3 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Мы уже знаем, что при адсорбции проявляются силы взаимодействия между молекулами поглощаемого га­за или пара и атомами поглотителя, расположенными на его поверхности. Здесь действуют и силы электрического притяжения, и молекулярные силы, так называемые ван­дер-ваальсовысилы, благодаря которым притягиваются даже нейтральные молекулы. Они проявляются, напри­мер, в явлении сцепления молекул жидкости между собою.

По мере возрастания давления пара над поверхностью сорбента на последней образуются адсорбционные слои толщиною сначала в одну, потом в две, три и более моле­кул. Что же удерживает молекулы пара на самой границе многомолекулярного слоя, уже вдали от поверхности сор­бента? Да те же самые силы молекулярного притяжения, для которых слой уже сидящих молекул достаточно «про­зрачен», иначе говоря, силы Ван-дер-Ваальса обладают дальнодействием и не экранируются промежуточными слоями молекул. Значит, нет предела утолщению адсорб­ционного слоя?

Нет, этот предел возникает вполне естественно, сам собою. По мере удаления от поверхности сорбента сила притяжения все же убывает, и самые крайние молекулы пара уже могут преодолевать ее вследствие достаточно интенсивного молекулярного движения. Крайние моле­кулы могут «улететь» из зоны притяжения и не вернуться более в нее. Вся картина во многом напоминает земную атмосферу, в которой воздух имеет большую плотность вблизи поверхности Земли, удерживаясь силами всемир­ного тяготения. Но по мере удаления от поверхности сила притяжения убывает и атмосфера становится более разреженной.

Адсорбционный слой, состоящий по толщине из мно­гих молекул, похож уже на слой жидкости, правда, свое­образной. Переход пара в жидкость на поверхности сор­бента под действием молекулярных сил притяжения — довольно распространенное явление. Особенно оно харак­терно для пористых сорбентов, структура которых обра­зована мельчайшими капиллярами, например для угля и силикагеля.

Заполнение пор сорбента жидкостью, образовавшейся из пара под действием молекулярных сил, носит название капиллярной конденсации.

При каких же условиях в порах и капиллярах сорбен­та может конденсироваться пар жидкости? Чтобы отве­тить на этот вопрос, нам с вами нужно припомнить неко­торые простые физические явления.

Почему гусь выходит «сухим из воды» или почему го­ворят «как мокрая курица»? Потому что перья гуся по­крыты тонким жировым слоем и не смачиваются водой, вода с них скатывается («как с гуся вода») мелкими от­дельными капельками. У курицы же нет на перьях жирового слоя, вода смачивает их, перья слипаются и при­дают курице весьма жалкий вид.

Ну, хорошо, а что же характеризует «смачивание» и «несмачивание»? Если на стекло, покрытое жиром, поме­стить капельку воды, она будет лежать на нем и кататься, как бусинка, не растекаясь (рис. 10, а). На чистом же стекле капля воды растечется в плоскую лепешку (рис. 10, б).

Капли жидкости, несмачивающей и смачивающей поверхность

Капли жидкости, несмачивающей и смачивающей поверхность

Угол а (альфа) называется углом смачивания. Если он тупой, говорят, что жидкость не смачивает поверхности, а если острый, то — смачивает. Вот угол а, краевой угол, и характеризует смачивание и несмачивание.

Погрузите чистую узкую стеклянную трубочку в ртуть и вы увидите, что уровень ее в трубочке будет стоять ниже поверхности ртути в чашечке (рис. 11, а), а если трубочку погрузить в керосин, последний даже несколько поднимется в трубочке (рис. 11, б). В первом случае, слу­чаенесмачивания, поверхность жидкости в трубочке, на­зываемая мениском, имеет выпуклую форму, а во вто­ром — вогнутую.

Жидкость, несмачивающая и смачивающая стенки капилляра

Жидкость, несмачивающая и смачивающая стенки капилляра

Капиллярная конденсация может происходить только при том условии, если стенки пор и капилляров сорбента смачиваются сконденсированными парами жидкости, то есть при условии образования вогнутого мениска.

Это вызвано следующим явлением. Посмотрите на рис. 12, а, на котором схематически изображена молекула пара жидкости, находящаяся над плоской поверхностью той же жидкости. Молекулярные силы притяжения обозна­чены стрелками, расположенными вокруг молекулы. Ясно, что молекула пара взаимодействует с поверхностью жидкости и притягивается к ней.

Схематическое изображение сил притяжения, действующих на молекулу пара, находящуюся над поверхностью жидкости

Схематическое изображение сил притяжения, действующих на молекулу пара, находящуюся над поверхностью жидкости

Но обратите внимание на следующий случай (рис. 12, б), когда молекула пара находится не над плос­кой, а над вогнутой поверхностью жидкости. Здесь взаимо­действие проявляется гораздо сильнее, молекула пара име­ет меньшую вероятность оторваться от поверхности жидко­сти и уйти в пространство. Все молекулы пара жидкости, попавшие в пространство над вогнутым мениском, будут сорбироваться на этом мениске, а это и есть капиллярная конденсация.

Чем уже капилляр, тем больше вогнутость мениска. Значит, для поглощения паров путем капиллярной конден­сации нужны сорбенты с большим количеством узких пор; заметное поглощение наблюдается при порах диаметром в тысячные доли миллиметра. За счет капиллярной конден­сации некоторые сорбенты могут поглотить столько паров жидкости, что вес этих паров будет более 50% веса погло­тителя. Это значительно превосходит обычную адсорб­цию.

Конечно, ни один сорбент, природный или искусствен­но полученный, не обладает капиллярными трубочками или порами. Они выглядят как трещины, углубления, из­вилистые ходы и т. п. между частицами материала, состав­ляющего сорбент. Но все равно, если где-нибудь в углубле­нии, трещине или в местах соприкосновения частиц образо­вался вогнутый мениск жидкости, капиллярная конденса­ция началась, и она будет продолжаться по мере доставки ларов извне к поверхности сорбента.

Таким образом, мы познакомились еще с одним видом сорбции. Находит ли капиллярная конденсация примене­ние в технике? Да, с нею мы имеем дело чаще всего, когда речь идет о поглощении паров при большой их концентра­ции; вспомните рекуперационную технику, поглощение па­ров бензина в резиновой промышленности.

Особое место в технике применения сорбционных про­цессов занимает в последнее время осушка воздуха, при­чем его огромных количеств. Так как количество водяных паров в атмосфере очень велико, только капиллярная кон­денсация может справиться с их поглощением. Общеприз­нанным поглотителем в подобных процессах является силикагель. Поверхность его пор хорошо смачивается водой, да и структуру и размеры пор можно регулировать в про­цессе изготовления силикагеля, меняя режимы химических операций. Силикагель прочен, не горит и при продувке горячим воздухом хорошо отдает сорбированную влагу, по­сле чего он снова готов к работе. При помощи силикагеля, применяя аппаратуру, похожую на описанную в разделе о рекуперации, осуществляют так называемую «глубокую осушку» воздуха, когда в одном кубометре его можно на­считать немногие миллиграммы водяных паров. Регенера­цию силикагеля, как мы уже сказали, ведут горячим воз­духом.