultramikro gözenekli, mikro gözenekli ve mezo gözenekli koşullar bu teknik kullanılarak analiz edilebilir. Gözenekli numuneler dahil olmak üzere tam izoterm uyumu için tipik standart sapmalar %2'den azdır. ${\displaystyle n_{reklam}}$${\görüntüleme stili \chi }$${\displaystyle n_{reklam}}$${\görüntüleme stili \chi }$

Fiziksel adsorpsiyonun bu açıklamasında, adsorpsiyon entropisinin Dubinin termodinamik kriteri ile tutarlı olduğuna dikkat edin, yani sıvı halden adsorplanmış duruma adsorpsiyon entropisi yaklaşık olarak sıfırdır.

Adsorbanlar

Özellikler ve genel gereksinimler

Adsorban olarak aktif karbon kullanılır.

Adsorbanlar genellikle 0.25 ile 5 mm arasında hidrodinamik yarıçapa sahip küresel topaklar, çubuklar, kalıplar veya monolitler şeklinde kullanılır . Yüksek aşınma direncine, yüksek termal stabiliteye ve daha yüksek maruz kalan yüzey alanına ve dolayısıyla yüksek adsorpsiyon kapasitesine neden olan küçük gözenek çaplarına sahip olmalıdırlar . Adsorbanlar ayrıca gaz halindeki buharların hızlı taşınmasını sağlayan ayrı bir gözenek yapısına sahip olmalıdır.

Çoğu endüstriyel adsorban üç sınıftan birine girer:

• Oksijen içeren bileşikler – Silika jel ve zeolitler gibi malzemeler dahil olmak üzere tipik olarak hidrofilik ve polardır .
• Karbon bazlı bileşikler – Aktif karbon ve grafit gibi malzemeler dahil tipik olarak hidrofobik ve polar değildir .
• Polimer bazlı bileşikler – Polimer matrisindeki fonksiyonel gruplara bağlı olarak polar veya polar değildir.

Silika jeli

NO ₂ için silika jel adsorbe edici , Sabit Nitrojen Araştırma Laboratuvarı, ca.1930'lar

Silis jeli , kimyasal olarak inert, toksik olmayan, polar ve boyutsal olarak sabit (<400 ° C veya 750 ° F) SiO amorf form ₂ . Sodyum silikat ve asetik asit arasındaki reaksiyonla hazırlanır ve bunu eskitme, asitleme vb. gibi bir dizi son işlem süreci izler. Bu son işlem yöntemleri, çeşitli gözenek boyutu dağılımları ile sonuçlanır.

Silika, proses havasının (örn. oksijen, doğal gaz) kurutulması ve doğal gazdan ağır (polar) hidrokarbonların adsorpsiyonu için kullanılır.

zeolitler

Zeolitler , tekrarlayan bir gözenek ağına sahip olan ve yüksek sıcaklıkta su salan doğal veya sentetik kristalli alüminosilikatlardır. Zeolitler doğada polardır.

Bir otoklavda sodyum alüminosilikat veya başka bir silika kaynağının hidrotermal sentezi ve ardından belirli katyonlarla (Na ⁺ , Li ⁺ , Ca ²⁺ , K ⁺ , NH ₄ ⁺ ) iyon değişimi ile üretilirler . Zeolit ​​kafeslerin kanal çapı genellikle 2 ila 9 A arasında değişir . İyon değiştirme işlemini, makro gözenekli topaklar oluşturmak üzere bir bağlayıcı ile topaklaştırılabilen kristallerin kurutulması takip eder.

Zeolitler, işlem havası kurutma uygulanır, CO ₂ doğal gazdan uzaklaştırılması, reformasyon gaz, hava ayırma, CO'yu çıkarılması katalitik kraking ve katalitik sentez ve reformasyon.

