Adsorption

Brunauer, Emmett und Teller's Modell von mehrschichtiger Adsorption ist eine zufällige Verteilung von Molekülen auf der Materialoberfläche.

Adsorption ist der Adhäsion von Atome, Ionen oder Moleküle von einem Gas, flüssigen oder gelösten Feststoff nach a auftauchen.^[1] Dieser Prozess schafft einen Film der Adsorbat auf der Oberfläche der Adsorbens. Dieser Prozess unterscheidet sich von Absorption, in welch a Fluid (das absorbieren) ist aufgelöst von oder Permeat eine flüssige oder feste (die absorbierend).^[2] Adsorption ist a OberflächenphänomenWährend die Absorption das gesamte Volumen des Materials beinhaltet, obwohl die Adsorption häufig der Absorption vorausgeht.^[3] Der Begriff Sorption umfasst beide Prozesse während Desorption ist das Gegenteil davon.

Wie Oberflächenspannung, Adsorption ist eine Folge von Oberflächenenergie. In einem Massenmaterial alle Anforderungen an die Bindungsbindung (sei es ionisch, kovalent oder metallisch) des Bestandteils Atome des Materials werden durch andere Atome im Material erfüllt. Atome auf der Oberfläche des Adsorbens sind jedoch nicht vollständig von anderen Adsorbensatomen umgeben und können daher Adsorbate anziehen. Die genaue Art der Bindung hängt von den Details der beteiligten Arten ab, aber der Adsorptionsprozess wird allgemein als klassifiziert als Physiorption (charakteristisch für schwach Van der Waals kräftig) oder Chemisorption (charakteristisch für kovalente Bindung). Es kann auch aufgrund der elektrostatischen Anziehung auftreten.^[5][6]

Die Adsorption ist in vielen natürlichen, physikalischen, biologischen und chemischen Systemen vorhanden und wird häufig in industriellen Anwendungen verwendet Heterogene Katalysatoren,^[7][8] Aktivkohle, erfassen und verwenden Abwärme Kaltwasser für die Klimaanlage und andere Prozessanforderungen bereitstellen (Adsorptionskühler), synthetische Harze, zunehmende Speicherkapazität von Carbid-abgeleitete Kohlenstoffe und Wasserreinigung. Adsorption, Ionenaustausch und Chromatographie sind Sorptionsprozesse, bei denen bestimmte Adsorbate selektiv von der Flüssigkeitsphase auf die Oberfläche von unlöslichen, starren Partikeln übertragen werden, die in einem Gefäß aufgehängt oder in einer Säule gepackt sind. Anwendungen der pharmazeutischen Industrie, die die Adsorption als Mittel zur Verlängerung der neurologischen Exposition gegenüber spezifischen Arzneimitteln oder Teilen davon verwenden, sind weniger bekannt.

Das Wort "Adsorption" wurde 1881 vom deutschen Physiker geprägt Heinrich Kayser (1853–1940).^[9]

Isothermen

Die Adsorption von Gasen und gelösten Stoffen wird normalerweise durch Isothermen beschrieben, dh die Menge an Adsorbat am Adsorbens als Funktion des Drucks (wenn Gas) oder Konzentration (für flüssige Phasenstoffe) bei konstanter Temperatur. Die adsorbierte Menge wird durch die Masse des Adsorbens fast immer normalisiert, um den Vergleich verschiedener Materialien zu ermöglichen. Bisher wurden 15 verschiedene Isothermenmodelle entwickelt.^[10]

Freundlich

Die erste mathematische Anpassung an eine Isotherme wurde von Freundlich und Kuster (1906) veröffentlicht und ist eine rein empirische Formel für gasförmige Adsorbate:

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

wo ${\ displayStyle x}$ ist die Masse von Adsorbat adsorbiert, ${\ displayStyle m}$ ist die Masse des Adsorbens, ${\ displayStyle p}$ ist der Druck von Adsorbat (dies kann in die Konzentration geändert werden, wenn die Lösung und nicht gas untersucht wird) und ${\ displayStyle K}$ und ${\ displayStyle n}$ sind empirische Konstanten für jedes Adsorbens -Adsorbat -Paar bei einer bestimmten Temperatur. Die Funktion ist bei sehr hohem Druck nicht ausreichend, weil in Wirklichkeit in Wirklichkeit ${\ displayStyle x/m}$ hat ein asymptotisches Maximum mit zunehmendem Druck ohne gebunden. Mit zunehmender Temperatur die Konstanten ${\ displayStyle K}$ und ${\ displayStyle n}$ Änderungen, um die empirische Beobachtung widerzuspiegeln, dass die adsorbierte Menge langsamer steigt und höhere Drücke erforderlich sind, um die Oberfläche zu sättigen.

