بخشی از پاورپوینت
اسلاید 2 :
جذب سطحی Adsorption
اسلاید 3 :
اساس پدیدههای جذب سطحی برمبنای جداسازی است. فرآیند جداسازی عکس اختلاط است و فرآیند اختلاط در راستای قانون دوم ترمودینامیک صورت میپذیرد. برای تفکیک نیاز به انرژی زیادی است بنابراین انرژی در فرآیندهای تفکیک نقش مهمی ایفا میکند. هزینه مربوط به انرژی در کل فرآیند درصد عمدهای را به خود اختصاص میدهد.
امروزه انواع و اقسام فرآیندهای جداسازی گسترش یافته است. از این فرآیندها میتوان به تقطیر، کریستالیزاسیون، Adsorptionو فیلتراسیون اشاره کرد.
مقدمه
اسلاید 4 :
تکنولوژیهایی که از سطح جامد برای جداسازی استفاده میکنند عبارتند از:
جذب سطحی (Adsorption)
تعویض یونی (Ion - Exchange)
اسلاید 5 :
تعویض یونی (Ion – Exchange)
فرآيند تعویض يوني، واكنش شيميايي بين يونهاي داخل فاز مايع و يونهاي فاز جامد است. يونهاي خاصي در داخل مايع توسط مبدل يوني جامد جذب ميشود و به خاطر اين كه بايد حالت خنثاي الكتريكي برقرار گردد، مبدل جامد يونهايي را به داخل مايع آزاد كرده كه جايگزين يون هاي جذب شده گردد. فرآيند تبادل يوني به طور عمده در نرم سازي آب، حذف مواد معدني، نمك زدايي و حذف نيتروژن به كار ميرود.
اسلاید 6 :
جذب سطحی Adsorption))
جذب سطحی یک فرآیند جداسازی است که در آن برخی از اجزاء فاز سیال به سطح یک جاذب سطحی جامد منتقل میشوند.
معمولاً ذرات ریز جاذب در بستر ثابتی نگه داشته میشوند و سیال به صورت پیوسته از میان بستر عبور داده میشود تا جامد تقریبا سیر شود و دیگر نتوان به جداسازی مورد نظر دست یافت.
جذب سطحي را ميتوان تمايل مولكول هاي فاز سيال براي چسبيدن به سطح جامد تعريف كرد .
اسلاید 7 :
عملیات جداسازی توسط سطح جامد
اسلاید 8 :
در فرآیند جذب سطحی:
جاذب: Adsorbent
ماده جذب شده : Adsorbate
مواد معلق : Adsorpt
اسلاید 9 :
عامل اساسی در سیستم جذب، جاذب است. جاذب پدیدآورنده فناوری جذب سطحی است. در گذشته استفاده از جاذبها برمبنای سعی و خطا استوار بوده که با انجام آزمایش کیفیت آنها اندازه گیری میشد، اما امروزه در بررسیهای انجام شده از لحاظ علمی ساختار منافذ و تخلخل و انرژیهای سطحی و دیگر پارامترهای یک جاذب را از پیش تعیین میکنند و برمبنای آن جاذب را استفاده میکنند. در ساختار مولکولی منظم مقدار جذب افزایش مییابد و میزان انتخاب پذیری نیز زیاد میشود. امروزه بشر قادر است مواد را درحد نانومتری از هم جدا کند.
اسلاید 10 :
مکانیسم جذب
اسلاید 11 :
انواع جذب سطحی
1- جذب فیزیکی یا جذب واندروالس(Physical Adsorption):
یک پدیده برگشت پذیر است که نتیجه نیروهای جاذبه بین مولکولهای جامد و ماده جذب شده است. بین مولکولها انواع نیروهای درونی وجود دارد و یکی از این نیروها، واندروالس است. این نیروی بسیار ضعیفی است که دو مولکول را به همدیگر جذب میکند، اما این نیرو تبادل الکترون و تشکیل پیوند شیمیایی را شامل نمیشود. این نیروی فیزیکی بسیار ضعیف است. برای مثال وقتی نیروی جاذبه بین یک جامد و یک گاز بیشتر از نیروهای بین مولکولهای گاز باشد، گاز روی سطح جامد جمع و متراکم میشود. ماده جذب شده در شبکه کریستالی جامد نفوذ نمیکند و در آن حل نمیشود، بلکه در سطح باقی میماند. درهرحال اگر جامد دارای تخلخل و لولههای موئین زیادی باشد، ماده جذب شده، در صورتی که جامد را تر کند، به داخل این شکافها نفوذ نمیکند.
