научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ МЕТАНА НА МИКРОПОРИСТЫХ АДСОРБЕНТАХ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ МЕТАНА НА МИКРОПОРИСТЫХ АДСОРБЕНТАХ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2014, том 50, № 6, с. 568-572

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

УДК 541.183

ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ МЕТАНА НА МИКРОПОРИСТЫХ АДСОРБЕНТАХ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ © 2014 г. А. М. Толмачев, Т. А. Кузнецова, Н. Г. Крюченкова, П. Е. Фоменков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет 199992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д. 1, стр. 3 e-mail: amtolmach@yandex.ru Поступила в редакцию 16.04.2014 г.

Рассмотрены методы описания изотерм и термодинамические характеристики адсорбции метана на активных углях ПАУ-10 и АУК в широком интервале температур ниже и выше критических.

DOI: 10.7868/S0044185614060230

ВВЕДЕНИЕ

В работах [1—6] было показано, что модифицированные уравнения Дубинина—Радушкевича (2) [7], Дубинина—Астахова (3) [8], Толмачева-Ара-новича (4)-(7) [2], выведенные изначально для описания в рамках метода "полного содержания" изотерм адсорбции паров на микропористых адсорбентах, могут быть использованы для описания изотерм адсорбции газов (при Т > Ткрит) при замене давления насыщенных паров адсорбти-вов, используемых в качестве стандартных давлений при температурах ниже критических, на стандартные давления (Р*). Последние находятся линейной экстраполяцией зависимостей логарифма давления насыщенного пара адсорбтива от обратной температуры в закритическую область температур:

lnP* = A - B/T,

lna = lna°

lna = lna°

/ RT ^2

v E ° J

r RT ^

ln

ln

2 P*(T) P '

3 P *(T)

(1)

(2)

(3)

ln Xi(n)[1 - 7i) + Yi[1 - Xi(n)]

+ 1.12^ - —9X 1(1)12 Y1 = 0,

(5)

Y1 =

Рпар P

P*

(6)

(7)

V Е о у

В большинстве случаев реальные размеры микропор допускают размещение в них 1-го или 2-х слоев адсорбата, и уравнения в рамках вакан-сионной модели для одно- (4,6,7) и двухслойного заполнения (5,6,7) имеют вид [2]:

1п X,(я)|1 - + 2 -6116Х1(1)-6*112у1 = 0,(4) 71[1 - Х1(я)] кТ кТ кТ

kT kT

kT

В уравнениях (1)—(7) и далее: а, a1, a0 — равновесные при давлении Р и "предельная" при стандартном давлении пара Ps при Т < Т^ и (Р*) при Т> Ткр адсорбция (моль кг-1); A, B — константы; Е0 (кДж моль-1) — характеристическая энергия

адсорбции; aj0 — емкость монослоя 1-го компонента (моль кг-1), Уъ X1 — мольные доли первого компонента в равновесных объемном (в данном случае — вакансионном [9]) и адсорбционном

растворах, sn, е*, 601 — энергии парного взаимодействия в адсорбтиве, адсорбате и адсорбата с адсорбентом. Отметим, что уравнение (7) определяет (р пар, р ж — плотности пара и жидкого адсорбтива) мольную долю адсорбтива в объемной фазе, которая рассматривается как бинарный раствор вакансий и адсорбтива [9].

На рис. 1, в качестве примера, подтверждающего сказанное выше, представлены экспериментальные изотермы метана на активном угле ПАУ-10 (сплошные линии), описание этих изотерм уравнениями (2) и (5)—(7) и экстраполяция изотерм к значениям Р/Р* ^ 1 (пунктирные линии) по уравнению (2).

Использование в качестве стандартного давления P* при Т> Т^ позволяет провести на основе стехиометрической теории адсорбции, развитой в рамках метода полного содержания (СТА) [6, 10], термодинамический анализ экспериментальных данных по адсорбции газов, полученных в работах Фомкина и сотр. и представленных в банке данных по адсорбции [11].

n

В соответствии со СТА адсорбция индивидуальных флюидов на микропористом адсорбенте рассматривается как квазихимическая реакция присоединения молекул адсорбата (А) к адсорбционным центрам (Я) адсорбента:

А + — Я = АЯ±.