Polar olmayan (silisli) zeolitler, alüminyum içermeyen silika kaynaklarından veya alüminyum içeren zeolitlerin deluminasyonu ile sentezlenir. Deluminasyon işlemi, zeolitin tipik olarak 500 °C'den (930 °F) daha yüksek sıcaklıklarda buharla işlenmesiyle yapılır. Bu yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, alüminyum-oksijen bağlarını kırar ve alüminyum atomu zeolit ​​çerçevesinden dışarı atılır.

Aktif karbon

Aktif karbon , genellikle küçük topaklar veya toz halinde hazırlanan, grafit kafesli mikro kristallerden oluşan oldukça gözenekli, amorf bir katıdır. Polar değildir ve ucuzdur. Başlıca dezavantajlarından biri, oksijen ile orta sıcaklıklarda (300 °C'nin üzerinde) reaksiyona girmesidir.

İşaretli bir mikro gözenekli tip I davranışı gösteren aktif karbon nitrojen izotermi

Aktif karbon, kömür (bitümlü, alt bitümlü ve linyit), turba, ahşap veya fındık kabukları (örneğin hindistancevizi) dahil olmak üzere karbonlu malzemeden üretilebilir. Üretim süreci, karbonizasyon ve aktivasyon olmak üzere iki aşamadan oluşur. Karbonizasyon işlemi, katran ve diğer hidrokarbonlar dahil olmak üzere yan ürünleri hammaddeden ayırmak için kurutmayı ve ardından ısıtmayı ve ayrıca üretilen gazları uzaklaştırmayı içerir. İşlem, yanmayı destekleyemeyen oksijensiz bir atmosferde malzemenin 400 °C (750 °F) üzerinde ısıtılmasıyla tamamlanır. Karbonize partiküller daha sonra, yüksek sıcaklıkta genellikle buhar veya karbon dioksit gibi bir oksitleyici ajana maruz bırakılarak "aktive edilir". Bu ajan, karbonizasyon aşamasında oluşan gözenek tıkayan yapıları yakar ve böylece gözenekli, üç boyutlu bir grafit kafes yapısı geliştirirler. Aktivasyon sırasında gelişen gözeneklerin boyutu, bu aşamada geçirdikleri zamanın bir fonksiyonudur. Daha uzun maruz kalma süreleri, daha büyük gözenek boyutlarına neden olur. En popüler sulu faz karbonları, sertlikleri, aşınma direnci, gözenek boyutu dağılımı ve düşük maliyetleri nedeniyle bitüm bazlıdır, ancak optimal ürünü belirlemek için etkinliklerinin her uygulamada test edilmesi gerekir.

Aktif karbon, organik maddelerin ve polar olmayan adsorbatların adsorpsiyonu için kullanılır ve ayrıca genellikle atık gaz (ve atık su) arıtımı için kullanılır. Kimyasal (örneğin yüzey grupları) ve fiziksel özelliklerinin çoğu (örneğin gözenek boyutu dağılımı ve yüzey alanı) ihtiyaç duyulana göre ayarlanabildiğinden en yaygın kullanılan adsorbandır. Kullanışlılığı ayrıca büyük mikro gözenekli (ve bazen mezo gözenekli) hacminden ve sonuçta ortaya çıkan yüksek yüzey alanından kaynaklanmaktadır.

su adsorpsiyonu

Yüzeylerde suyun adsorpsiyonu kimya mühendisliği , malzeme bilimi ve katalizde geniş bir öneme sahiptir . Yüzey hidrasyonu olarak da adlandırılan, katıların yüzeylerinde fiziksel veya kimyasal olarak adsorbe edilmiş suyun varlığı, çok çeşitli sistemlerde arayüz özelliklerini, kimyasal reaksiyon yollarını ve katalitik performansı yönetmede önemli bir rol oynar. Fiziksel olarak adsorbe edilmiş su durumunda, yüzey hidratasyonu, suyun tamamen buharlaşmasına izin veren sıcaklık ve basınç koşullarında kurutma yoluyla basitçe ortadan kaldırılabilir. Kimyasal olarak adsorbe su için, hidrasyon, H ya da çözülme adsorpsiyon şeklinde olabilir ₂ O molekülleri yüzeyine ayrışmış tek tek su molekülleri sağlam kalır -H ve -OH ya da moleküler adsorpsiyonu (birleştirici adsorpsiyon) adsorbe