اسلاید 12 :
2- جذب شیمیایی یا جذب سطحی فعال شده (Chemical Adsorption)
جذب شیمیایی یا جذب سطحی فعال شده نتیجه فعل و انفعالات شیمیایی جامد و ماده جذب شده است. قدرت پیوند شیمیایی حاصل به طور قابل توجهی در حالات مختلف تغییر میکند و شناسایی ترکیبات شیمیایی عملا مشکل است ولی نیروهای چسبندگی معمولاً بیشتر از آن چیزی است که در جذب فیزیکی وجود دارد. این پیوند شیمیایی قوی است و حدود 100 برابر جذب فیزیکی انرژی جذب دارد. حرارت آزاد شده در جذب شیمیایی معمولا زیاد و در حدود حرارت یک واکنش شیمیایی است . فرآیند عموماً برگشت ناپذیر است و با دفع و جداسازی اولیه ماده جذب شده، تغییر شیمیایی در آن مشاهده میشود.
اسلاید 13 :
جذب شيميايي به واکنش پذيري جاذب و جذب شونده بستگي دارد.
نيروهاي جذب فيزيکي همان نيروهايي هستند که باعث چگالش بخارها و انحراف از حالت ايده آل گازي مي شوند، در حاليکه نيروهاي شيميايي سبب ايجاد يک ترکيب شيميايي جديد مي گردند.
در جذب شيميايي، مولکول ها به قسمت فعال سطح وصل شده و جذب يک لايه اي صورت مي گيرد، ولي در جذب فيزيکي در غلظت هاي بالا جذب سطحي چند لايه اي هم مي تواند رخ دهد.
در جذب فيزيکي، مولکول ها هويت خود را حفظ کرده و در فرايند دفع به فاز سيال باز مي گردند، ولي در جذب شيميايي مولکول ها واکنش داده يا تجزيه مي شوند و ماهيت خود را از دست داده نمي توانند به وسيله دفع بازيابي شوند.
انرژي لازم براي جذب شيميايي همان مقدار انرژی لازم براي يک واکنش شيميايي هم مرتبه است. ولي در جذب فيزيکي معمولاً گرمای مبادله شده زياد نيست.
تفاوت های جذب فیزیکی و شیمیایی
اسلاید 14 :
مقایسه جذب سطحی فیزیکی و جذب سطحی شیمیایی
جذب فیزیکی یا جذب واندروالس (van der Waals adsorption) :
پیوند ضعیف مولکولهای سیال به سطح جامد
گرمازا ((~ 0.1 Kcal/mole
برگشت پذیر
جذب شیمیایی (Chemisorption) :
پیوند شیمیایی قوی
گرمازا (10 Kcal/mole)
برگشت نا پذیر
اسلاید 15 :
از جنبه سينتيکي 3 مرحله پي در پي در فرايند جذب وجود دارند
آنالیز فرایند جذب سطحی
انتقال ماده جذب شونده از توده سیال به سطح خارجی جاذب که معمولا از آن با نام نفوذ لایهای یاد میشود.
انتقال ماده جذب شونده به درون حفرههای ریز موجود در سطح جاذب و حرکت در درون این حفرات تا رسیدن به منطقه جذب. این مرحله را نفوذ در درون خلل و فرج مینامند.
تعامل بین ماده جذب شونده و مکانهای فعال در سطح داخلی حفرهها.
سرعت کل فرآیند جذب سطحی به سرعت هر کدام از مراحل فوق بستگی دارد. معمولا مرحله سوم یعنی اتصال مولکول به سطح بسیار سریع انجام میشود و نقش موثری در سرعت کل ندارد و در نتیجه یکی از دو مرحله اول و دوم با توجه به شرایط عمل تعیین کننده سرعت فرآیند خواهند بود
اسلاید 16 :
مساحت سطح جاذب: مساحت سطح بیشتر، ظرفیت جذب بیشتری ایجاد میکند. قطر دانه های جاذب نسبت عکس با جذب سطحی دارد. بنابراین بهترین جاذبها موادی هستند که ذرات ریزتری داشته باشد و سطح تماس بیشتری داشته باشند.
اندازه ذرات جاذب: ذرات با اندازه کوچکتر بیشترین سرعت جذب را دارند.
زمان تماس: با افزایش زمان تماس جاذب با محلول جذب کاملتری صورت میگیرد.
حلالیت حل شونده در پساب: حل شونده با میزان حلالیت کمتردر آب، فرآیند جداسازی راحتتری دارد. همچنین مواد غیر قطبی به دلیل تمایل بیشتر به جداسازی راحتتر از مواد قطبی جدا میشوند.
تمایل جذب شونده به جاذب
سایز مولکول در مقایسه با سایز حفرات: مولکولهای بزرگتر برای ورود به حفرات کوچکتر بسیار بزرگ هستند. بنابراین میزان جذب در آنها کمتر است.
