Adsorbţie

Adsorbția fizică a unei molecule diatomice covalente (adsorbat) pe un substrat (adsorbant).

Adsorbția (din latinescul adsorbere , termen compus din prepoziția ad , a și verbul sorbere , a absorbi încet, a bea în centellini) este un fenomen chimico-fizic care constă în acumularea uneia sau mai multor substanțe fluide ( lichid sau gazoase ) pe suprafața unui condensat ( solid sau lichid). ^[1] În fenomenul adsorbției, speciile chimice ( molecule , atomi sau ioni ) stabilesc o interacțiune chimico-fizică între ele (prin forțe Van der Waals sau legături chimice intermoleculare ^[2] ) pe suprafața de separare între două faze diferite (aceasta suprafața se numește „ interfază ”).

Generalitate

Ca rezultat al interacțiunii dintre particule și mediul de adsorbție (numit „adsorbant” sau „substrat”), se poate obține o separare a componentelor unui amestec , deoarece unul sau mai mulți componenți rămân adsorbiți, în timp ce alte componente nu rămân (sau se adsorb mai puțin repede); de exemplu, prin trecerea unui curent de aer (care este în esență un amestec de azot și oxigen ) peste un pat adsorbant, azotul se adsorbe mai ușor decât oxigenul, astfel încât cele două componente sunt separate.

Un alt rezultat obținut prin adsorbție este amânarea diferitelor specii chimice în timp, așa cum se întâmplă în cazul cromatografiei pe coloană , în care speciile chimice prezente în furaje părăsesc echipamentul în momente diferite, în funcție de cât de puternică este interacțiunea dintre fiecare speciile chimice și adsorbantul.

Adsorbția afectează „mișcarea” moleculelor, atomilor sau ionilor. De fapt, lor de translatie grade de libertate sunt partial pierdute, dar nu și pe cele de vibrație și de rotație. Adsorbția poate fi înțeleasă ca o „constrângere” a mișcării moleculelor care poate fi cauzată de o fază solidă, care, în cazul în care este polară , reține speciile chimice polare (inclusiv molecule polare sau ioni ) și le respinge pe cele apolare, în timp ce în cazul în care este apolar, păstrează speciile chimice apolare și le respinge pe cele polare.

Fenomenul adsorbției este exploatat pe scară largă în aplicații științifice și industriale, inclusiv tehnici analitice ( cromatografie de înaltă performanță , cromatografie de gaze și cromatografie lichidă ), în reacții de cataliză eterogenă și în multe tehnologii de purificare , decolorare și recuperare a substanțelor. Din curenții în care acestea sunt prezente în concentrație scăzută.

Fenomenul opus adsorbției este desorbția și constă în eliberarea substanțelor adsorbite anterior pe suprafața adsorbantului. ^[3]

fundal

Primele experimente cantitative privind adsorbția sunt atribuite lui Carl Scheele și Felice Fontana , care au studiat adsorbția gazelor pe cărbune și argilă între 1773 și 1777 . ^[4] Acest carbon vegetal a luat ulterior numele de „ cărbune activ ”. ^[5]

În 1814 Nicolas-Théodore de Saussure și-a efectuat studiile privind adsorbția, ceea ce l-a determinat să concluzioneze că fenomenul adsorbției gazelor are loc prin eliberarea căldurii (adică este un proces exoterm ) și că o prerogativă esențială pentru ca acest fenomen să apară este porozitatea materialului adsorbant. ^[4]

Termenul „adsorbție” a fost introdus în 1881 de către savantul H. Kayser, care împreună cu Chappuis au investigat influența presiunii asupra cantității de gaz adsorbit pe cărbunele activ. ^[6]

Modelul Langmuir a fost dezvoltat între 1914 și 1918 , introducând pentru prima dată conceptul de adsorbție „monostrat”. ^[7] Aceste și alte studii i-au adus lui Irving Langmuir Premiul Nobel pentru chimie din 1932 pentru contribuțiile sale la chimia suprafeței . ^[8]

Conceptul de adsorbție „multistrat” de Stephen Brunauer , Paul H. Emmett și Edward Teller ^[9] ^[10] datează din 1938 (de aici și acronimul „BET”, construit din inițialele numelor lor de familie, care indică modelul dezvoltat de lor).

În 1940 , oamenii de știință Brunauer , Lola S. Deming , W. Edwards Deming și Edward Teller au dezvoltat o clasificare a izotermelor de adsorbție (numită „clasificare BDDT”) care va fi apoi recomandată de IUPAC pentru o descriere mai completă a fenomenului de adsorbție. ^[11]

Tipuri de adsorbție

Adsorbția chimică și adsorbția fizică

Reprezentarea fenomenului de adsorbție fizică (stânga) și a adsorbției chimice (dreapta). În al doilea caz are loc o reacție chimică pe suprafața substratului, prin care specia adsorbită își schimbă natura chimică, dând naștere unei noi specii.

În funcție de tipul de interacțiuni care apar între adsorbat (sau substanță dizolvată ) și adsorbant (sau substrat ), adsorbția poate fi definită ca fiind fizică (numită și fizizorbție ^[12] ) dacă sunt implicate legături intermoleculare slabe (de exemplu legături van der Waals ), sau chimic (numit și chemisorbție ^[13] ) dacă sunt implicate legături puternice intramoleculare (între ioni sau legături covalente reale). ^[14]

Adsorbția fizică are valori de $\Delta H$ ${\ displaystyle \ Delta H}$ $\ Delta H$ ( entalpia de formare a legăturilor adsorbant-adsorbat) de aproximativ 20 kJ mol ^-1 , în timp ce adsorbția chimică are valori de $\Delta H$ ${\ displaystyle \ Delta H}$ $\ Delta H$ de zece ori mai mare, în jur de 200 kJ · mol ⁻¹ . ^[15] ^[16]

Adsorbție omogenă și adsorbție eterogenă

Adsorbția poate fi clasificată, în funcție de fazele implicate, în:

omogen : dacă implică faze diferite dar având aceeași stare (de exemplu atât în stare lichidă, dar nu foarte miscibilă, ca în sistemul apă - hexan );
eterogen : dacă afectează diferite stări ale materiei (solid-lichid, lichid-gaz, gaz-solid).

Adsorbție specifică și nespecifică

Un ion este adsorbit în mod specific la suprafața materialului adsorbant dacă interacțiunile pe distanțe scurte predomină între ionul adsorbit și suprafață, ^{[17] în} timp ce este adsorbit într -o manieră nespecifică dacă intervin doar interacțiuni pe termen lung între ionul adsorbit. iar raza suprafeței. ^[18]

În cazul adsorbției nespecifice ionul își menține carcasa de solvatare (deci nu este în contact direct cu suprafața materialului adsorbant), ^[18] în timp ce în cazul adsorbției specifice nu este solvatat (deci poate fi în contact cu suprafața materialului adsorbant). ^[17]

Izoterme de adsorbție

Izoterme de adsorbție favorabile, nefavorabile, liniare și ireversibile.

În tratamentul adsorbției, se utilizează un parametru numit capacitate de adsorbție $C_{S}$ ${\ displaystyle C_ {S}}$ $C_ {S}$ , care este definit de raportul dintre masa solutului (sau adsorbat ) la masa adsorbantului (sau substratului ):

C_{S}={\frac {m_{soluto}}{m_{adsorbente}}}

{\ displaystyle C_ {S} = {\ frac {m_ {solute}} {m_ {adsorbent}}}}

C_ {S} = {\ frac {m _ {{solute}}} {m _ {{adsorbent}}}}

Izotermele de adsorbție reprezintă variația capacității de adsorbție în raport cu concentrația (sau presiunea parțială în cazul gazului) de substanță dizolvată în fluidul de tratat.

Vorbim de izoterme favorabile atunci când au concavitate descendentă, de izoterme nefavorabile când au concavitate ascendentă și de izoterme liniare când masa solutului variază liniar cu masa adsorbantului.

Mai mult, vorbim de izoterme de adsorbție ireversibile atunci când se stabilesc astfel de legături puternice între adsorbant și adsorbat încât este imposibil să se inverseze operația de adsorbție prin tratarea patului cu fluid proaspăt (această metodă se numește regenerare ). Există izoterme ireversibile în cazul adsorbției chimice.

Izotermele de adsorbție pentru sistemele cu un singur component (adică în care adsorbatul constă dintr-o singură specie chimică) au fost clasificate mai detaliat în 1940 de Brunauer împreună cu Lola S. Deming , W. Edwards Deming și Edward Teller în 5 tipuri diferite, în conformitate cu forma lor. ^[19] ^[20] Această clasificare se numește „ clasificare Brunauer ” sau „ clasificare BDDT ”, unde acest acronim indică inițialele prenumelor oamenilor de știință care au dezvoltat-o. ^[11] Conform clasificării BDDT, izotermele favorabile corespund tipului I, în timp ce izotermele nefavorabile corespund tipului III. ^[21] Forma izotermului depinde în principal de mărimea porilor adsorbantului și de temperatura sistemului. ^[22]

Forma celor 5 tipuri de izoterme conform clasificării BDDT. Raportul dintre presiunea totală și presiunea parțială a adsorbantului în cea mai mare parte a fluidului este prezentat pe abscisă, în timp ce capacitatea de adsorbție este indicată pe ordonată.

În 1974, izotermele de adsorbție au fost, de asemenea, clasificate de Giles, care le-a împărțit în patru clase și cinci subgrupuri pentru fiecare clasă. ^[23]

Diferitele forme care pot fi asumate de izotermele de adsorbție sunt descrise prin tot atâtea ecuații. Principalele ecuații care modelează cinetica adsorbției sunt prezentate mai jos. Ecuațiile sunt prezentate de la cea mai simplă la cea mai complexă, în sensul că se adaugă un termen la fiecare ecuație care implică o condiție specială a sistemului (de exemplu starea soluției diluate sau prezența interacțiunilor între siturile învecinate). În următoarea discuție a indică activitatea, K este constanta de disociere a analitului de la suprafața de adsorbție e $\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ este fracțiunea suprafeței acoperite de analit.

Izoterma Henry

Izotermă de adsorbție liniară.

Este cea mai simplă formă de adsorbție, utilizată în principal în tratarea fazelor gazoase ^[24] și pentru adsorbția substanțelor hidrofobe în soluții apoase. ^[25]

Se presupune că toate interacțiunile sunt neglijabile, că coeficienții de activitate sunt unitari și că fracția de adsorbție $\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ este foarte mic. Ecuația izotermă Henry este exprimată astfel: ^[25]

a=K\theta

{\ displaystyle a = K \ theta}

a = K \ theta

fiind:

la activitate; pentru soluțiile diluate activitatea se apropie de concentrația solutului, în timp ce pentru soluțiile concentrate concentrația este înmulțită cu coeficientul de activitate al solutului $\gamma _{B_{s}}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {B_ {s}}}$ $\ gamma _ {{B_ {s}}}$
K constanta izotermei Henry, care este o constantă de partiție . Această constantă este doar o funcție a temperaturii. ^[22]

Izotermă Freundlich

Izotermă Freundlich.

Această ecuație este generalizarea izotermei Henry în cazul în care coeficienții stoichiometrici nu sunt în raportul 1: 1. ^[24]

a=K'\theta ^{\left({\frac {1}{z}}\right)}

{\ displaystyle a = K '\ theta ^ {\ left ({\ frac {1} {z}} \ right)}}

a = K '\ theta ^ {{\ left ({\ frac {1} {z}} \ right)}}

Izoterma Langmuir

Reprezentarea ipotezei Langmuir a suprapunerii cu un singur strat.

Izoterma Langmuir descrie sisteme simple care abordează condițiile ideale. Izoterma Langmuir este favorabilă (tip I conform clasificării BDDT). ^[26] Adsorbția Langmuir se bazează pe patru condiții esențiale: ^[24]

activitatea poate fi înlocuită cu concentrația (starea soluției diluate);
adsorbția nu poate continua dincolo de acoperirea unui monostrat ;
siturile sunt toate echivalente din punct de vedere energetic (adică toate au aceeași entalpie de adsorbție, deci au aceeași probabilitate de a fi ocupate) și se presupune că suprafața este uniformă (adică este perfect plană la o scară microscopică) ;
interacțiunea adsorbat-adsorbat este considerată neglijabilă în comparație cu interacțiunea adsorbat-adsorbant;
adsorbția este reversibilă.

Conform acestui model, rata de adsorbție $v_{ads}$ ${\ displaystyle v_ {ads}}$ $v _ {{ads}}$ este egal cu: ^[24]

v_{ads}=k_{a}c(1-\theta )

{\ displaystyle v_ {ads} = k_ {a} c (1- \ theta)}

v _ {{ads}} = k_ {a} c (1- \ theta)

fiind:

$\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ este gradul de acoperire a solidului, dat de raportul dintre numărul de site-uri ocupate și numărul de site-uri totale, adică: ^[21] ^[23]

\theta =\Gamma /\Gamma ^{o}

{\ displaystyle \ theta = \ Gamma / \ Gamma ^ {o}}

\ theta = \ Gamma / \ Gamma ^ {o}

fiind

\Gamma ^{o}

{\ displaystyle \ Gamma ^ {o}}

\ Gamma ^ {o}

cantitatea maximă de substanță dizolvată care poate fi adsorbită (în cazul adsorbției monostrat) e

\Gamma

{\ displaystyle \ Gamma}

\Gamă

cantitatea de solut adsorbit.

$1-\theta$ ${\ displaystyle 1- \ theta}$ $1- \ theta$ este gradul de ocupare a siturilor de adsorbție disponibile;
c este concentrația solutului;
$k_{a}$ ${\ displaystyle k_ {a}}$ $k_ {a}$ este o constantă de proporționalitate .

Rata de desorbție $v_{des}$ ${\ displaystyle v_ {des}}$ $v _ {{des}}$ este în schimb egal cu: ^[24]

v_{des}=k_{d}\theta

{\ displaystyle v_ {des} = k_ {d} \ theta}

v _ {{des}} = k_ {d} \ theta

Izoterma Langmuir.

Condiția de echilibru corespunde egalității dintre cele două viteze ( echilibru dinamic ), din care se obține ecuația izotermei Langmuir: ^[21] ^[24]

\theta ={\frac {Kc}{1+Kc}}

{\ displaystyle \ theta = {\ frac {Kc} {1 + Kc}}}

\ theta = {\ frac {Kc} {1 + Kc}}

unde K este constanta de echilibru de adsorbție.

Constanta de disociere $K.$ ${\ displaystyle K}$ $K.$ este considerat constant în intervalul de analiză și variază în funcție de temperatură conform legii:

K=K_{o}\exp \left({\frac {A}{RT}}\right)

{\ displaystyle K = K_ {o} \ exp \ left ({\ frac {A} {RT}} \ right)}

{\ displaystyle K = K_ {o} \ exp \ left ({\ frac {A} {RT}} \ right)}

unde A și $K_{o}$ ${\ displaystyle K_ {o}}$ $K_ {o}$ sunt constante care au caracter entalpic și respectiv entropic.

Izotermă sigmoidală Langmuir

Izotermele Langmuir (roz) și BET (verde)

Când sunt îndeplinite condițiile pentru adsorbția Langmuir, dar raporturile stoichiometrice dintre adsorbant și speciile de solvent nu sunt 1: 1, curba capătă o formă sigmoidală . Expresia matematică este similară cu ecuația Langmuir, cu excepția faptului că unele variabile sunt ridicate de un coeficient z (cu z = 2, 3, ...). Acest coeficient trebuie să fie același pentru ambele specii adsorbite ( $B_{ad}$ ${\ displaystyle B_ {ad}}$ $Rău}}$ ) și pentru solvent ( $A_{ad}$ ${\ displaystyle A_ {ad}}$ $Un _ {{anunț}}$ ) adsorbit pe suprafața adsorbantă.

a=K'{\left({\frac {\theta }{1-\theta }}\right)}^{\frac {1}{z}}

{\ displaystyle a = K '{\ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ right)} ^ {\ frac {1} {z}}}

a = K '{\ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ right)} ^ {{{\ frac {1} {z}}}}

Izotermă Volmer

Reprezintă o variantă a ecuației Langmuir. Se aplică atunci când condițiile Langmuir nu sunt pe deplin respectate.

a=K'{\frac {\theta }{1-\theta }}\cdot \exp \left({\frac {\theta }{1-\theta }}\right)

{\ displaystyle a = K '{\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ right)}

{\ displaystyle a = K '{\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ right)}

^[27]

Izoterma Frumkin

Această izotermă este, de asemenea, cunoscută sub numele de izotermă Tëmkin , Fowler-Guggenheim . Această ecuație include interacțiunea dintre adsorbanți, respingătoare sau atractivă, în funcție de exponentul negativ sau pozitiv. La ecuația Langmuir se adaugă un termen de interacțiune $\exp \left(\theta \beta \right)$ ${\ displaystyle \ exp \ left (\ theta \ beta \ right)}$ ${\ displaystyle \ exp \ left (\ theta \ beta \ right)}$ ^[28] :

a=K'{\frac {\theta }{1-\theta }}\exp \left(\theta \beta \right)

{\ displaystyle a = K '{\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ exp \ left (\ theta \ beta \ right)}

{\ displaystyle a = K '{\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ exp \ left (\ theta \ beta \ right)}

unde este $\beta \theta$ ${\ displaystyle \ beta \ theta}$ $\ beta \ theta$ are expresia:

\beta \theta ={\frac {\mu ^{\Diamond }}{RT}}

{\ displaystyle \ beta \ theta = {\ frac {\ mu ^ {\ Diamond}} {RT}}}

\ beta \ theta = {\ frac {\ mu ^ {{\ Diamond}}} {RT}}

Izoterma Van der Waals

Izoterma Van der Waals (sau izoterma Hill-De Boer) descrie un sistem în care există interacțiuni între solvent și solut. Ecuația descrie această interacțiune cu doi termeni suplimentari, $\exp \left(\theta \beta \right)$ ${\ displaystyle \ exp \ left (\ theta \ beta \ right)}$ ${\ displaystyle \ exp \ left (\ theta \ beta \ right)}$ Și $\exp \left({\frac {\theta }{1-\theta }}\right)$ ${\ displaystyle \ exp \ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ exp \ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ right)}$ .

Primul dintre acești termeni descrie interacțiunea dintre două molecule adsorbite. Interacțiunea se poate datora forțelor atractive sau respingătoare, care acționează proporțional cu concentrația și dimensiunea moleculei adsorbante ( efect steric ). De exemplu, două molecule adsorbante pot interacționa la același sit adsorbant, „concurând” pentru adsorbția pe acel sit sau pentru adsorbția pe un site gol, steric împiedicat de moleculele vecine. Al doilea termen este legat de forțele respingătoare sau de atracție în interacțiunea dintre solventul adsorbit și moleculele dizolvate. Moleculele dizolvate, de exemplu, vor avea o tendință mai mare de a fi adsorbite, dar vor găsi molecule de solvent la locurile de adsorbție cu care interacționează. Ecuația completă este descrisă de următoarea formulă:

a=K'{\frac {\theta }{1-\theta }}\exp \left(\theta \beta \right)\exp \left({\frac {\theta }{1-\theta }}\right)

{\ displaystyle a = K '{\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ exp \ left (\ theta \ beta \ right) \ exp \ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta }} \ dreapta)}

{\ displaystyle a = K '{\ frac {\ theta} {1- \ theta}} \ exp \ left (\ theta \ beta \ right) \ exp \ left ({\ frac {\ theta} {1- \ theta }} \ dreapta)}

Izotermă BET

Model de adsorbție multistrat.

Izotermă BET.

Stephen Brunauer , Paul H. Emmett și Edward Teller izotermă sau izotermă BET (de la inițialele numelor lor de familie), dezvoltată în 1938 , este utilizată pentru a descrie adsorbția pe suprafețele în fază de vapori. ^[24] În acest model se are în vedere adsorbția multistrat și se disting două posibile interacțiuni fundamentale: adsorbat-suprafață și adsorbat „vertical” adsorbat (interacțiune atractivă). Interacțiunea adsorbat vertical-adsorbat este independentă de stratul considerat, în timp ce interacțiunea adsorbat-adsorbat în același monostrat (orizontal) este considerată neglijabilă în comparație cu interacțiunea adsorbat-suprafață. Prin urmare, sistemul este compus din infinite monostraturi care urmează modelul Langmuir.

Ecuația BET este: ^[29]

{\frac {1}{v\left[\left({P_{0}}/{P}\right)-1\right]}}={\frac {c-1}{v_{m}c}}\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)+{\frac {1}{v_{m}c}}

{\ displaystyle {\ frac {1} {v \ left [\ left ({P_ {0}} / {P} \ right) -1 \ right]}} = {\ frac {c-1} {v_ {m } c}} \ left ({\ frac {P} {P_ {0}}} \ right) + {\ frac {1} {v_ {m} c}}}

{\ frac {1} {v \ left [\ left ({P_ {0}} / {P} \ right) -1 \ right]}} = {\ frac {c-1} {v_ {m} c} } \ left ({\ frac {P} {P_ {0}}} \ right) + {\ frac {1} {v_ {m} c}}

in care $P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ Și $P_{0}$ ${\ displaystyle P_ {0}}$ $P_0$ sunt presiunile la echilibru dinamic și presiunea de saturație a adsorbaților la temperatura de adsorbție, $v$ ${\ displaystyle v}$ $v$ este cantitatea de vapori adsorbiți (în unități de volum), $v_{m}$ ${\ displaystyle v_ {m}}$ $v_ {m}$ este cantitatea adsorbită într-un monostrat e $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ este BET-ul constant, egal cu:

c=\exp \left({\frac {E_{1}-E_{L}}{RT}}\right)

{\ displaystyle c = \ exp \ left ({\ frac {E_ {1} -E_ {L}} {RT}} \ right)}

c = \ exp \ left ({\ frac {E_ {1} -E_ {L}} {RT}} \ right)

in care $E_{1}$ ${\ displaystyle E_ {1}}$ $E_ {1}$ este entalpia de adsorbție a primului strat (cel care interacționează cu suprafața) e $E_{L}$ ${\ displaystyle E_ {L}}$ $E_ {L}$ reprezintă entalpia pentru toate celelalte straturi și este echivalentă cu entalpia lichefierii .

Dacă luăm în considerare un grafic cu ${1}/{v[({P_{0}}/{P})-1]}$ ${\ displaystyle {1} / {v [({P_ {0}} / {P}) - 1]}}$ ${1} / {v [({P_ {0}} / {P}) - 1]}$ pe axa ordonatelor e ${P}/{P_{0}}$ ${\ displaystyle {P} / {P_ {0}}}$ ${P} / {P_ {0}}$ pe axa absciselor (așa-numitul grafic BET ) ecuația văzută mai sus corespunde unei funcții liniare (adică o linie dreaptă). În special, se vede experimental că relația este liniară în interval $0,05<{P}/{P_{0}}<0,35$ ${\ displaystyle 0.05 <{P} / {P_ {0}} <0.35}$ $0,05 <{P} / {P_ {0}} <0,35$ . Pornind de la panta liniei drepte și de valoarea interceptării pe axa ordonată, este posibilă estimarea cantității de vapori adsorbiți pe monostrat $v_{m}$ ${\ displaystyle v_ {m}}$ $v_ {m}$ și BET-ul constant $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ .

Modele de adsorbție

Fenomenul de adsorbție poate fi analizat cu trei modele principale:

modelul stratului dublu electric: descrie formarea unei zone numite dublu strat electric , în care forța care ține moleculele legate este de tip electrostatic și căreia i se asociază un potențial de interacțiune;
model de acțiune în masă: descrie adsorbția ca un echilibru chimic;
metoda termodinamică: leagă variabilele termodinamice de concentrațiile din faza în vrac sau de pe suprafața adsorbantă pornind de la potențialul chimic.

Model electric cu strat dublu

Acest model presupune formarea unui strat dublu format din molecule reținute de forțe electrostatice. Din acest motiv este adesea folosit în sistemele ionice. Un mic truc ne permite să folosim ipoteza unui strat dublu electric chiar și în cazul substanțelor neionice atâta timp cât poate fi descris un potențial de interacțiune.

După natura sa, o substanță poate fi polară (oxizi, argile, silicați) sau hidrofobă (carbon, suprafețe polimerice). Se presupune că unitatea de bază a unei substanțe (moleculă, unitate polimerică etc.) este fie complet polară (încărcată), fie complet apolară. Deoarece în realitate nu există substanțe complet apolare (stare ideală), ne referim la fracțiile de încărcare conținute în unitatea de bază. Acest mod de a vedea încărcătura substanței ne permite să descriem indiferent adsorbția fizică și chimică, variind intensitatea potențialului între unitățile de bază ale diferitelor molecule.

Adsorbția va fi o funcție a potențialului de interacțiune $\psi$ ${\ displaystyle \ psi}$ $\ psi$ între substanța adsorbantă și substanța adsorbită.

Un strat dublu electric se va forma între suprafața adsorbantă și suprafața adsorbită. Stratul dublu electric poate fi descris de modelul Gouy-Chapman (GC) . Acest lucru este îmbunătățit cu modelul Stern-Gouy-Chapman (SGC) . Aceste modele pot fi utilizate pentru soluții diluate, dar nu și pentru sisteme cu concentrație ridicată care își abat comportamentul datorită interacțiunilor dintre particulele de același tip.

Modelul Gouy-Chapman (GC)

Modelul Gouy-Chapman utilizează următoarele condiții: ^[24]

sarcina de pe suprafața adsorbantă este considerată a fi distribuită uniform;
sarcina care formează stratul difuz este asemănătoare punctului;
constanta dielectrică a mediului este constantă;
suprafața de despărțire este plană.

Distribuția sarcinii în stratul difuz este descrisă prin distribuția Poisson:

{\frac {d^{2}\psi }{dx^{2}}}=-{\frac {\varrho (x)}{\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}}}

{\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} \ psi} {dx ^ {2}}} = - {\ frac {\ varrho (x)} {\ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r}}} }

{\ frac {d ^ {2} \ psi} {dx ^ {2}}} = - {\ frac {\ varrho (x)} {\ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r}}}

unde este $\psi$ ${\ displaystyle \ psi}$ $\ psi$ este potențialul stratului dublu electric, $\varepsilon _{o}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {o}}$ $\ varepsilon _ {o}$ permitivitatea electrică a vidului , $\varepsilon _{r}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {r}}$ $\ varepsilon_r$ este constanta dielectrică medie a mediului, $\varrho (x)$ ${\ displaystyle \ varrho (x)}$ $\ varrho (x)$ este densitatea sarcinii volumetrice la distanța x.
Distribuția ionilor (sau a particulelor cu sarcină parțială ) este dată de distribuția Boltzmann:

n_{i}(x)=n_{i}^{o}\exp \left({\frac {-\nu _{i}F\psi (x)}{RT}}\right)

{\ displaystyle n_ {i} (x) = n_ {i} ^ {o} \ exp \ left ({\ frac {- \ nu _ {i} F \ psi (x)} {RT}} \ right)}

{\ displaystyle n_ {i} (x) = n_ {i} ^ {o} \ exp \ left ({\ frac {- \ nu _ {i} F \ psi (x)} {RT}} \ right)}

unde este $n_{i}(x)$ ${\ displaystyle n_ {i} (x)}$ $n_ {i} (x)$ este concentrația, $\nu _{i}$ ${\ displaystyle \ nu _ {i}}$ $\ nu _ {i}$ este valența ionului „i” (inclusiv semnul) (sau a particulei încărcate parțial) la distanța x, $n_{i}^{o}$ ${\ displaystyle n_ {i} ^ {o}}$ $n_ {i} ^ {o}$ este concentrația în vrac a speciei "i", F este constanta Faraday, R și T sunt constanta gazului și, respectiv, temperatura absolută.

Densitatea sarcinii de suprafață este dată de suma concentrațiilor sarcinilor pozitive și negative:

\varrho (x)=\sum _{i}\nu _{i}Fn_{i}(x)

{\ displaystyle \ varrho (x) = \ sum _ {i} \ nu _ {i} Fn_ {i} (x)}

\ varrho (x) = \ sum _ {i} \ nu _ {i} Fn_ {i} (x)

Ecuația care descrie variația lui $\psi$ ${\ displaystyle \ psi}$ $\ psi$ deoarece distanța în stratul difuz variază în stratul dublu electric, este dată de ecuații:

{\frac {d^{2}\psi }{dx^{2}}}=-{\frac {F}{\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}}}\sum _{i}\nu _{i}n_{i}^{o}\exp \left({\frac {-\nu _{i}F\psi (x)}{RT}}\right)

{\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} \ psi} {dx ^ {2}}} = - {\ frac {F} {\ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r}}} \ sum _ { i} \ nu _ {i} n_ {i} ^ {o} \ exp \ left ({\ frac {- \ nu _ {i} F \ psi (x)} {RT}} \ right)}

{\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} \ psi} {dx ^ {2}}} = - {\ frac {F} {\ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r}}} \ sum _ { i} \ nu _ {i} n_ {i} ^ {o} \ exp \ left ({\ frac {- \ nu _ {i} F \ psi (x)} {RT}} \ right)}

Ecuația anterioară poate fi aproximată și fiecare aproximare reflectă sistemul luat în considerare. Când sistemul ajunge la echilibru, sarcina suprafeței este, de asemenea, echilibrată cu sarcina stratului difuz și pentru principiul electroneutralității sistemului avem:

\sigma _{s}=-\int _{0}^{\infty }\varrho \;dx=-\sigma _{d}

{\ displaystyle \ sigma _ {s} = - \ int _ {0} ^ {\ infty} \ varrho \; dx = - \ sigma _ {d}}

\ sigma _ {s} = - \ int _ {0} ^ {\ infty} \ varrho \; dx = - \ sigma _ {d}

Relația dintre densitatea sarcinii de suprafață și potențial se obține prin combinarea ecuației de mai sus cu ecuația Poisson:

-\sigma _{d}=\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}\int _{0}^{\infty }\left({\frac {d^{2}\psi }{dx^{2}}}\right)\;dx=-\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}\left({\frac {d\psi }{dx}}\right)_{x=0}

{\ displaystyle - \ sigma _ {d} = \ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r} \ int _ {0} ^ {\ infty} \ left ({\ frac {d ^ {2} \ psi} { dx ^ {2}}} \ right) \; dx = - \ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r} \ left ({\ frac {d \ psi} {dx}} \ right) _ {x = 0 }}

- \ sigma _ {d} = \ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r} \ int _ {0} ^ {\ infty} \ left ({\ frac {d ^ {2} \ psi} {dx ^ { 2}}} \ right) \; dx = - \ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r} \ left ({\ frac {d \ psi} {dx}} \ right) _ {{x = 0}}

Cantitatea de substanță este definită $c_{s}$ ${\ displaystyle c_ {s}}$ $c_ {s}$ conținut pe suprafața adsorbantă ca exces de suprafață $n_{i}-n_{i}^{s}$ ${\ displaystyle n_ {i} -n_ {i} ^ {s}}$ $n_ {i} -n_ {i} ^ {s}$ . Excesul de suprafață pe unitate de suprafață $\Gamma$ ${\ displaystyle \ Gamma}$ $\Gamă$ este definit de:

\Gamma ={\frac {n_{s}}{A}}

{\ displaystyle \ Gamma = {\ frac {n_ {s}} {A}}}

\ Gamma = {\ frac {n_ {s}} {A}}

Excesul de suprafață (cantitatea de anioni și cationi care compensează sarcina de suprafață) din stratul difuz este dat de:

\Gamma _{\pm d}=\int _{0}^{\infty }(n_{i}(x)-n_{i}^{o})\,dx

{\ displaystyle \ Gamma _ {\ pm d} = \ int _ {0} ^ {\ infty} (n_ {i} (x) -n_ {i} ^ {o}) \, dx}

\ Gamma _ {{\ pm d}} ​​= \ int _ {0} ^ {\ infty} (n_ {i} (x) -n_ {i} ^ {o}) \, dx

Modelul Stern-Gouy-Chapman (SGC)

Acest model propune împărțirea stratului dublu electric în două zone:

stratul Stern pornește de la suprafața adsorbantă pe o distanță d de ordin molecular;
stratul difuz având o sarcină punctuală este situat deasupra stratului Stern și nu are o lățime definită.

Stratul difuz este analizat cu modelul GC. Stratul Stern în cel mai simplu caz este lipsit de sarcini (sarcini neglijabile de exemplu dipoli instantanei) (suprafață plană) și potențialul scade liniar de la $\psi _{s}$ ${\ displaystyle \ psi _ {s}}$ $\ psi _ {s}$ (potențialul suprafeței adsorbante) până la $\psi _{d}$ ${\ displaystyle \ psi _ {d}}$ $\ psi _ {d}$ (potențialul planului Stern). ^[24]

Acolo $\psi _{d}$ ${\ displaystyle \ psi _ {d}}$ $\ psi _ {d}$ este mai mic decât $\psi _{s}$ ${\ displaystyle \ psi _ {s}}$ $\ psi _ {s}$ . Căderea potențialului $\psi _{s}-\psi _{d}$ ${\ displaystyle \ psi _ {s} - \ psi _ {d}}$ $\ psi _ {s} - \ psi _ {d}$ este legat de capacitate $C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ a stratului Stern:

\psi _{s}-\psi _{d}={\frac {\sigma _{s}}{C}}

{\ displaystyle \ psi _ {s} - \ psi _ {d} = {\ frac {\ sigma _ {s}} {C}}}

\ psi _ {s} - \ psi _ {d} = {\ frac {\ sigma _ {s}} {C}}

unde C este definit de

C={\frac {\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}}{d}}

{\ displaystyle C = {\ frac {\ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r}} {d}}}

C = {\ frac {\ varepsilon _ {o} \ varepsilon _ {r}} {d}}

Potențialul stratului dublu electric $\psi$ ${\ displaystyle \ psi}$ $\ psi$ va fi dată de suma potențialului suprafeței adsorbante $\psi _{s}$ ${\ displaystyle \ psi _ {s}}$ $\ psi _ {s}$ , potențialul stratului Stern și potențialul stratului difuz $\psi _{d}$ ${\ displaystyle \ psi _ {d}}$ $\ psi _ {d}$ :

\psi =\psi _{s}+\psi _{d}+{\frac {\sigma _{s}}{C}}

{\ displaystyle \ psi = \ psi _ {s} + \ psi _ {d} + {\ frac {\ sigma _ {s}} {C}}}

\ psi = \ psi _ {s} + \ psi _ {d} + {\ frac {\ sigma _ {s}} {C}}

Dacă se folosește modelul GC, stratul Stern nu există și ultimul termen al precedentului este nul.

Model de acțiune în masă

Acest model tratează adsorbția ca o reacție chimică reală în care se poate stabili o constantă de echilibru K pentru a regla procesul. Dalla costante K si ricava l'equazione di adsorbimento che può essere semplificata considerando le condizioni del sistema.

Si consideri una soluzione contenente un analita che può essere adsorbito su una superficie adsorbente. Si stabilisce un equilibrio tra le specie in soluzione:

solvente-soluzione / solvente-adsorbito;
solvente-soluzione / soluto-soluzione;
solvente-adsorbito / soluto-adsorbito;
soluto-soluzione / soluto adsorbito.

Le condizioni sopra riportate rispecchiano un sistema reale e complesso. Spesso una o più condizioni possono essere trascurate così da semplificare il sistema. In soluzione si stabilisce il seguente equilibrio tra il solvente adsorbito, solvente in soluzione, soluto adsorbito e soluto in soluzione:

nA_{ad}+mB_{s}=cA_{s}+dB_{ad}

nA_{ad}+mB_{s}=cA_{s}+dB_{ad}

nA_{{ad}}+mB_{s}=cA_{s}+dB_{{ad}}

dove con A si indica il solvente e con B si indica il soluto; i pedici ad e s indicano rispettivamente adsorbito e soluzione. Per semplicità si ipotizza che le particelle dell' analita siano tutte identiche e che il processo di adsorbimento avvenga in un solo stadio. Se così non fosse dovremmo considerare una funzione di distribuzione dell'analita secondo le dimensioni e tante equazioni quanti sono gli equilibri instaurati in soluzione.

Si consideri anche il solvente perché per soluzioni non diluite la sua attività non è unitaria e nel processo di adsorbimento le molecole di solvente vengono spostate dalle molecole dell'analita. La costante di equilibrio viene scritta in funzione delle attività a (se la soluzione è diluita in funzione delle concentrazioni).

K_{a}={\frac {\{A_{s}\}^{c}\{B_{ad}\}^{d}}{\{A_{ad}\}^{n}\{B_{s}\}^{m}}}

K_{a}={\frac {\{A_{s}\}^{c}\{B_{ad}\}^{d}}{\{A_{ad}\}^{n}\{B_{s}\}^{m}}}

K_{a}={\frac {\{A_{s}\}^{c}\{B_{{ad}}\}^{d}}{\{A_{{ad}}\}^{n}\{B_{s}\}^{m}}}

dove n, m, c, d sono i coefficienti stechiometrici. L'equazione di equilibrio può essere scritta dividendo i contributi di concentrazione e dei coefficienti di attività:

K_{a}={\frac {[A_{s}]^{c}[B_{ad}]^{d}}{[A_{ad}]^{n}[B_{s}]^{m}}}{\frac {\gamma _{A_{s}}^{c}\gamma _{B_{ad}}^{d}}{\gamma _{A_{ad}}^{n}\gamma _{B_{s}}^{m}}}=K_{\theta }K_{\gamma }

K_{a}={\frac {[A_{s}]^{c}[B_{ad}]^{d}}{[A_{ad}]^{n}[B_{s}]^{m}}}{\frac {\gamma _{A_{s}}^{c}\gamma _{B_{ad}}^{d}}{\gamma _{A_{ad}}^{n}\gamma _{B_{s}}^{m}}}=K_{\theta }K_{\gamma }

K_{a}={\frac {[A_{s}]^{c}[B_{{ad}}]^{d}}{[A_{{ad}}]^{n}[B_{s}]^{m}}}{\frac {\gamma _{{A_{s}}}^{c}\gamma _{{B_{{ad}}}}^{d}}{\gamma _{{A_{{ad}}}}^{n}\gamma _{{B_{s}}}^{m}}}=K_{{\theta }}K_{{\gamma }}

Questa equazione generale può essere semplificata prendendo in considerazione le condizioni del sistema in esame. Le concentrazioni vengono indicate con la frazione molare $\theta$ $\theta$ $\theta$ . I coefficienti di attività sono spesso trascurati così verranno ricavate le equazioni di adsorbimento di Henry, Langmuir e Langmuir sigmoidale. Considerando il coefficiente di attività del soluto adsorbito si ricava l'equazione di Frumkin (vedere in seguito). Se si considerano gli altri coefficienti di attività si possono ricavare altre curve di adsorbimento

Metodo termodinamico

Si applicano i concetti della termodinamica partendo dal potenziale chimico. All'equilibrio il potenziale chimico della sostanza adsorbita e della sostanza adsorbente sono uguali:

\mu =\mu _{s}=\mu _{b}

\mu =\mu _{s}=\mu _{b}

\mu =\mu _{s}=\mu _{b}

dove i pedici seb hanno, rispettivamente, il significato di superficie e di bulk. L'espressione del potenziale chimico è:

\mu =\mu ^{o}+RT\ln a

\mu =\mu ^{o}+RT\ln a

\mu =\mu ^{{o}}+RT\ln a

a=fc

{\displaystyle a=fc}

a=fc

dove a rappresenta l'attività, c la concentrazione ed f il coefficiente di attività del soluto.
Per conoscere la concentrazione del soluto sulla superficie si possono usare delle espressioni che legano la concentrazione nella fase bulk con la concentrazione superficiale come ad esempio nell'equazione di Langmuir $c_{s}=K^{\prime }{\frac {\theta }{1-\theta }}$ $c_{s}=K^{\prime }{\frac {\theta }{1-\theta }}$ $c_{s}=K^{{\prime }}{\frac {\theta }{1-\theta }}$ .
È possibile ricavare queste espressioni dai modelli SGC e dal modello di azione di massa.

Considerando le tre equazioni precedenti e l'espressione della concentrazione c si ricava un'equazione del potenziale chimico riferita alla superficie adsorbente:

\mu =\mu ^{*}+RT\ln {a_{s}}

\mu =\mu ^{*}+RT\ln {a_{s}}

\mu =\mu ^{{*}}+RT\ln {a_{s}}

a_{s}=f_{s}c_{s}

a_{s}=f_{s}c_{s}

a_{s}=f_{s}c_{s}

L'espressione di $\mu ^{*}$ $\mu ^{*}$ $\mu ^{{*}}$ cambia secondo il sistema preso in considerazione. Per esempio per l'isoterma di Langmuir:

\mu ^{*}=\mu ^{\Diamond }+nRT\ln {\frac {K^{\prime }}{c_{o}}}

\mu ^{*}=\mu ^{\Diamond }+nRT\ln {\frac {K^{\prime }}{c_{o}}}

\mu ^{{*}}=\mu ^{{\Diamond }}+nRT\ln {{\frac {K^{{\prime }}}{c_{o}}}}

mentre per l'isoterma di Frumkin si ha:

\mu ^{*}=\mu ^{\Diamond }+nRT\ln {\frac {K^{\prime }}{c_{o}}}+\theta \mu ^{\triangle }

\mu ^{*}=\mu ^{\Diamond }+nRT\ln {\frac {K^{\prime }}{c_{o}}}+\theta \mu ^{\triangle }

\mu ^{{*}}=\mu ^{{\Diamond }}+nRT\ln {{\frac {K^{{\prime }}}{c_{o}}}}+\theta \mu ^{\triangle }

La variazione di potenziale chimico $\Delta \mu$ $\Delta \mu$ $\Delta \mu$ è legata al lavoro di eccesso superficiale, secondo il modello di Adolphs e Setzer, dalla relazione:

\Psi =n_{ad}\Delta \mu

\Psi =n_{ad}\Delta \mu

\Psi =n_{{ad}}\Delta \mu

dove $\Psi$ $\Psi$ $\Psi$ è il lavoro di eccesso superficiale, $n_{ad}$ $n_{ad}$ $n_{{ad}}$ è la quantità adsorbita, $\Delta \mu$ $\Delta \mu$ $\Delta \mu$ la variazione di potenziale chimico.

Applicazioni scientifiche e tecnologiche

Operazione unitaria di adsorbimento

Schema di un' apparecchiatura a letto impaccato per l'adsorbimento

Dal punto di vista impiantistico, l'adsorbimento di gas viene in genere realizzato in apparecchiature a letto fisso , ^[30] sebbene sia possibile utilizzare anche apparecchiature a letto mobile ea letto fluidizzato . ^[31] L'adsorbimento di liquidi viene invece svolto in apparecchiature a letto fisso, a letto mobile e in recipienti agitati . ^[32]

In ambito industriale, l'operazione di adsorbimento viene sfruttata in diverse applicazioni, tra cui: la separazione di ossigeno da azoto , la potabilizzazione delle acque, la rimozione di pigmenti da soluzioni acquose, nel processo di raffinazione dello zucchero e nel processo di essiccamento di correnti gassose.

Materiali adsorbenti

Il solido adsorbente è scelto in base alla sua affinità specifica con il soluto da adsorbire (data dalla natura dei gruppi funzionali del solido adsorbente) e dalle dimensioni dei pori, e può essere costituito da:

gel di silice : idrofilo ^[33]
allumina : idrofila ^[33]
zeoliti (spesso utilizzate come setacci molecolari ): idrofile ^[33]
argilla : idrofila
carbone attivo : idrofobo ^[33]
resine e polimeri : idrofobi .

I materiali adsorbenti idrofili adsorbono con più facilità le sostanze polari (come l' acqua ), mentre i materiali adsorbenti idrofobici adsorbono con più facilità le sostanze apolari.

Particelle di gel di silice
Struttura cristallina dell'α- allumina
Aspetto del carbone attivo
Struttura molecolare di una zeolite

I pori del materiale adsorbente vengono classificati secondo le raccomandazioni della IUPAC in: ^[34]

micropori : per diametri del poro minori di 2 nm ;
mesopori : per diametri compresi tra 2 e 50 nm;
macropori : per diametri maggiori di 50 nm.

Il materiale adsorbente viene utilizzato generalmente sotto forma di granuli del diametro di 1–10 mm , ^[33] aventi aree superficiali intorno a 200-1.500 m ² / g . ^[33]

Talvolta i granuli sono costituiti dall'associazione di due diversi materiali: in tal caso si ha la presenza di un materiale detto "supporto" che presenta mesopori e macropori. Tale supporto costituisce circa il 10-20% in peso. ^[30]

Rigenerazione del letto granulare

Schema di funzionamento di un impianto di rigenerazione del tipo pressure swing .

Le operazioni di adsorbimento avvengono tramite cicli successivi di adsorbimento e desorbimento. ^[35] Tale fase di desorbimento, detta " rigenerazione ", ha lo scopo di rinnovare la fase solida granulare, depurandola dal soluto adsorbito. In pratica si interrompe ciclicamente il processo di adsorbimento (non appena il letto granulare si è quasi completamente saturato) inviando ciclicamente una corrente in direzione opposta a quella dell'alimentazione, che si arricchisce del soluto contenuto nel letto granulare, purificando il letto adsorbente.

La rigenerazione può essere svolta principalmente tramite due vie: ^[36]

per via termica ( thermal swing o temperature swing ): aumentando la temperatura;
per variazione di pressione ( pressure swing ): diminuendo la pressione.

Altri metodi, meno utilizzati, sono:

lo spostamento dell'adsorbato per adsorbimento di un'altra sostanza: ad esempio il vapore viene utilizzato per allontanare sostanze organiche dal carbone attivo; ^[37]
l'estrazione dell'adsorbato con agente estraente; ad esempio il solfuro di carbonio (CS ₂ ) viene utilizzato per estrarre zolfo , allontanandolo dai siti attivi dell'adsorbente; ^[38]
il lavaggio con solvente puro.

Le metodiche di rigenerazione pressure swing e thermal swing possono essere utilizzate indifferentemente, per cui la scelta tra quale delle due utilizzare dipende esclusivamente da fattori economici. ^[36]

Un esempio di rigenerazione pressure swing è dato dall'operazione di arricchimento di ossigeno e azoto ; in questo caso vengono utilizzati due letti adsorbenti, che funzionano alternativamente da letto adsorbente per l'azoto (che viene adsorbito con più facilità dell'ossigeno, avendo diametro molecolare minore) e da letto rigenerante. Un sistema di valvole indirizzano la corrente gassosa ( aria ) verso uno o l'altro letto.

Un'alternativa alla rigenerazione è la sostituzione dell'intero letto granulare, ma questo avviene solo nel caso in cui l'adsorbente abbia basso valore intrinseco e se la fase che si è interessati a recuperare è quella fluida.

Riattivazione del letto granulare

Quando non sia possibile allontanare l'adsorbato dall'adsorbente tramite le metodiche di rigenerazione (ad esempio nel caso in cui l'adsorbato abbia una volatilità moto bassa), è necessario ricreare la struttura porosa dell'adsorbente; tale processo viene detto " riattivazione ". ^[39]

Adsorbimento di tensioattivi

I tensioattivi sono classificati in ionici e non-ionici e possono essere adsorbiti su una superficie idrofila (polare) o idrofoba . Le combinazioni possibili sono

ionico / idrofilo;
ionico / idrofobo;
non-ionico / idrofilo;
non-ionico / idrofobo.

Le differenti posizioni delle molecole di tensioattivo sulla superficie adsorbente determinano le interazioni tra adsorbito e adsorbente. Divideremo le quattro condizioni in due sezioni: tensioattivi non-ionici e tensioattivi ionici.

Adsorbimento di tensioattivi non-ionici

L'adsorbimento di tensioattivi non-ionici segue in molto casi l'isoterma di Langmuir o una sua versione modificata. A basse concentrazioni di tensioattivo la superficie adsorbente è scarsamente ricoperta e l'interazione tensioattivo-tensioattivo è trascurabile. Si instaurano legami tipo Van der Waals. Per una superficie idrofoba l'interazione è regolata dalla catena alchilica del tensioattivo (parte idrofoba), mentre per una superficie polare l'interazione è dominata dalla catena EO del tensioattivo. L'aumento della lunghezza della catena determina una diminuzione dell'adsorbimento, mentre l'aumento della temperatura aumenta l'adsorbimento causa la desolvatazione della catena. Continuando ad aumentare la concentrazione di tensioattivo, le interazioni tensioattivo-tensioattivo diventano significative, ma l'adsorbimento dipenderà sempre dalla catena idrofoba o dalla catena EO secondo la natura della superficie adsorbente.

In prossimità della cmc il tensioattivo tende a formare aggregati causando una variazione dell'orientazione delle molecole di tensioattivo. Per superfici polari interagisce la catena EO e la molecola di tensioattivo si dispone verticalmente; si ha una superficie idrofoba che all'aumentare della concentrazione di tensioattivo forma un doppio strato o un aggregato micellare. Se la superficie è apolare si possono ipotizzare almeno due strutture, la prima dove il tensioattivo è disposto verticalmente, con la catena alchilica rivolta alla superficie adsorbente, e la seconda struttura a formare delle emicelle . Queste strutture sono abbastanza impaccate da ricoprire la superficie quasi interamente. Si forma una superficie con carattere ionico.

Adsorbimento di tensioattivi ionici

La caratterizzazione di tensioattivi su superfici idrofile è descritta da due modelli: modello di orientazione inversa (reverse orientation model) e modello bistrato (bilayer model).

Nel primo modello il tensioattivo è legato alla superficie da forze elettrostatiche che, aumentando la concentrazione, formano emicelle. La testa polare del tensioattivo è rivolta alla superficie adsorbente creando una superficie idrofoba. Questa superficie lega altre molecole di tensioattivo formando un altro strato e la carica originaria della superficie è invertita.
Nel modello bilayer la superficie adsorbente è legata a strutture impaccate quali doppi strati o micelle (admicelle = micelle adsorbite) in prossimità della cmc, ma non forma emicelle a basse concentrazione di tensioattivo.

Cattura dell'anidride carbonica

Il processo di adsorbimento può essere utilizzato per la rimozione dell'anidride carbonica dai gas industriali. La sorption enhanced water gas shift (SEWGS) è una tecnologia per la cattura dell'anidride carbonica in pre-combustione che combina la cattura della CO ₂ attraverso un processo di adsorbimento con la reazione di water gas shift, producendo un flusso di idrogeno ad alta pressione a partire dal gas di sintesi . ^[40]

Note

^ ( EN ) Thermopedia, "Adsorption"
^ Ullmann's , cap. 4 .
^ Ullmann's , cap. 1 .
^ ^a ^b Dąbrowski , p. 9 .
^ Carl Scheele - Chemistry Encyclopedia - gas, salt
^ Fraissard , p. 3 .
^ Dąbrowski , p. 12 .
^ Dąbrowski , p. 13 .
^ Dąbrowski , p. 14 .
^ Brunauer .
^ ^a ^b Dąbrowski , p. 15 .
^ fisisorbimento , in Dizionario delle scienze fisiche , Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1996.
^ chemisorbimento , in Dizionario delle scienze fisiche , Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1996.
^ Non solo aria.com .
^ Dr. N . K. Verma, Prof. SK Khanna, Dr. B. Kapila, Comprehensive Chemistry XII , Laxmi Publications, ISBN 9788170087526 , pag. 595.
^ Adsorption , in: Competition Science Vision , Pratiyogita Darpan Group, India, vol. 7, num. 78 (agosto 2004), pag. 751.
^ ^a ^b ( EN ) IUPAC Gold Book - Specific adsorption , su goldbook.iupac.org . URL consultato il 22 giugno 2011 .
^ ^a ^b ( EN ) IUPAC Gold Book - Non-specific adsorption , su goldbook.iupac.org . URL consultato il 22 giugno 2011 .
^ unito . it - Risorsa non disponibile ^{[ collegamento interrotto ]}
^ Helfferich , p. 32 .
^ ^a ^b ^c Ullmann's , cap. 4.2 .
^ ^a ^b Lee , p. 28 .
^ ^a ^b Capitolo I :
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Copia archiviata ( PDF ), su cfa.disat.unimib.it . URL consultato il 2 febbraio 2015 (archiviato dall' url originale l'11 maggio 2015) .
^ ^a ^b unito . it - Risorsa non disponibile ^{[ collegamento interrotto ]}
^ Lee , p. 29 .
^ Per il termine esponenziale vedere la sezione "Isoterma di Hill-De Boer o di Van der Waals".
^ (vedere la sezione "Isoterma di Hill-De Boer o di Van der Waals")
^ http://www.antonio.licciulli.unile.it/didattica_2005/vuoto_e_pieno.pdf
^ ^a ^b Lee , pp. 26-27 .
^ Ullmann's , cap. 2.1 .
^ Ullmann's , cap. 2.2 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Ullmann's , cap. 3 .
^ Do , p. 2 .
^ Lee , p. 25 .
^ ^a ^b Ullmann's , cap. 6 .
^ Ullmann's , cap. 6.3 .
^ Ullmann's , cap. 6.4 .
^ Ullmann's , cap. 6.5 .
^ ( EN ) Daniel Jansen, Edward van Selow, Paul Cobden, Giampaolo Manzolini, Ennio Macchi, Matteo Gazzani, Richard Blom, Partow Pakdel Heriksen, Rich Beavis e Andrew Wright, SEWGS Technology is Now Ready for Scale-up! , in Energy Procedia , vol. 37, 1º gennaio 2013, pp. 2265–2273, DOI : 10.1016/j.egypro.2013.06.107 , ISSN 1876-6102 ( WC · ACNP ) .

Bibliografia

( EN ) Sunggyu Lee, Encyclopedia of Chemical Processing , New York, Taylor & Francis, 2006, DOI : 10.1081/E-ECHP , ISBN 0-8247-5563-4 .
( EN ) Robert H. Perry , Don W. Green, James O. Maloney, Perry's Chemical Engineers' Handbook , 7ª ed., McGraw-Hill, 1997, ISBN 0-07-049841-5 .
( EN ) Diran Basmadjian, Little Adsorption Book: A Practical Guide for Engineers and Scientists , 1ª ed., CRC-Press, 1996, ISBN 0-8493-2692-3 .
( EN ) M. Douglas Ruthven, S. Farooq, KS Knaebel, Pressure Swing Adsorption , Wiley-VCH, 1993, ISBN 0-471-18818-2 .
( EN ) Ralph T. Yang, Adsorbents: Fundamentals and Applications , Wiley-Interscience, 2003, ISBN 0-471-29741-0 .
( EN ) Stephen Brunauer , Physical Adsorption , Princeton, Princeton University Press, 1945.
( EN ) Stephen Brunauer , The Adsorption Of Gases And Vapors , vol. 1, Oxford University Press, 1943.
( EN ) DM Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes , New York, John Wiley & Sons, 1984.
( EN ) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering , 6ª ed., Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 812-839, ISBN 0-07-060082-1 .
Friedrich G. Helfferich, Kinetics of multistep reactions , 2ª ed., Elsevier, 2004, ISBN 0-444-51653-0 .
( EN ) M. McNaught, A. Wilkinson, IUPAC. Compendium of Chemical Terminology ("Gold Book") , 2ª ed., Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI : 10.1351/goldbook , ISBN 0-9678550-9-8 .
( EN ) József Tóth, Adsorption: Theory, Modeling, and Analysis , CRC Press, 2002, ISBN 0-8247-4449-7 .
( EN ) Andrzej Dąbrowski, Adsorption and Its Applications in Industry and Environmental Protection: Applications in industry , Elsevier, 1999, ISBN 0-444-50165-7 .
( EN ) Stephen Brunauer, Paul H. Emmett, Edward Teller, Adsorption of gases in multimolecular layers ( PDF ), in Journal of the American Chemical Society , vol. 60, febbraio 1938, pp. 309-319.
( EN ) Duong D. Do, Adsorption Analysis: Equilibria and Kinetics , Imperial College Press, 1998, ISBN 1-86094-130-3 .
( EN ) Jacques P. Fraissard, Physical Adsorption: Experiment, Theory, and Applications , Springer, 1997, ISBN 0-7923-4547-9 .
( EN ) Alfons Mersmann, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Adsorption" , 6ª ed., Wiley-VCH, 2002, DOI : 10.1002/14356007.b03_09 , ISBN 3-527-30385-5 .

Voci correlate

Altri progetti

Wikizionario contiene il lemma di dizionario « adsorbimento »
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su adsorbimento

Collegamenti esterni

Adsorbimento , su nonsoloaria.com . URL consultato il 22 giugno 2011 .
InfoEmas - Adsorbimento ( PDF ) ^{[ collegamento interrotto ]} , su infoemas.it . URL consultato il 22 giugno 2011 .
Adsorbimento ( PDF ), su DISAT - Chimica fisica ambientale 2 . URL consultato il 22 giugno 2011 (archiviato dall' url originale il 7 settembre 2012) .
Derivation of Langmuir and BET isotherms , su jhu.edu .
Adsorbimento su carbone attivo , su chemvironcarbon.com . URL consultato il 12 settembre 2013 (archiviato dall' url originale il 5 aprile 2015) .
http://guide.adsorption.org/ , su guide.adsorption.org .

Controllo di autorità	LCCN ( EN ) sh85001022 · GND ( DE ) 4000536-7 · NDL ( EN , JA ) 00567353

Portale Chimica

Portale Fisica

Portale Ingegneria

[1] ( EN ) Thermopedia, "Adsorption"

[2] Ullmann's , cap. 4 .

[Ull1-3] Ullmann's , cap. 1 .

[Dab9-4] Dąbrowski , p. 9 .

[5] Carl Scheele - Chemistry Encyclopedia - gas, salt

[6] Fraissard , p. 3 .

[7] Dąbrowski , p. 12 .

[8] Dąbrowski , p. 13 .

[9] Dąbrowski , p. 14 .

[10] Brunauer .

[autogenerato1-11] Dąbrowski , p. 15 .

[12] sisorbimento , in Dizionario delle scienze fisiche , Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1996.

[13] sorbimento , in Dizionario delle scienze fisiche , Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1996.

[14] Non solo aria.com .

[15] Dr. N . K. Verma, Prof. SK Khanna, Dr. B. Kapila, Comprehensive Chemistry XII , Laxmi Publications, ISBN 9788170087526 , pag. 595.

[16] Adsorption , in: Competition Science Vision , Pratiyogita Darpan Group, India, vol. 7, num. 78 (agosto 2004), pag. 751.

[spec-17] ( EN ) IUPAC Gold Book - Specific adsorption , su goldbook.iupac.org . URL consultato il 22 giugno 2011 .

[nspec-18] ( EN ) IUPAC Gold Book - Non-specific adsorption , su goldbook.iupac.org . URL consultato il 22 giugno 2011 .

[19] unito . it - Risorsa non disponibile ^{[ collegamento interrotto ]}

[20] Helfferich , p. 32 .

[Ull4.2-21] Ullmann's , cap. 4.2 .

[Lee28-22] Lee , p. 28 .

[inamb-23] Capitolo I :

[disat-24] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Copia archiviata ( PDF ), su cfa.disat.unimib.it . URL consultato il 2 febbraio 2015 (archiviato dall' url originale l'11 maggio 2015) .

[campusnet-25] unito . it - Risorsa non disponibile ^{[ collegamento interrotto ]}

[26] Lee , p. 29 .

[27] Per il termine esponenziale vedere la sezione "Isoterma di Hill-De Boer o di Van der Waals".

[28] (vedere la sezione "Isoterma di Hill-De Boer o di Van der Waals")

[29] ttp://www.antonio.licciulli.unile.it/didattica_2005/vuoto_e_pieno.pdf

[Lee26-27-30] Lee , pp. 26-27 .

[31] Ullmann's , cap. 2.1 .

[32] Ullmann's , cap. 2.2 .

[Ull3-33] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Ullmann's , cap. 3 .

[34] Do , p. 2 .

[35] Lee , p. 25 .

[Ull6-36] Ullmann's , cap. 6 .

[37] Ullmann's , cap. 6.3 .

[38] Ullmann's , cap. 6.4 .

[39] Ullmann's , cap. 6.5 .

[40] ( EN ) Daniel Jansen, Edward van Selow, Paul Cobden, Giampaolo Manzolini, Ennio Macchi, Matteo Gazzani, Richard Blom, Partow Pakdel Heriksen, Rich Beavis e Andrew Wright, SEWGS Technology is Now Ready for Scale-up! , in Energy Procedia , vol. 37, 1º gennaio 2013, pp. 2265–2273, DOI : 10.1016/j.egypro.2013.06.107 , ISSN 1876-6102 ( WC · ACNP ) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17] în

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

[40]