Р А в А

(8)

При этом в а — стехиометрический коэффициент, показывающий сколько молекул адсорбата присоединяется к одному адсорбционному центру адсорбента, равен отношению а0А/а0Я. Поскольку исходное число адсорбционных центров (а0 Я) выбирается произвольным, но постоянным для данного адсорбента и не зависит от температуры, вА изменяется с температурой в соответствии с изменением предельной (стандартной) адсорбции (а0,А) и может быть принято равным 1 при некоторой температуре Т0.

В соответствии со СТА адсорбционная фаза рассматривается в этом случае как бинарный адсорбционный раствор (ЛЯ и Я), а равновесие адсорбции описывается уравнением [12]:

К, =

X11

ъу, (хя у я )

1/ в,

= К,

г,-

уЯ в

(9)

АО-т = -ЯТ1пК,(Т),

д1п К,

дТ

АН,

ЯТ2

/д1п К,(Xл _ АНц(X)

\ дТ )р X

ЯТ2

(10) (11)

(12)

где АО®Т, АН0Т — стандартные энергии Гиббса и энтальпии, а АН^Х) — дифференциальные мольные энтальпии процесса (8).

Совместное решение (9) и уравнения Гиббса— Дюгема для адсорбционного раствора [11] приво-

а, моль кг 10

1.0 Р/Р *

Рис. 1. Описание изотерм адсорбции метана на активном угле ПАУ-10 уравнениями (1) (■, ♦, •, Ж), (2)—(5) (□, О, О, Л) при температурах 240 (■, □), 370 (♦, О), 450 (•, О), 600 К (Ж, Л).

дит к уравнениям для расчета коэффициентов активности адсорбционного раствора

1пу, (Ъ) = 1пу, (Ц = 1) +

г

& - 1)1пК, (ъ) - 11пК, (Ъ )Я„

(13)

ъ=1

Здесь и далее: К(Т), К(Т, х,) — термодинамические константы и коэффициенты равновесия процесса (8), X ,, хЯ — мольные доли компонентов адсорбционного раствора, г, Ъ — безразмерные

концентрации (г, = р/Р*, г = а1/а(ц), у,-, уя, у, -соответствующие коэффициенты активности.

Расчет по уравнению (9) проводится с использованием мольных долей в адсорбционном растворе для описания концентрационных зависимостей соответствующих коэффициентов активности уравнениями НРТЛ (см. ниже), однако все зависимости от концентраций удобнее анализировать в шкале

Из (9) следует [6, 11]:

1пуЯ (г,') = 1пуя (г = 0) +

+ ръдпК, (г) -р, 11пК, (г

(14)

=0

Зависимости коэффициентов активности от легко пересчитываются в зависимости от х1 по соотношению:

Х1 =

Ш

(15)

1 - Ъ(1 -Р,)

При практических расчетах по приведенным уравнениям использовались литературные справочные данные о у,- = /(Р,Т) [13], равновесно согласованные стандартные состояния компонентов

в равновесных фазах (Р* и а0 ) и отсчетные состояния для коэффициентов активности у,(а0;) = 1, 1я(ай,1 = 0) = 1.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С использованием равновесно согласованных стандартных состояний Р*(Т) и а0(Т) были рассчитаны зависимости логарифмов коэффициентов равновесия Кх от состава адсорбционных растворов (х) при различных температурах, приведенные на рисунке 2 для адсорбции метана на активном угле АУК. Такие же зависимости полу-

0

ъ

570

ТОЛМАЧЕВ и др.

Рис. 2. Зависимости 1пКх от х для адсорбции метана на активном угле АУК при различных температурах: 273 (♦), 293 (■), 313 (Ж), 353 К (•).