Adsorpsiyon güneş enerjisi ile ısıtma ve depolama

Su adsorbatlı Linde 13X gibi sentetik zeolitlerin düşük maliyeti (200$/ton) ve yüksek döngü hızı (2.000 ×) özellikle düşük dereceli güneş enerjisi için termal enerji depolaması (TES) için son zamanlarda akademik ve ticari ilgi topladı. ve atık ısı. 2000'den günümüze (2020) AB'de çeşitli pilot projeler finanse edilmiştir. Temel konsept, güneş termal enerjisini zeolitte kimyasal gizli enerji olarak depolamaktır. Tipik olarak, düz plakalı güneş kollektörlerinden gelen sıcak kuru hava, mevcut herhangi bir su adsorbatını uzaklaştıracak şekilde bir zeolit ​​yatağından akmak üzere yapılır. Depolama, zeolitin hacmine ve güneş enerjisi panellerinin alanına bağlı olarak günlük, haftalık, aylık ve hatta mevsimlik olabilir. Gece, güneşsiz saatler veya kış boyunca ısı istendiğinde, zeolit ​​içinden nemlendirilmiş hava akar. Nem zeolit ​​tarafından adsorbe edildiğinden, ısı havaya ve ardından bina boşluğuna salınır. Zeolitlerin özel kullanımı ile TES'in bu formu ilk olarak 1978'de Guerra tarafından öğretildi.

Karbon yakalama ve depolama

İçin önerilen tipik adsorbanlar karbon yakalama ve depolama olan zeolitler ve MOFs . Adsorbanların özelleştirilmesi, onları absorpsiyona potansiyel olarak çekici bir alternatif haline getirir. Adsorbanlar, sıcaklık veya basınç salınımı ile yeniden üretilebildiğinden, bu adım, absorpsiyon yenileme yöntemlerinden daha az enerji yoğun olabilir . Karbon yakalamada adsorpsiyon maliyeti ile ilgili başlıca problemler şunlardır: adsorbanın yenilenmesi, kütle oranı, çözücü/MOF, adsorban maliyeti, adsorban üretimi, adsorbanın ömrü.

Olarak , sorpsiyon geliştirilmiş su gaz kaydırma (SEWGS) teknolojisi katı adsorpsiyon dayanan bir ön-yanma karbon yakalama işlemi, ile birleştirilir , su gaz kaydırma reaksiyonu bir yüksek basınç hidrojen akımının üretilmesi için (WGS). CO ₂ üretilen akımı ya da depolanan diğer endüstriyel işlemler için kullanılabilir.

Protein ve yüzey aktif madde adsorpsiyonu

Protein adsorpsiyonu, biyomalzemeler alanında temel rolü olan bir süreçtir . Gerçekten de, kan veya serum gibi biyolojik ortamla temas halinde olan biyomateryal yüzeyler hemen proteinlerle kaplanır. Bu nedenle, canlı hücreler doğrudan biyomateryal yüzeyi ile değil, adsorbe edilmiş protein tabakası ile etkileşime girer. Bu protein tabakası, biyomateryaller ve hücreler arasındaki etkileşime aracılık eder ve biyomateryallerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini bir "biyolojik dile" çevirir. Aslında, hücre zarı reseptörleri , protein tabakası biyoaktif bölgelerine bağlanır ve bu reseptör-protein bağlama olayları, hücre yapışmasını, şeklini, büyümesini ve farklılaşmasını belirleyen spesifik hücre içi süreçleri uyaran bir şekilde hücre zarı yoluyla iletilir. Protein adsorpsiyonu, yüzey ıslanabilirliği , yüzey kimyasal bileşimi ve yüzey nanometre ölçekli morfolojisi gibi birçok yüzey özelliğinden etkilenir . Yüzey aktif madde adsorpsiyonu benzer bir fenomendir, ancak proteinlerin yerine yüzey aktif madde moleküllerini kullanır.