عوامل موثر بر جذب سطحی
اسلاید 17 :
pH : در pH پایین غلظت پروتون زیاد میباشد. بنابراین یونها با بار مثبت و پروتونها برای برقراری ارتباط با مکانهای فعال جاذب با یکدیگر رقابت میکنند. بدین ترتیب میزان جداسازی این یونها سختتر میشود. هنگامی که میزان pH افزایش مییابد پروتون در محلول کم شده و میزان جداسازی یونهای مثبت افزایش مییابد
تاثیر غلظت اولیه: در غلظتهای بیشتر، میزان مکانهای فعال کمتر میباشد. این رفتار با نفوذ رقابتی جذب شونده از میان حفرات ارتباط دارد. با وجود غلظت بالا مسیر ورود به سطح جاذب قفل شده و به سختی به مواد جذب شونده اجازه ورود به حفرات داده میشود
تاثیر میزان جاذب: با افزایش میزان جاذب بازدهی جذب افزایش مییابد. این رفتار با این حقیقت که با افزایش میزان جاذب میزان سطح تماس بیشتر میشود توجیح میشود
میزان اغتشاش در فاز سیال: چنانچه محلول به اندازه کافی به هم زده شود ضخامت لایه محلول به دور سطح جاذب کم شده و مولکول جزء جذب شونده به سرعت به سطح میرسد به این ترتیب در این گونه شرایط سرعت مرحله دوم یعنی نفوذ در خلل و فرج نقش کنترل کننده را خواهد داشت. معمولاً در سیستمهاي ناپیوسته با این شرایط روبرو هستیم.
دما: افزایش دما اصولا باعث کاهش جذب سطحی میشود مگر در شرایطی که جذب سطحی با واکنش شیمیایی همراه شده باشد.
اسلاید 18 :
جاذب ها و پدیده جذب سطحی
اکثر جاذبها موادی بسیار متخلخل هستند و جذب سطحی عمدتاً روی دیواره حفرهها و یا مکانهای مشخص در داخل ذره صورت میپذیرد. از آنجا که حفرهها بسیار کوچک هستند، مساحت سطح داخلی چندین مرتبه بزرگتر از مساحت خارجی است و ممکن است به m2/g 2000 برسد. اختلاف در جرم مولکولی، شکل و یا قطبیت باعث میشود برخی از مولکولها محکمتر از سایرین روی سطح حفظ شوند یا ممکن است حفرهها کوچکتر از آن باشند که مولکولهای درشتتر را بپذیرند، در نتیجه مواد از هم جدا میشوند.
اسلاید 19 :
طبیعت جاذبها
جامدهای جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف میشوند و قطر آنها از 12 میلیمتر تا 50 میکرومتر متغیر است. جامدها باید براساس کاربرد و موقعیت مصرف بعضی خواص مهندسی را داشته باشند. آنها باید مقاومت و سختی خوبی داشته باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین وزن خود در بستر خرد نشوند. خاصیت جذب جاذبها یک مسئله دیگر است. جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها، گازها و بخارات را به مقداری جذب میکنند. ولی در اهداف صنعتی فقط برخی از جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. از آنجا که جامدات در خواص مربوط به جذب مواد خاص بسیار اختصاصی و ویژه عمل میکنند، به نظر میرسد که طبیعت شیمیایی جامدات با خواص جذب آنها ارتباط داشته باشد. وجود سطح زیاد در واحد جرم برای جاذبهای مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلکه سطح بزرگتری است که داخل سوراخها و یا شکافها را شامل میشود. این سوراخها معمولا خیلی کوچک هستند و در حدود چند مولکول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب میشود.
اسلاید 20 :
به طور کلي اندازه ذرات و مساحت سطح جاذب با هم رابطه معکوس دارند به طوريکه با افزايش اندازه ذرات، مساحت سطح و تخلخل کم مي شود.
ظرفيت جذب عبارت است از مقدار جذب شونده اي كه در واحد جرم (يا حجم ) توسط جاذب ، جذب مي شود. در محاسبه هزينه سرمايه گذاري، ظرفيت جذب از اهميت خاصي برخوردار است، زيرا علاوه بر مشخص كردن مقدار جاذب مورد نياز، حجم مخازن جذب كننده را نيز تعيين مي كند.
يک جاذب زماني مي تواند در فرايند جذب موفق عمل کند که ظرفيت جذب بالايی داشته باشد. به اين منظور جاذب بايد داراي حجم بالايي از مکان هاي مناسب براي جذب و سطح ويژه بالايي باشد و همچنين شبکه ي حفرات بايد به قدر کافي بزرگ باشند تا بتوانند سهولت انتقال مولکول هاي جذب شونده را تأمين کنند
ظرفيت جذب