Langmuir

Irving Langmuir war der erste, der 1918 eine wissenschaftlich basierte Adsorptionsisotherme ableitete.^[11] Das Modell gilt für Gase, die auf festen Oberflächen adsorbiert werden. Es ist eine semi-empirische Isotherme mit kinetischer Basis und wurde auf der Grundlage der statistischen Thermodynamik abgeleitet. Aufgrund seiner Einfachheit und der Fähigkeit, eine Vielzahl von Adsorptionsdaten anzupassen, ist es die häufigste Isothermengleichung. Es basiert auf vier Annahmen:

1. Alle Adsorptionsstellen sind gleichwertig und jeder Standort kann nur ein Molekül aufnehmen.
2. Die Oberfläche ist energetisch homogen und adsorbierte Moleküle interagieren nicht.
3. Es gibt keine Phasenübergänge.
4. Bei maximaler Adsorption wird nur eine Monoschicht gebildet. Die Adsorption tritt nur an lokalisierten Stellen auf der Oberfläche auf, nicht an anderen Adsorbaten.

Diese vier Annahmen sind selten alle wahr: Es gibt immer Unvollkommenheiten auf der Oberfläche, adsorbierte Moleküle sind nicht unbedingt inert, und der Mechanismus ist eindeutig nicht dasselbe für die ersten Moleküle, die wie für die letzten an eine Oberfläche adsorbieren. Der vierte Zustand ist der problematischste, da häufig mehr Moleküle an die Monoschicht adsorbieren. Dieses Problem wird von der behandelt Wette Isotherme für relativ flach (nichtmikroporös) Oberflächen. Die Langmuir -Isotherme ist dennoch die erste Wahl für die meisten Adsorptionsmodelle und hat viele Anwendungen in der Oberflächenkinetik (normalerweise genannt Langmuir -Hinshelwood -Kinetik) und Thermodynamik.

Langmuir schlug vor, dass die Adsorption durch diesen Mechanismus stattfindet: ${\ displayStyle a _ {\ text {g}}+s \ byleleftharpoons als}$, wo A ist ein Gasmolekül und S ist eine Adsorptionsstelle. Die direkten und umgekehrten Ratenkonstanten sind k und k_–1. Wenn wir die Oberflächenbedeckung definieren, ${\ displayStyle \ theta}$, wie der Anteil der Adsorptionsstellen besetzt, im Gleichgewicht haben wir:

$oder$

oder

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

wo ${\ displayStyle p}$ ist der Teildruck des Gases oder der molaren Konzentration der Lösung. Für sehr niedrigen Druck ${\ displaystyle \ theta \ ca. kp}$und für hohen Druck ${\ displayStyle \ theta \ ca. 1}$.

Der Wert von ${\ displayStyle \ theta}$ ist experimentell schwer zu messen; Normalerweise ist das Adsorbat ein Gas und die adsorbierte Menge ist in Maulwürfen, Gramm oder Gasvolumina bei angegeben Standardtemperatur und Druck (STP) pro Gramm Adsorbens. Wenn wir anrufen v_Mon das STP ${\ displaystyle \ theta = {\ frac {v} {v _ {\ text {mon}}}}}$und wir erhalten einen Ausdruck für eine gerade Linie:

$oder {\ text {mon}}}}.}$

Durch seinen Hang und y Abfangen können wir erhalten v_Mon und K, die Konstanten für jedes Adsorbens -Adsorbat -Paar bei einer bestimmten Temperatur sind. v_Mon bezieht sich auf die Anzahl der Adsorptionsstellen durch die ideal gas law. Wenn wir davon ausgehen, dass die Anzahl der Stellen nur die gesamte Fläche des Feststoffs ist, die in den Querschnitt der Adsorbatmoleküle unterteilt ist, können wir die Oberfläche des Adsorbens leicht berechnen. Die Oberfläche eines Adsorbens hängt von seiner Struktur ab: Je mehr Poren er hat, desto größer ist der Bereich, der einen großen Einfluss auf Reaktionen auf Oberflächen.

Wenn mehr als ein Gas an der Oberfläche adsorbiert, definieren wir ${\ displayStyle \ theta _ {e}}$ Als Bruchteil leerer Stellen, und wir haben: wir haben:

$oder$

Außerdem können wir definieren ${\ displayStyle \ theta _ {j}}$ Wie der Anteil der von der besetzten Stellen j-D Gas:

$oder$

wo i ist jede der Gase, die adsorben.

Notiz:

1) Um zwischen den Langmuir- und Freundlich -Gleichungen zu wählen, müssen die Adsorptionsenthalpien untersucht werden.^[12] Während das Langmuir -Modell davon ausgeht, dass die Energie der Adsorption mit der Oberflächenbelegung konstant bleibt, wird die Freundlich -Gleichung mit der Annahme abgeleitet, dass die Adsorptionswärme ständig abnimmt, wenn die Bindungsstellen besetzt sind.^[13] Die Auswahl des Modells, das auf der besten Anpassung der Daten basiert, ist ein weit verbreitetes Missverständnis.^[12]

2) Die Verwendung der linearisierten Form des Langmuir -Modells ist nicht mehr üblich. Fortschritte in der Rechenleistung ermöglichten es, dass eine nichtlineare Regression schnell und mit höherem Vertrauen durchgeführt wird, da keine Datenumwandlung erforderlich ist.

WETTE

Oft bilden Moleküle Multilayer, dh einige werden an bereits adsorbierten Molekülen adsorbiert, und die Langmuir -Isotherme ist nicht gültig. 1938 Stephen Brunauer, Paul Emmett, und Edward Teller entwickelte eine Modellisotherme, die diese Möglichkeit berücksichtigt. Ihre Theorie heißt BET -Theorienach den Initialen in ihren Nachnamen. Sie modifizierten Langmuirs Mechanismus wie folgt:

A_(g) + S ⇌ as,

A_(g) + Als ⇌ a₂S,

A_(g) + A₂S ⇌ a₃S und so weiter.

Langmuir (blau) und Wette (rot) Isothermen

Die Ableitung der Formel ist komplizierter als die von Langmuir (siehe Links für die vollständige Ableitung). Wir erhalten:

$oder v _ {\ text {mon}} c}},},}$

wo x ist der Druck geteilt durch die Dampfdruck für das Adsorbat bei dieser Temperatur (normalerweise bezeichnet ${\ displayStyle p/p_ {0}}$), v ist das STP -Volumen des adsorbierten Adsorbats, v_Mon ist das STP -Volumen der Menge an Adsorbat, die erforderlich ist, um eine Monoschicht zu bilden, und c ist die Gleichgewichtskonstante K Wir haben in Langmuir -Isothermen multipliziert mit dem Dampfdruck des Adsorbats verwendet. Die wichtigste Annahme zur Ableitung der BET -Gleichung, dass die aufeinanderfolgenden Adsorptionswärme für alle Schichten mit Ausnahme der ersten der Kondensation des Adsorbats entsprechen.

Die Langmuir-Isotherme ist normalerweise besser für die Chemisorption, und die BET-Isotherme funktioniert für die Physiorption für nicht-microporöse Oberflächen besser.

Kisliuk

Zwei Adsorbat -Stickstoffmoleküle adsorbieren an einem Wolfram -Adsorbens aus dem Vorläuferzustand um eine Insel mit zuvor adsorbiertem Adsorbat (links) und über zufällige Adsorption (rechts)

In anderen Fällen bilden molekulare Wechselwirkungen zwischen Gasmolekülen, die zuvor auf einer festen Oberfläche adsorbiert sind, signifikante Wechselwirkungen mit Gasmolekülen in den gasförmigen Phasen. Daher tritt die Adsorption von Gasmolekülen an die Oberfläche eher um Gasmoleküle auf, die bereits auf der festen Oberfläche vorhanden sind, wodurch die Langmuir -Adsorptionsisotherme für die Modellierungszwecke unwirksam ist. Dieser Effekt wurde in einem System untersucht, in dem Stickstoff das Adsorbat und Wolfram der Adsorben von Paul Kisliuk (1922–2008) 1957 war.^[14] Um die erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Adsorption zu kompensieren, die um Moleküle auf der Substratoberfläche vorkommt, entwickelte Kisliuk die Vorläuferzustandstheorie, wobei Moleküle an der Grenzfläche zwischen dem soliden Adsorbent und dem Adsorbat in der gasförmigen Phase in einen Vorläuferzustand eintreten würden. Von hier aus würden Adsorbatmoleküle entweder an das Adsorbens adsorben oder sich in die gasförmige Phase desorbieren. Die Wahrscheinlichkeit einer Adsorption, die aus dem Vorläuferzustand auftritt, hängt von der Nähe des Adsorbats zu anderen Adsorbatmolekülen ab, die bereits adsorbiert wurden. Wenn sich das Adsorbatmolekül im Vorläuferzustand in unmittelbarer Nähe zu einem Adsorbatmolekül befindet, das sich bereits auf der Oberfläche gebildet hat, hat es eine klebrige Wahrscheinlichkeit, die sich durch die Größe des S widerspiegelt_E konstant und entweder mit einer Rate von dem Vorläuferzustand aus dem Vorläuferzustand adsorbiert k_EC oder wird mit einer Geschwindigkeit von in die gasförmige Phase desorben k_Es. Wenn ein Adsorbatmolekül an einem Ort, der von anderen zuvor adsorbierten Adsorbatmolekülen entfernt ist, in den Vorläuferzustand eintritt_D Konstante.

Diese Faktoren wurden als Teil einer einzigen Konstante eingeschlossen, die als "Stickkoeffizient" bezeichnet wurde. k_E, nachstehend beschrieben:

$oder$

Als s_D wird durch Faktoren diktiert, die vom Langmuir -Modell berücksichtigt werden, s_D kann als Adsorptionsrate konstant angenommen werden. Die Geschwindigkeitskonstante für das Kisliuk -Modell (R’) Unterscheidet sich von dem des Langmuir -Modells wie R’Wird verwendet, um den Einfluss der Diffusion auf die Monoschichtbildung darzustellen, und ist proportional zur Quadratwurzel des Diffusionskoeffizienten des Systems. Die Kisliuk -Adsorption -Isotherme ist wie folgt geschrieben, wobei θ_(t) ist eine fraktionelle Abdeckung des Adsorbens mit Adsorbat, und t ist Eintauchzeit:

$oder$

Lösung für θ_(t) Ausbeuten:

$oder e^{-r '(1+k _ {\ text {e}}) t}}}.}$

Adsorptionenthalpie

Adsorptionskonstanten sind Gleichgewichtskonstanten, deshalb gehorchen sie dem Van 't Hoff -Gleichung:

${\ displaystyle \ links ({\ frac {\ partial \ ln k} {\ partial {\ frac {1} {t}}}} \ rechts) _ {\ theta} =-{\ frac {\ della h} {{{{{{{{{ R}}.}$

Wie in der Formel zu sehen ist, die Variation von K Muss isosterisch sein, dh bei konstanter Berichterstattung. Wenn wir von der BET -Isotherme beginnen und annehmen, dass die Entropieänderung für Verflüssigung und Adsorption gleich ist, erhalten wir

$oder$

Das heißt, die Adsorption ist exothermer als Verflüssigung.

Einzelmolekül Erklärung

Die Adsorption von Ensemblemolekülen auf einer Oberfläche oder Grenzfläche kann in zwei Prozesse unterteilt werden: Adsorption und Desorption. Wenn die Adsorptionsrate die Desorptionsrate gewinnt, sammeln sich die Moleküle im Laufe der Zeit an, die die Adsorptionskurve im Laufe der Zeit geben. Wenn die Desorptionsrate größer ist, nimmt die Anzahl der Moleküle auf der Oberfläche im Laufe der Zeit ab. Die Adsorptionsrate hängt von der Temperatur, der Diffusionsrate des gelösten Stoffes (im Zusammenhang mit dem mittleren freien Weg für reines Gas) und der abhängig Energiebarriere zwischen dem Molekül und der Oberfläche. Die Diffusions- und Schlüsselelemente der Adsorptionsrate können verwendet werden Ficks Verbreitungsgesetze und Einstein -Beziehung (kinetische Theorie). Unter idealen Bedingungen, wenn es keine Energiebarriere gibt und alle Moleküle, die mit der Oberfläche diffundieren und kollidieren, adsorbiert werden, die Anzahl der adsorbierten Moleküle ${\ displayStyle \ gamma}$ an einer Oberfläche des Gebiets ${\ displayStyle a}$ auf einer unendlichen Fläche kann direkt von integriert werden Ficks zweites Gesetz Differentialgleichung zu sein:^[15]

${\ displaystyle \ gamma = 2ac {\ sqrt {\ frac {dt} {\ pi}}}}$

wo ${\ displayStyle a}$ ist die Oberfläche (Einheit m²), ${\ displayStyle c}$ ist die Zahlenkonzentration des Moleküls in der Bulk -Lösung (Einheit #/m³), ${\ displayStyle d}$ ist die Diffusionskonstante (Einheit m²/s) und ${\ displayStyle t}$ ist Zeit (Einheit S). Weitere Simulationen und Analyse dieser Gleichung^[16] Zeigen Sie, dass die Quadratwurzelabhängigkeit von der Zeit aus der Abnahme der Konzentrationen in der Nähe der Oberfläche unter idealen Adsorptionsbedingungen entsteht. Außerdem funktioniert diese Gleichung nur zum Beginn der Adsorption, wenn sich ein gut erzogener Konzentrationsgradient in der Nähe der Oberfläche bildet. Korrektur der Verringerung des Adsorptionsbereichs und der Verlangsamung der Konzentrationsgradientenentwicklung muss über einen längeren Zeitpunkt berücksichtigt werden.^[17] Unter realen experimentellen Bedingungen machen der Durchfluss und der kleine Adsorptionsbereich die Adsorptionsrate immer schneller als diese Gleichung, und die Energiebarriere beschleunigt diese Geschwindigkeit entweder durch Oberflächenattraktion oder verlangsamt sie durch Oberflächenabstoßung. Somit ist die Vorhersage dieser Gleichung häufig einige bis zu mehreren Größenordnungen von den experimentellen Ergebnissen entfernt. Unter besonderen Fällen, wie z. B. einem sehr kleinen Adsorptionsbereich auf einer großen Oberfläche und unter chemisches Gleichgewicht Wenn es in der Nähe der Oberfläche keine Konzentrationsabschluss gibt, wird diese Gleichung nützlich, um die Adsorptionsrate mit einer umstrittenen Sonderversorgung vorherzusagen, um einen bestimmten Wert von zu bestimmen ${\ displayStyle t}$ in einer bestimmten Messung.^[16]

Die Desorption eines Moleküls von der Oberfläche hängt von der Bindungsenergie des Moleküls an der Oberfläche und der Temperatur ab. Die typische Gesamtadsorptionsrate ist daher häufig ein kombiniertes Ergebnis der Adsorption und Desorption.

Quantenmechanik - thermodynamische Modellierung für Oberfläche und Porosität

Seit 1980 wurden an zwei Theorien gearbeitet, um Adsorption zu erklären und Gleichungen zu erhalten, die funktionieren. Diese beiden werden als Chi -Hypothese, die quantenmechanische Ableitung und die überschüssige Oberflächenarbeit (ESW) bezeichnet.^[18] Beide Theorien ergeben die gleiche Gleichung für flache Oberflächen:

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

wo U ist die Einheitschrittfunktion. Die Definitionen der anderen Symbole sind wie folgt:

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

Wenn "ADS" für "adsorbiert" steht, steht "M" für "Monoschichtäquivalenz" und "VAP" bezieht sich auf den Dampfdruck des flüssigen Adsorptivs bei der gleichen Temperatur wie die feste Probe. Die Einheitsfunktion erzeugt die Definition der molaren Energie der Adsorption für das erste adsorbierte Molekül durch:

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

Die Handlung von ${\ displayStyle n_ {ads}}$ adsorbiert gegen ${\ displayStyle \ chi}$ wird als Chi -Handlung bezeichnet. Für flache Oberflächen ergibt die Steigung des Chi -Diagramms die Oberfläche. Empirisch wurde festgestellt Polanyi^[19][20][21] und auch von Deboer und Zwikker^[22] aber nicht verfolgt. Dies war auf Kritik im ersteren Fall durch Einstein und im letzteren Fall durch Brunauer zurückzuführen. Diese flache Oberflächengleichung kann als "Standardkurve" in der normalen Tradition der Vergleichskurven verwendet werden, mit der Ausnahme, dass der frühe Teil der porösen Probe des Diagramms von ${\ displayStyle n_ {ads}}$ gegen ${\ displayStyle \ chi}$ fungiert als Selbststandard. Mit dieser Technik können ultramikroporöse, mikroporöse und mesoporöse Bedingungen analysiert werden. Typische Standardabweichungen für vollständige Isothermenanfälle einschließlich poröser Proben betragen weniger als 2%.

Beachten Sie, dass in dieser Beschreibung der physischen Adsorption die Entropie der Adsorption mit dem dubinin -thermodynamischen Kriterium übereinstimmt, dh die Entropie der Adsorption vom flüssigen Zustand in den adsorbierten Zustand ist ungefähr Null.

Adsorbentien

Merkmale und allgemeine Anforderungen

Aktivkohlenstoff wird als Adsorbens verwendet

Adsorbentien werden normalerweise in Form von kugelförmigen Pellets, Stangen, Formteilen oder Monolithen mit a verwendet Hydrodynamischer Radius zwischen 0,25 und 5 mm. Sie müssen hoch haben Abrieb Widerstand, hoch thermische Stabilität und kleine Porendurchmesser, was zu einer höheren exponierten Oberfläche und damit zu einer hohen Kapazität für die Adsorption führt. Die Adsorbentien müssen auch eine unterschiedliche Porenstruktur haben, die den schnellen Transport der gasförmigen Dämpfe ermöglicht.

Die meisten industriellen Adsorbentien fallen in eine von drei Klassen:

• Sauerstoffhaltige Verbindungen sind typischerweise hydrophil und polar, einschließlich Materialien wie z. Kieselgel, Kalkstein (Kalziumkarbonat)^[23] und Zeolithen.
• Verbindungen auf Kohlenstoffbasis-sind typischerweise hydrophobe und unpolar, einschließlich Materialien wie Aktivkohle und Graphit.
• Verbindungen auf Polymerbasis-sind abhängig von den funktionellen Gruppen in der Polymermatrix polar oder unpolar.

Kieselgel

Kieselgel Adsorber für Nein₂, Fixed Stickstoffforschungslabor, ca.1930s

Kieselgel ist ein chemisch inerter, ungiftiger, polarer und dimensional stabiler (<400 ° C oder 750 ° F) amorpher Form von SiOs₂. Es wird durch die Reaktion zwischen Natriumsilikat und Essigsäure hergestellt, gefolgt von einer Reihe von Nachbehandlungsverfahren wie Alterung, Wahlung usw. Diese Methoden nach der Behandlung führen zu verschiedenen Porengrößenverteilungen.

Kieselsäure wird zum Trocknen von Prozessluft (z. B. Sauerstoff, Erdgas) und Adsorption schwerer (polarer) Kohlenwasserstoffe aus Erdgas verwendet.

Zeolithen

Zeolithen sind natürliche oder synthetische kristalline Aluminosilikate, die ein wiederholtes Porennetzwerk haben und Wasser bei hoher Temperatur freisetzen. Zeolithe sind polarer Natur.

Sie werden durch hydrothermale Synthese von Natriumaluminosilikat oder einer anderen Silica -Quelle in einem Autoklaven gefolgt, gefolgt von Ionenaustausch mit bestimmten Kationen (NA⁺, Li⁺, Ca²⁺, K⁺, Nh₄⁺). Der Kanaldurchmesser von Zeolithkäfigen reicht normalerweise zwischen 2 und 9 Å. Auf dem Ionenaustauschprozess folgt das Trocknen der Kristalle, die mit einem Ordner pelletisiert werden können, um makroporöse Pellets zu bilden.

Zeolithe werden beim Trocknen von Prozessluft angewendet, co₂ Entfernung von Erdgas, CO Entfernung von der Reformierung von Gas, Lufttrennung, katalytische Zersetzungund katalytische Synthese und Reformierung.

Nicht Pololische (silicöse) Zeolithe werden aus aluminiumfreien Siliciumdioxidquellen oder durch Beschäftigung von Aluminium-haltigen Zeolithen synthetisiert. Der Dealuminationsprozess erfolgt durch die Behandlung des Zeolith mit Dampf bei erhöhten Temperaturen, typischerweise mehr als 500 ° C. Diese Hochtemperaturwärmebehandlung bricht die Aluminium-Sauerstoffbindungen und das Aluminiumatom wird aus dem Zeolith-Gerüst ausgestoßen.