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

1/Т, К

1

Рис. 3. Зависимость 1п К от обратной температуры для адсорбции метана на активных углях ПАУ (♦) и АУК (•).

1п К

12 10 8 6 4 2

0

0.002 0.004 0.006 0.008 0.001 0.003 0.005 0.007 0.009

1/Т, К-1

Рис. 4. Зависимости 1п Кх от обратной температуры для адсорбции метана на активном угле ПАУ-10 при х = 0.2 (•) и х = 0.6 (■).

чены и для адсорбции метана на активном угле ПАУ-10.

По этим данным были рассчитаны коэффициенты активности и термодинамические константы равновесия и, далее, зависимости 1пК и 1пКх от обратной температуры, примеры которых приведены на рис. 3 и 4.

Как видно из рис. 3 зависимости 1пК от обратной температуры в широком интервале температур меньших и больших критической для метана (Ткр = 190.55 К) близки к линейным (при высоких

температурах на ПАУ-10 расчеты К не проводились из-за отсутствия экспериментальных данных при больших значениях х). Это означает, что стандартные энтальпия и энтропия адсорбции в этих температурных интервалах постоянны. Значения стандартных энтальпий для ПАУ-10 и АУК равны 7.35 ± 0.04 и 5.80 ± 0.04 кДж моль-1, а стандартных энтропий 9.3 ± 0.6 и 12.0 ± 0.8 кДж моль-1 К-1.

На рис. 4, в качестве примера, представлены зависимости 1пК от 1/Тпри различных значениях х. Аналогичные зависимости получены и на активном угле АУК.

Из приведенных данных следует, что энтальпии адсорбции (АИх) в широком интервале температур также практически не зависят от температуры. Однако, при температурах, превышающих критическую больше, чем на 150-250 К, наблюдаются отклонения зависимостей 1п Кх от 1/Т от линейных и заметные изменения энтальпий адсорбции. Интересно отметить, что такие изменения происходят в области температур, при которых в адсорбционном растворе наблюдаются фазовые переходы 2 рода и, соответственно, отклонения от линейной зависимости 1па0 от температуры [1].

Поскольку при расчетах энтальпий адсорбции по (12) учитывается зависимость Р* от температуры, а при экспериментальном определении калориметрических теплот адсорбции или при их расчетах по уравнению, детально проанализированному в работах Фомкина [14], такой зависимости, очевидно, нет, расчет калориметрических теплот адсорбции (%) в рамках СТА следует проводить по уравнению

-дх = АИх - ЯТ

( й 1п Р *^ V йт ).

(16)

При этом анализ зависимостей дифференциальных теплот адсорбции от температуры и величины адсорбции, по нашему мнению целесообразнее приводить не на основании данных, полученных при различных постоянных значениях а1 (изостерические дифферециальные мольные энтальпии АИа), а на основании энтальпий, полученных при различных постоянных степенях за-

кДж моль

22 20 18 16 14 12 10 8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

х

Рис. 5. Зависимости дифференциальных мольных теплот адсорбции от х для адсорбции метана на активном угле ПАУ-10 для температур: 120 (♦), 240 (■) и 410 К (Ж) и на активном угле АУК при 293 К (•).

In J;, In уд 1.0

(а)

0

-0.5

-1.0 lny h ln уд 1.5

(б)

J ■ 0.6' •—

Рис. 6. Описание экспериментальных зависимостей 1п (■) и 1п у я (•) от состава адсорбционного раствора уравнениями (17), (18). Системы: метан, 293 К — активные угли ПАУ-10 (а) и АУК (б).

полнения объема микропор z или близких к ним мольных долей адсорбата x. Такие зависимости позволяют более четко разделять влияние температуры и величин адсорбции на значения.

На рис. 5 приведены соответствующие зависимости qx для адсорбции метана на активном угле ПАУ-10 и АУК. Некоторое замедление уменьшения qx в области средних заполнений связано с проявлением взаимодействия адсор

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком