Введение к работе
Актуальность темы, Процессы, связанные с адсорбцией из жидкой фазы, широко распространены в современной промышленности. Они применяются в таких технологиях, как очистка сточных вод, разделение смесей, получение чистых веществ, а также в медицине и других производственных и научных областях. Адсорбция из жидкости всегда является многокомпонентной. Это затрудняет разработку соответствующих технологий, так как подбор оптимальных параметров процесса в этом случае требует большого объема трудоемких и длительных экспериментов. Надежный метод априорного расчета параметров адсорбционного равновесия в растворах на основе данных индивидуальной адсорбции компонентов позволит сократить объем экспериментальной работы. Качественный метод описания изотерм избыточной сорбции, использующий минимум эмпирических параметров, повысит ценность экспериментальных данных и позволит дать им правильное физическое толкование.
Возможности предсказания позедения адсорбционной фазы при адсорбции жидких смесей по изотермам чистых компонентов существенно ниже, чем для газовой фазы, поскольку избыточная адсорбция, являющаяся в этом случае основной экспериментальной величиной, весьма чувствительна по отношению к параметрам используемой модели. Универсальный метод описания и априорного расчета адсорбции из растворов на адсорбентах различной природы в настоящее время неизвестен. Таким образом, задача моделирования жидкофазной адсорбции актуальна с точки зрения практического использования в реальных адсорбционных процессах. Кроме того, такая модель, несомненно, будет иметь значение в развитии теории адсорбционных процессов.
Цель работы. Целью диссертации является разработка метода расчета параметров адсорбционного равновесия в случае адсорбции жидких растворов различного состава на адсорбентах различной пористой структуры. Искомый метод должен обладать достаточной предсказательной силой и, в то же время, быть пригодным для качественного описания результатов эксперимента при минимуме эмпирических параметров. Основой для построения исцели является термодинамический подход, в котором адсорбционное про-пранство считается неоднородным с энергетической точки зрения. Опираясь щ принцип неоднородного адсорбционного пространства (НАП), необходимо зазработать методики априорного расчета изотерм избыточной сорбции ком-танентов раствора по индивидуальным изотермам, расчета распределения со-
става внутри адсорбционного пространства, вычисления коэффициентов активности компонентов в адсорбционной фазе и корреляции экспериментальных данных жидкофазной адсорбции.
Для выполнения этой задачи оказалось необходимым:
на основе представления о неоднородном адсорбционном пространстве и фундаментального принципа равенства химических потенциалов во всем объеме равновесной адсорбционной системы вывести систему уравнений, позволяющую рассчитать состав в любой точке адсорбционного пространства;
посредством полученной системы уравнений произвести априорный расчет избыточных изотерм с использованием данных индивидуальной адсорбции компонентов из газовой фазы для различных систем. Подтвердить адекватность модели экспериментальным данным;
рассчитать на основе полученной системы распределение состава по объему адсорбционной фазы;
использовать полученную систему для расчета коэффициентов активности адсорбционной фазы в системах с сильным отклонением от закона Рауля.
на основе тех же предпосылок получить уравнение для корреляции экспериментальных данных;
с помощью полученного уравнения рассчитать параметры адсорбционного равновесия для различных адсорбционных систем;
сравнить результаты описания и предсказания свойств разнообразных адсорбционных систем предложенными методами и методом Майерса-Праусница, распространенным на жидкофазное равновесие.
Научная новизна и практическое значение:
система уравнений, полученная на основе представлений о неоднородном адсорбционном пространстве и равенстве химических потенциалов во всем объеме равновесной адсорбционной системы, впервые распространена на случай жидкофазного многокомпонентного адсорбционного равновесия;
впервые произведен достаточно точный априорный расчет изотермы избыточной адсорбции на микропористых адсорбентах по данным индивидуальной адсорбции из газовой фазы на основе метода неоднородного адсорбционного пространства. Метод также использован для расчета коэффициентов активности компонентов раствора в адсорбционной фазе и распределения состава по объему адсорбционной фазы;
впервые выведено уравнение для корреляции экспериментальных данных, включающее как параметры объем адсорбционного пространства W0 и ве-
личину g, характеризующую различие объемов адсорбируемых молекул и потенциалов их взаимодействия с адсорбционным полем; на основе предложенного уравнения, впервые произведено надежное описание всех типов изотерм избыточной адсорбции, в том числе знакопеременных, для систем, включающих адсорбенты с различной пористой структурой;
доказана физическая достоверность параметров уравнения при описании жидкофазной адсорбции.
Разработанные методики могут в дальнейшем быть использованы для )бработки результатов экспериментальных данных по жидкофазной адсорб-іии. Также они представляют интерес как средство оценки применимости юрбентов для конкретных адсорбционных процессов. Помимо этого, в ре-ультате проведенной работы создана база для дальнейшего развития теории кидкофазного адсорбционного равновесия.
На защиту выносятся следующие положения: система уравнений, позволяющая рассчитать состав адсорбционной фазы в любой точке адсорбциошгого пространства и изотерму избыточной адсорбции, и результаты ее применения: расчет изотерм избыточной адсорбции на основе экспериментальных данных индивидуальной адсорбции из газовой фазы, расчет коэффициентов активности компонентов адсорбата в адсорбционной фазе по экспериментальным данным жидкофазной адсорбции, расчет распределения состава по объему адсорбционной фазы; уравнение для корреляции экспериментальных данных, использующее объем адсорбционного пространства Wo и величину g, характеризующую соотношение объемов адсорбируемых молекул и потенциалов их взаимодействия с адсорбционным полем и алгоритм его применения для описания изотерм избыточной адсорбции разнообразной формы на основании экспериментальных данных жидкофазной адсорбции.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, лиска использованной литературы, содержащего 106 наименований. Работа іьшолнена на 104 страницах печатного текста и содержит 20 рисунков и 5 аблиц.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.
Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались и гокладывались на кафедре химии и технологии материалов и изделий сорб-шонной техники Санкт-Петербургского Государственного Технологического
Института (Технического Университета), докладывались на семинаре в Ин ституте физической химии РАН, V Всероссийском симпозиум "Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах", 1999 г (Москва), VI Всероссийском симпозиуме "Актуальные проблемы теории ад сорбции и синтеза сорбентов", 2000 г. (Москва).