Aktivkohle

Aktivkohle ist ein hochporöser, amorpher Feststoff, der aus Mikrokristalliten mit einem Graphitgitter besteht, das normalerweise in kleinen Pellets oder einem Pulver hergestellt wird. Es ist unpolar und billig. Einer seiner Hauptnachteile ist, dass er bei mäßigen Temperaturen (über 300 ° C) mit Sauerstoff reagiert.

Aktivkohlenstoffstickstoff Isotherme zeigt ein markiertes mikroporöses Typ -I -Verhalten

Aktivkohlenstoff kann aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt werden, einschließlich Kohle (bituminöser, subbituminöser und Braunkohle), Torf, Holz oder Nussschalen (z. B. Kokosnuss). Der Herstellungsprozess besteht aus zwei Phasen: Karbonisierung und Aktivierung.^[24][25] Der Carbonisierungsprozess umfasst Trocknen und Anheizen an getrennten Nebenprodukten, einschließlich Tars und anderen Kohlenwasserstoffen aus dem Rohstoff sowie zum Anfahren aller erzeugten Gase. Das Verfahren wird durch Erhitzen des Materials über 400 ° C (750 ° F) in einer sauerstofffreien Atmosphäre abgeschlossen, die die Verbrennung nicht unterstützen kann. Die karbonisierten Partikel werden dann "aktiviert", indem sie einem Oxidationsmittel ausgesetzt werden, normalerweise Dampf- oder Kohlendioxid bei hoher Temperatur. Dieses Mittel verbrennt die während der Karbonisierungsphase erzeugten Porenblockierungsstrukturen und entwickeln daher eine poröse dreidimensionale Graphitgitterstruktur. Die Größe der während der Aktivierung entwickelten Poren hängt von der Zeit, die sie in dieser Phase verbringen, eine Funktion. Längere Belichtungszeiten führen zu größeren Porengrößen. Die beliebtesten wässrigen Phasenkohlenstoffe basieren aufgrund ihrer Härte, Abriebfestigkeit, Porengrößenverteilung und niedrigen Kosten, aber ihre Wirksamkeit muss in jeder Anwendung getestet werden, um das optimale Produkt zu bestimmen.

Aktivkohlenstoff wird zur Adsorption organischer Substanzen verwendet^[26] und unpolare Adsorbate und wird normalerweise auch für die Behandlung von Abfallgas (und Abwasser) verwendet. Es ist das am weitesten verbreitete Adsorbens, da der größte Teil seiner chemischen (z. B. Oberflächengruppen) und physikalischen Eigenschaften (z. B. Porengrößenverteilung und Oberfläche) nach dem, was benötigt wird, eingestellt werden können. Seine Nützlichkeit ergibt sich auch von seinem großen Mikropore- (und manchmal Mesopore) und der resultierenden hohen Oberfläche. Jüngste Forschungsarbeiten berichteten über Aktivkohle als wirksames Mittel für adsorbierte kationische Arten von toxischen Metallen aus Multi-Pollutant-Systemen und schlugen auch mögliche Adsorptionsmechanismen mit unterstützenden Beweisen vor.^[27]

Wasseradsorption

Die Adsorption von Wasser auf Oberflächen ist in großer Bedeutung in Chemieingenieurwesen, Materialwissenschaften und Katalyse. Ebenfalls als Oberflächenhydratation bezeichnet, spielt das Vorhandensein von physikalisch oder chemisch adsorbiertem Wasser auf den Oberflächen von Feststoffen eine wichtige Rolle bei der regierenden Grenzflächeneigenschaften, chemischen Reaktionswege und katalytischer Leistung in einem weiten Bereich von Systemen. Bei physikalisch adsorbiertem Wasser kann die Oberflächenhydratation einfach durch Trocknen bei Temperatur- und Druckbedingungen beseitigt werden, wodurch die vollständige Verdampfung von Wasser ermöglicht wird. Für chemisch adsorbiertes Wasser kann die Hydratation in Form einer der beiden dissoziativen Adsorption erfolgen, wobei h h₂O Moleküle werden in Oberflächen -adsorbiertes -H und -OH oder molekulare Adsorption (assoziative Adsorption) dissoziiert, wobei einzelne Wassermoleküle intakt bleiben ^[28]

Adsorption Solarheizung und Lagerung

Die niedrigen Kosten ($ 200/Tonne) und hohe Zyklusrate (2.000 ×) synthetischer Zeolithen wie Linde 13x mit Wasseradsorbat haben in letzter Zeit viel akademisches und kommerzielles Interesse für die Verwendung für Wärmeenergiespeicher (TEs) gewonnen, insbesondere von niedriggradigem Solar, das und WED -Wärme. In der EU wurden von 2000 bis heute (2020) mehrere Pilotprojekte finanziert. Das grundlegende Konzept besteht darin, die thermische Sonnenenergie als chemische latente Energie im Zeolith zu speichern. In der Regel wird heiße trockene Luft aus flachen Platten -Solarsammlern hergestellt, um durch ein Zeolithbett zu fließen, so dass jedes vorhandene Wasseradsorbat abgetrieben wird. Die Lagerung kann je nach Volumen des Zeolith und der Fläche der Solarthermie -Paneele tagentwickelt, wöchentlich, monatlich oder sogar saisonal sein. Wenn die Hitze in der Nacht oder sonnenlosen Stunden oder Winter gefragt wird, fließt befeuchtete Luft durch den Zeolith. Da die Luftfeuchtigkeit vom Zeolith adsorbiert wird, wird Wärme in die Luft und anschließend zum Gebäuderaum freigesetzt. Diese Form von TEs mit spezifischer Verwendung von Zeolithen wurde 1978 erstmals von Guerra unterrichtet.^[29]

CO2 -Erfassung und -speicher

Typische Adsorbentien vorgeschlagen für CO2 -Erfassung und -speicher sind Zeolithen und Mofs.^[30] Die Anpassung von Adsorbentien macht sie zu einer potenziell attraktiven Alternative zur Absorption. Da Adsorbentien durch Temperatur oder Druckschwingen regeneriert werden können, kann dieser Schritt weniger energieintensiv sein als Absorption Regenerationsmethoden.^[31] Hauptprobleme, die mit Adsorptionskosten bei der Kohlenstoffabnahme auftreten, sind: Regenerierung des Adsorbens, Massenverhältnisse, Lösungsmittel/MOF, Kosten für Adsorben, Produktion des Adsorbens, Lebensdauer des Adsorbens.^[32]

Im Sorption verbesserte Wassergasverschiebung (SEWGS) -Technologie Ein auf soliden Adsorption basierender Kohlenstoff-Erfassungsverfahren vor dem Verfasser wird mit dem kombiniert Reaktion der Wassergasverschiebung (WGS), um einen Hochdruck -Wasserstoffstrom zu erzeugen.^[33] Die co₂ Der produzierte Strom kann für andere industrielle Prozesse gespeichert oder verwendet werden.^[34]

Protein- und Tensidadsorption

Proteinadsorption ist ein Prozess, der eine grundlegende Rolle auf dem Gebiet von spielt Biomaterialien. In der Tat werden Biomaterialoberflächen in Kontakt mit biologischen Medien wie Blut oder Serum sofort von Proteinen beschichtet. Deshalb leben Zellen Interagieren Sie nicht direkt mit der Biomaterialoberfläche, sondern mit der adsorbierten Proteineschicht. Diese Proteinschicht vermittelt die Wechselwirkung zwischen Biomaterialien und Zellen und übersetzt biomaterial physikalische und chemische Eigenschaften in eine "biologische Sprache".^[35] In der Tat, Zellmembran Rezeptoren Binden Sie an bioaktive Stellen an Proteinschicht und diese Rezeptor-Protein-Bindungsereignisse werden durch die Zellmembran auf eine Weise transduziert, die spezifische intrazelluläre Prozesse stimuliert, die dann die Zelladhäsion, Form, Wachstum und Differenzierung bestimmen. Die Proteinadsorption wird durch viele Oberflächeneigenschaften wie die Oberfläche beeinflusst Benetzbarkeit, Oberflächenchemische Zusammensetzung ^[36] und Oberflächen-Nanometer-Morphologie.^[37] Tensidadsorption ist ein ähnliches Phänomen, aber die Verwendung von Tensidmolekülen an der Stelle von Proteinen.^[38]

Adsorptionskühler

Ein schematisches Diagramm eines Adsorptionskühlers: (1) Die Wärme geht durch Verdunstung des Kältemittels verloren. ist kondensiert und zum Start zurückgegeben, (5) und (6) Festes Medium wird zwischen Adsorption und Desorption gefahren, um es zu regenerieren.

Kombinieren eines Adsorbens mit einem Kältemittel, Adsorptionskühler Verwenden Sie Wärme, um einen Kühlungseffekt zu erzielen. Diese Wärme in Form von heißem Wasser kann aus einer beliebigen Anzahl von industriellen Quellen stammen, darunter Wärme aus industriellen Prozessen, Prime Wärme aus Solarthermieanlagen oder aus dem Auspuff- oder Wassermantelwärme eines Kolbenmotors oder einer Turbine.

Obwohl es Ähnlichkeiten zwischen Adsorptionskühler und gibt AbsorptionskühlungErsteres basiert auf der Wechselwirkung zwischen Gasen und Feststoffen. Die Adsorptionskammer des Kaltes ist mit einem festen Material (z. B. Zeolith, Kieselgel, Aluminiumoxid, aktiver Kohlenstoff oder bestimmten Arten von Metallsalzen) gefüllt, die in seinem neutralen Zustand das Kältemittel adsorbiert haben. Beim Erhitzen werden die festen Desorbs (freigesetzt) ​​Kältemitteldampf, die anschließend gekühlt und verflüssigt werden. Dieses flüssige Kältemittel liefert dann einen Kühlungseffekt am Verdampfer von seinem enthalpy of vaporization. In der letzten Stufe wird der Kältemitteldampf (wieder) in den Feststoff adsorbiert.^[39] Da ein Adsorptionskaller keinen Kompressor benötigt, ist er relativ leise.

Portalstelle vermittelte Adsorption

Die vermittelte Adsorption von Portal Site ist ein Modell für die ortsselektive aktivierte Gasadsorption in metallischen katalytischen Systemen, die eine Vielzahl verschiedener Adsorptionsstellen enthalten. In solchen Systemen kann eine "Edge- und Eck" -Fehler-ähnliche Stellen mit niedriger Koordination signifikant niedrigere Adsorptionsenthalpien aufweisen als hohe Koordination (hohe Koordination (Basalebene) Standorte. Infolgedessen können diese Standorte als "Portale" für eine sehr schnelle Adsorption für den Rest der Oberfläche dienen. Das Phänomen beruht auf dem gemeinsamen "Spillover" -Effekt (unten beschrieben), bei dem bestimmte adsorbierte Arten auf einigen Oberflächen eine hohe Mobilität aufweisen. Das Modell erklärt scheinbar inkonsistente Beobachtungen der Gasadsorptionsthermodynamik und der Kinetik in katalytischen Systemen, bei denen Oberflächen in einer Reihe von Koordinationsstrukturen existieren können, und es wurde erfolgreich auf bimetallische katalytische Systeme angewendet, bei denen eine synergistische Aktivität beobachtet wird.

Im Gegensatz zu reinem Spillover bezieht sich die Adsorption der Portalstelle auf die Oberflächendiffusion an benachbarte Adsorptionsstellen, nicht auf nichtadsorptive Trägerflächen.

Das Modell scheint zuerst für Kohlenmonoxid auf kieselgestützten Platin von Brandt vorgeschlagen worden zu sein et al. (1993).^[40] Ein ähnliches, aber unabhängiges Modell wurde von King und Mitarbeitern entwickelt^[41][42][43] Zur Beschreibung der Wasserstoffadsorption auf Silica-unterstütztem Alkali förderte die bimetallischen Katalysatoren von Ruthenium, Silber-Ruthenium und Kupfer-Ruthenium. Die gleiche Gruppe wandte das Modell auf die CO -Hydrierung an (Fischer -TROPSCH -Synthese).^[44] Zupanc et al. (2002) bestätigten anschließend das gleiche Modell für die Wasserstoffadsorption bei Magnesia-unterstützten Caesium-Ruthenium-Bimetallkatalysatoren.^[45] Trens et al. (2009) haben die CO-Oberflächendiffusion auf in Kohlenstoff unterstützte PT-Partikel unterschiedlicher Morphologie in ähnlicher Weise beschrieben.^[46]

Adsorptionspillover

In dem Fall katalytischer oder adsorbensender Systeme, in denen eine Metallspezies auf ein Stützmaterial (oder Träger) (häufig quasi-steuerliche Oxide wie Aluminiumoxid oder Kieselsäure) verteilt ist Bedingungen, bei denen eine solche Adsorption thermodynamisch ungünstig ist. Das Vorhandensein des Metalls dient als niedrigerer Energieweg für Gasspezies, um zuerst an das Metall zu adsorbieren und dann auf der Stützoberfläche zu diffundieren. Dies ist möglich, weil die adsorbierte Spezies einen niedrigeren Energiezustand erreicht, sobald sie an das Metall adsorientiert ist, wodurch die Aktivierungsbarriere zwischen den Gasphasenspezies und den Träger-adsorbierten Spezies gesenkt wird.

Wasserstoffspillover ist das häufigste Beispiel für ein adsorptives Spillover. Bei Wasserstoff wird die Adsorption am häufigsten mit der Dissoziation von molekularem Wasserstoff (H) begleitet₂) an atomare Wasserstoff (H), gefolgt von Spillover der vorhandenen Wasserstoffatome.

Der Spillover -Effekt wurde verwendet, um viele Beobachtungen in zu erklären Heterogene Katalyse und Adsorption.^[47]

Polymeradsorption

Die Adsorption von Molekülen an Polymeroberflächen ist für eine Reihe von Anwendungen von zentraler Bedeutung, einschließlich der Entwicklung von Nicht-Schichtbeschichtungen und in verschiedenen biomedizinischen Geräten. Polymere können auch an Oberflächen durchgesetzt werden Polyelektrolytadsorption.

Adsorption in Viren

Adsorption ist der erste Schritt in der Virus -Lebenszyklus. Die nächsten Schritte sind Penetration, Aufnahme, Synthese (bei Bedarf Transkription und Übersetzung) und Freisetzung. Der Virus -Replikationszyklus ist in dieser Hinsicht für alle Arten von Viren ähnlich. Faktoren wie Transkription können erforderlich sein oder nicht, wenn das Virus seine genomischen Informationen in den Zellkern integrieren kann oder wenn sich das Virus direkt im Zytoplasma der Zelle replizieren kann.

In der Populärkultur

Das Spiel von Tetris ist ein Puzzlespiel, bei dem Blocks von 4 während des Spiels auf eine Oberfläche adsorbiert werden. Wissenschaftler haben Tetrisblöcke "als Proxy für Moleküle mit einer komplexen Form" und deren "Adsorption auf einer flachen Oberfläche" verwendet, um die zu untersuchen Thermodynamik von Nanopartikel.^[48][49]

Siehe auch

• Adatom
• Cryo-adsorption
• Doppelpolarisationsinterferometrie
• Fluidisierter Bettkonzentrator
• Kelvin -Sondenkraftmikroskop
• Mikromeritik
• Molekularsieb
• Polanyi Adsorption
• Druckschwung -Adsorption
• Zufällige sequenzielle Adsorption

Verweise

Weitere Lektüre

Externe Links