Adsorpsiyonlu soğutucular

Bir adsorpsiyonlu soğutucunun şematik diyagramı: (1) soğutucu akışkanın buharlaşması yoluyla ısı kaybı, (2) soğutucu buharı katı ortam üzerine emilir, (3) soğutucu, kullanılmayan katı ortam bölümünden emilir, (4) soğutucu akışkan yoğunlaştırılır ve başlangıca döndürülür, (5) & (6) katı ortam, onu yeniden oluşturmak için adsorpsiyon ve desorpsiyon arasında çevrilir.

Bir adsorban ile bir soğutucuyu birleştiren adsorpsiyonlu soğutucular , soğutma etkisi sağlamak için ısı kullanır. Sıcak su biçimindeki bu ısı, endüstriyel işlemlerden kaynaklanan atık ısı, güneş termal tesislerinden birincil ısı veya bir pistonlu motor veya türbinin egzoz veya su ceketi ısısı dahil olmak üzere herhangi bir sayıda endüstriyel kaynaktan gelebilir.

Adsorpsiyonlu soğutma grupları ve absorpsiyonlu soğutma arasında benzerlikler olmasına rağmen , ilki gazlar ve katılar arasındaki etkileşime dayanmaktadır. Soğutucunun adsorpsiyon odası, nötr durumunda soğutucuyu emen katı bir malzeme (örneğin zeolit, silika jel, alümina, aktif karbon veya belirli metal tuzları) ile doldurulur. Isıtıldığında, katı, daha sonra soğutulan ve sıvılaştırılan soğutucu buharını desorbe eder (serbest bırakır). Bu sıvı soğutucu daha sonra buharlaşma entalpisinden evaporatörde bir soğutma etkisi sağlar . Son aşamada, soğutucu buhar katıya (yeniden) adsorbe edilir. Adsorpsiyonlu soğutucu kompresör gerektirmediğinden nispeten sessizdir.

Portal sitesi aracılı adsorpsiyon

Portal site aracılı adsorpsiyon, çeşitli farklı adsorpsiyon bölgeleri içeren metalik katalitik sistemlerde site seçici aktif gaz adsorpsiyonu için bir modeldir. Bu tür sistemlerde, düşük koordinasyonlu "kenar ve köşe" kusuru benzeri siteler, yüksek koordinasyonlu ( bazal düzlem ) sitelerden önemli ölçüde daha düşük adsorpsiyon entalpileri sergileyebilir . Sonuç olarak, bu siteler, yüzeyin geri kalanına çok hızlı adsorpsiyon için "portallar" olarak hizmet edebilir. Bu fenomen, belirli adsorbe edilmiş türlerin bazı yüzeylerde yüksek hareketlilik sergilediği yaygın "yayılma" etkisine (aşağıda açıklanmıştır) dayanır. Model, yüzeylerin çeşitli koordinasyon yapılarında bulunabileceği katalitik sistemlerde gaz adsorpsiyon termodinamiği ve kinetiğinin görünüşte tutarsız gözlemlerini açıklar ve sinerjistik aktivitenin gözlemlendiği bimetalik katalitik sistemlere başarıyla uygulanmıştır.

Saf yayılmanın aksine, portal bölge adsorpsiyonu, adsorpsiyon yapmayan destek yüzeylerine değil, bitişik adsorpsiyon bölgelerine yüzey difüzyonunu ifade eder.

Model ilk olarak Brandt ve diğerleri tarafından silika destekli platin üzerinde karbon monoksit için önerilmiş gibi görünüyor . (1993). Silika destekli alkali destekli rutenyum, gümüş-rutenyum ve bakır-rutenyum bimetalik katalizörler üzerinde hidrojen adsorpsiyonunu açıklamak için King ve çalışma arkadaşları tarafından benzer, ancak bağımsız bir model geliştirilmiştir. Aynı grup, modeli CO hidrojenasyonuna ( Fischer-Tropsch sentezi ) uyguladı . Zupanç et al. (2002), daha sonra magnezya destekli sezyum-rutenyum bimetalik katalizörler üzerinde hidrojen adsorpsiyonu için aynı modeli doğruladı. Trens et al. (2009) benzer şekilde değişen morfolojiye sahip karbon destekli Pt parçacıkları üzerinde CO2 yüzey difüzyonunu tanımlamıştır.

Adsorpsiyon yayılımı

Bir metal türünün bir destek (veya taşıyıcı) malzeme (çoğunlukla alümina veya silika gibi yarı inert oksitler) üzerine dağıldığı katalitik veya adsorban sistemler durumunda, bir adsorptif türün altta destek yüzeyine dolaylı olarak adsorbe etmesi mümkündür. bu tür adsorpsiyonun termodinamik olarak elverişsiz olduğu koşullar. Metalin mevcudiyeti, gaz halindeki türlerin önce metale tutunması ve daha sonra destek yüzeyinde yayılması için daha düşük enerjili bir yol görevi görür. Bu mümkündür, çünkü adsorbe edilen türler, metale adsorbe edildikten sonra daha düşük bir enerji durumuna ulaşır, böylece gaz fazı türleri ile destek tarafından adsorbe edilen türler arasındaki aktivasyon bariyerini düşürür.

Hidrojen yayılımı , adsorpsiyonlu yayılmanın en yaygın örneğidir. Hidrojen durumunda, adsorpsiyon genellikle, moleküler hidrojenin ayrılmasıyla (H ile eşlik ₂ hidrojen atomunun mevcut yayılma ardından atomik hidrojen (H), için).

Yayılma etkisi, heterojen kataliz ve adsorpsiyondaki birçok gözlemi açıklamak için kullanılmıştır .

polimer adsorpsiyonu

Moleküllerin polimer yüzeylere adsorpsiyonu, yapışmaz kaplamaların geliştirilmesi ve çeşitli biyomedikal cihazlar dahil olmak üzere bir dizi uygulamanın merkezinde yer alır. Polimerler ayrıca polielektrolit adsorpsiyonu yoluyla yüzeylere adsorbe edilebilir .

Virüslerde adsorpsiyon

Adsorpsiyon , viral yaşam döngüsünün ilk adımıdır . Sonraki adımlar penetrasyon, kaplamadan çıkarma, sentez (gerekirse transkripsiyon ve çeviri) ve serbest bırakmadır. Virüs replikasyon döngüsü bu açıdan tüm virüs türleri için benzerdir. Virüs, genomik bilgisini hücrenin çekirdeğine entegre edebiliyorsa veya virüs kendisini doğrudan hücrenin sitoplazmasında çoğaltabiliyorsa, transkripsiyon gibi faktörlere ihtiyaç duyulabilir veya gerekmeyebilir.

popüler kültürde

Tetris oyunu, oyun sırasında 4'lü blokların bir yüzeye adsorbe edildiği bir bulmaca oyunudur. Bilim adamları , nanoparçacıkların termodinamiğini incelemek için Tetris bloklarını "karmaşık bir şekle sahip moleküller için bir vekil olarak" ve "düz bir yüzey üzerinde adsorpsiyon" olarak kullandılar .

Ayrıca bakınız

• Adatom
• kriyo-adsorpsiyon
• Çift polarizasyon interferometrisi
• Akışkan yataklı yoğunlaştırıcı
• Kelvin sonda kuvvet mikroskobu
• mikromeritik
• moleküler elek
• Polanyi adsorpsiyonu
• Basınç salınımlı adsorpsiyon
• Rastgele sıralı adsorpsiyon

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar