Transcript Kemalap14_7
Abszorpció Fizikai abszorpció (fiziszoprció) Kémiai abszorpció (kemiszoprció) Fizikai abszorpció, amikor a gázkomponens csak egyszerűen oldódik az abszorbensben. Ilyenkor a komponens oldódását az egyensúlyi viszonyok, tehát a gáz parciális nyomása és folyadékban lévő koncentrációja szabják meg („Henry-törvény”). pl.: széndioxid oldódása vízben, szerves oldószergőzök elnyeletése vízben. REVERZIBILIS – MEGFORDÍTHATÓ REGENERÁLHATÓ Fizikai abszorpció Az xa ~ pa összefüggést a „Henry-törvény” írja le, általános alakja: pa H xa ahol H az ú.n. Henry-állandó [N/m2]. 0.8 pa [105 Pa] Kéndioxid-levegő-víz rendszer egyensúlyi görbéje 20°C-on 0.6 0.4 0.2 Henry-törvény p a =29,6*x a 0 0 0.005 0.01 xa 0.015 0.02 Abszorpció Kémiai abszorpció (kemiszoprció), amikor a gáz abszorpcióját a folyadékfázisban kémiai reakció követi, és az abszorpció nem tekinthető egyensúlyi folyamatnak. pl.: széndioxid elnyeletése nátrium hidroxid oldatban, füstgázok meszes vízzel történő mosása. Kemiszorpció esetén elvileg az elnyeletés teljes NEM REVERZIBILIS – NEM MEGFORDÍTHATÓ NEM REGENERÁLHATÓ A keletkező reakciótermék felhasználásáról, vagy elhelyezéséről gondoskodni kell! Az abszorpciót hőjelenségek is kísérik. Az abszorpciós hő három fő rész összege: kondenzációs hő, oldáshő, hígítási hő. A hígítási hő az első kettőhöz képest elhanyagolható. A gyakorlatban előfordul izotermnek tekinthető abszorpció is, ahol a hőjelenségek elhanyagolhatók, pl. szénhidrogének abszorpciója olajban. Forró gázok abszorpciója esetén, ha az abszorbens hőmérséklete alacsonyabb a gáz(ok) kondenzációs hőmérsékleténél, akkor a gázok „belekondenzálnak” az abszorbensbe, és jelentősen felmelegítik annak hőmérsékletét. Az abszorpció hőjelenségeit figyelembe kell venni, mert a hőmérséklet emelkedésével a gázok oldékonysága, abszorpciója romlik. gázfázis fázishatár ya ya F xa F folyadékfázis xa anyagátbocsátás jellemzõ iránya Anyagátbocsátás abszorpciónál, „a” komponensre nézve Egyfokozatú abszorpció Különlegesen jól oldódó gázok esetében célravezető. A gázt és folyadékot intenzíven érintkeztetjük, majd fizikailag szétválasztjuk. Az érintkezés alatt megtörténik a komponensek diffúziója ill. megoszlása a fázisok közt. Ideális esetben beáll a fázisok közt a gáz-folyadék egyensúly, és a fokozatot elhagyó anyagáramok (gáz és folyadék) egymással egyensúlyban vannak. Ilyenkor ez az egy fokozat egy egyensúlyi egység, melyet abszorpció esetében elméleti tányérnak is nevezünk. Egyfokozatú ellenáramú abszorpciós egység L0 G1 L1 – L0 = G1 – G2 L0 G2 L1 G1 A komponensmérleg, bármely „i” komponensre: 1 L0 xi0 G2 yi2 L1 xi1 G1 yi1 L1 G2 i 1,......n ahol L, G a folyadék és gázáramok, (mól vagy tömeg/idő), xi i. komponens mól vagy tömegtörtje a folyadékfázisban, yi i komponens mól vagy tömegtörtje a gázfázisban, n a komponensek száma. Többfokozatú abszorpció x0 L0 G1 y1 1 x1 L1 G2 y2 2 G3 y3 x2 L2 Gn-1 yn-1 xn-2 Ln-2 n-1 xn-1 Ln-1 Gn yn n xn Ln Gn+1 yn+1 Az abszorpció hatékonyságát növelhetjük, ha azt több egyensúlyi fokozatban hajtjuk végre. Több egyfokozatú abszorpció egymás után, ahol az anyagáramok ellenáramban haladnak. Minden egyes fokozatban beáll az egyensúly, tehát a fokozatot elhagyó gáz- és folyadékáramok egymással egyensúlyban vannak. Az így létrehozható szétválasztás mértéke nagyobb, mint egyetlen fokozat esetén. Az egyfokozatú esethez hasonló módon az anyag és komponensmérleg felírható a többfokozatú ellenáramú egységre. ADSZORPCIÓ A szilárd és folyadék halmazállapotú anyagok felületén levő részecskék (ionok, molekulák) egyoldalú erőhatásnak vannak kitéve a fázis belseje felé ható vonzó hatásnak, így saját vonzóerejük egy része szabadon marad, melyek más anyagok megkötését teszik lehetővé. Felületi erők hatása: •Különböző szilárd anyagok felületei között – adhézió (tapadás, ragasztás) •Szilárd anyag felületén gáz molekulák megkötődése – adszorpció •Szilárd anyag felületén oldatból részecskék (ionok, molekulák) megkötődése – adszorpció Oldott anyag erősebben köt – adszorpció Oldószer erősebben köt – negatív adszorpció (az oldott anyagra nézve) ADSZORBENSEK Olyan nagy felületű anyagok, melyek felületükön jelentős mennyiségben képesek más anyagokat a felületükön megkötni. •Sok apró szemcséből állnak •Porózus anyagok A megkötő felület az adszorbens, a megkötött anyag az adszorptívum. Az adszorpciót befolyásoló tényezők : hőmérséklet (T emelésével nő a részecskék hőmozgása, csökken az adszorpció) nyomás (növelése növeli az adszorpciót) (gáz!) adszorbens minősége (lyukacsos , érdes felület kedvez, illetve a felület polaritása is befolyásol, „hasonló a hasonlót köt meg” elv) oldószer minősége : részint ő maga is lehet adszorptívum, részint az adszorbeálódó anyag oldhatóságát befolyásolja. Füstgázból szennyező komponensek megkötése (dioxin, furánok) Heterogén katalízis (pl.: autó katalizátora) első lépés – adszorpció Oldatból szennyező oldott anyagok megkötlése (nehézfémek, arzén) Adszorpció talajban A nehézfémek mobilitása tápanyaggazdálkodás környezetvédelem A nehézfémek oldhatósága, ionformái függnek a pH-tól A talaj, mint nagy felületű (változó felület töltéssel rendelkező) adszorbens jelentősen befolyásolja az oldhatóságot Modell: Langmuir izoterma (hidrogén – Pt) KOLLOIDOK Többkomponensű rendszerek molekuláinak eloszlása alapján a rendszereket homogén (tökéletes elegyedés, egyetlen fázis) rendszerek és heterogén rendszerek (makroszkopikus elkülönülés, pl.csapadékot tartalmazó oldat) csoportjára tudjuk felosztani. A gyakorlatban azonban vannak olyan rendszerek, amik nem tartoznak egyik kategóriába sem, ezek a rendszerek a kolloidok, melyek 1-200 nm (esetleg 500 nm) szemcseméretű részecskét tartalmaznak. A kolloidok, bár méretük alapján átmenetet képeznek a homogén és heterogén rendszerek között, valójában mégsem jelentenek átmenetet, mert szemcseméretük miatt sok csak a kolloidokra jellemző tulajdonsággal bírnak. Az új és egyedi tulajdonságok megjelenése a rendszer fajlagos felületének (felület/térfogat) jelentős növekedésével indokolható. Kolloid oldatnak nevezzük egy anyagnak (diszpergált fázisnak) egy másik fázisban (diszperziós közegben) való egyenletes eloszlását, oly módon, hogy a diszpergált részecskék mérete sokkal nagyobb az ionok, vagy a különálló molekulákénál, de nem képeznek külön fázist. A kolloid rendszerek csoportosítása a diszpergált fázis és a diszperziós közeg halmazállapota szerint A diszpergált részek halmazállapota Rendszer Gáz Folyékony Szilárd aeroszol - kolloid köd kolloid füst (pl:légköri köd) (pl:dohányfüst) lioszol kolloid hab (szappanhab) emulzió (pl: tej, tejszín) xeroszol szilárd hab (zárványokban) folyadékzárvány szilárd szól (pl: a vaj) (rubinüveg, ötvözetek) szuszpenzió (pl:kolloid kénoldat) A kolloidok osztályozása az eloszlatott részecskék típusa szerint diszperziós kolloidok (fáziskolloidok): valamely folytonos közegben gáz, folyadék és szilárd mikrofázisok, felülettel határolt részecskék találhatók pl. csapadék, a köd, a füst, az emulzió, a szuszpenzió makromolekuláris kolloidok: a folyadékban oldott részecskék mérete eleve a kolloid mérettartományba esik pl. fehérje, ragasztók, lakkok, zselatin, polimer asszociációs kolloidok: az oldott amfipatikus molekulák micellákká csoportosulnak (felületaktív anyagokat tartalmazó rendszerek) pl. szappanoldat (micellák!) A kolloidok osztályozása az eloszlatott részecskék közt ható erő szerint inkoherens rendszerek: a részecskék egymástól függetlenek. A közeg folyékony jellege a mérvadó (aero- és lioszolok, kolloid oldatok) koherens rendszerek: összefüggő szilárd vázat alkotnak (gélek – a részecskék kapcsolódása miatt; xeroszolok – a közeg miatt) Kolloid rendszerek átalakulásai hűtés, vagy oldószer-elvonás Gél melegítés, vagy oldószer hozzáadás Szol Pl.: szilárd zselatin (xerogél) + oldószer(duzzadt xerogél), majd (liogél), melegítés (lioszol), majd lehűtés (liogél) A kolloidok előállítása nagyobb szemcséket aprítunk kolloid méretűre (porlasztással, kolloid malomban, ultrahanggal stb.); vegyi eljárással olyan körülmények között (hőmérséklet, koncentráció, oldószer stb.), hogy a keletkező csapadék szemcséinek mérete kolloid méretű legyen valódi oldatban úgy változtatjuk meg a körülményeket, hogy az oldott anyag (egy része legalább) kolloid méretű szemcsékben váljon ki. ADSZORBENSEK - KOLLOIDOK A kolloidok tipikus nagy felületű anyagok, melyek felületükön jelentős mennyiségben képesek más anyagokat a felületükön megkötni. •Sok apró szemcséből állnak (pl. kolloid oldat) •Porózus anyagok (liogél, xerogél) Azokat a kolloidokat, melyek felületükön oldószer molekulákat képesek megkötni, azok a liofil kolloidok, amelyek oldószer molekulákat nem képesek adszorbeálni, azok a liofób kolloidok. Felületaktív molekulák elhelyezkedése a vizes és olajos fázisok határán poláros csoport olajos fázis apoláros rész vizes fázis Felületaktív molekulák Micella Sejtmembrán CMC Kritikus Micella Koncentráció Egyensúlyi folyamat CMC feletti koncentrációnál nem nő az aktív molekulák koncentrációja Felületaktív molekulák Detergens (latin:letörlő) hatás- mosás A szennyeződés a textíliákhoz vagy más tárgyakhoz főleg olajos film közvetítésével tapad. Az olajos felületeket a víz nem nedvesíti, a felületaktív anyag azonban közvetíteni tud a két fázis között. A lipofil rész jól adszorbeálódik az olajos felületre, az így kialakult új felület pedig – a hidrofil csoportokon keresztül – jól nedvesíti a víz. A felületaktív molekulák mozgásban lévő víz segítségével fokozatosan behatolnak a szennyezés és a szennyezett anyag közé, majd az így szabaddá vált szennyrészecskéket emulzió formájában a vizes oldatba viszik. Detergens hatás A felületről a detergens nedvesítő hatása választja le a szennyrészecskéket, és emulgeáló hatása tartja azokat emulzió formájában a vizes oldatban. H2O H2O szennyrészecske H2O H2O Felület borításához kevés molekula is elég kis mennyiség – nagy hatás Felület megváltoztatása felületi feszültség csökkentése HABKÉPZŐDÉS habképződés gátlása leszorítás pl. alkohol Védőkolloid hatás – elválasztási probléma (csapadék, emulzió) Megszüntetés – a detergens elroncsolása (oxidáció, mikrobák) - a detergens kicsapása (Ca-szappan) Szennyezések csapadékképzésen alapuló elválasztása Kolloid szennyezők eltávolítása (koaguláció) Részecskék elektromos töltésének csökkentése pH függvényében – H+ ill OH- ionok megkötődése (izoelektromos pont) Védőkolloidok (szerves makromolekulák, detergensek) elbontás (mikrobiológia – eleven iszap) detergens megkötés polielektrolittal Hídképző flokkuláció polimerrel alacsony koncentrációban (magasabb koncentrációban védőkolloid!) Polielektrolit/1 Poli-aklrilsav PAA „Gyenge” polielektrolit disszociációja részleges A polimetilmetakrilátot (szerves üveg, „plexi”) metakrilsav-észter polimerizációjával állítják elő. Jó optikai, elektromos és nem utolsó sorban mechanikai tulajdonságai miatt (100- 150 C –fokon már hajlik, de szobahőmérsékleten kemény) gyakran alkalmazzák különböző konstrukciós elemek, optikai alkatrészek, ablakok gyártásához. CH2=CH-COOH akrilsav Polielektrolit/2 Poli(nátrium-sztirol-szulfonát) PSS „Erős” polielektrolit disszociációja 100%-os A polisztirol mérettartó, rideg, jó szigetelő anyag. Savak lúgok nem károsítják. Habosítva – kemény hab - jó hőszigetelő (Hugarocell). Szerves oldószerek károsítják. Gyenge hőállóság, nehezen éghető. Az anyag nem táptalaja a mikroorganizmusoknak, s a talajbaktériumok sem támadják meg. Adszorpció (kutatás) A nehézfémek mobilitása tápanyaggazdálkodás környezetvédelem A nehézfémek oldhatósága, ionformái függnek a pH-tól A talaj, mint nagy felületű (változó felület töltéssel rendelkező) adszorbens jelentősen befolyásolja az oldhatóságot Modell: Langmuir izoterma (hidrogén – Pt) Cu megkötődés bentoniton pH 8 pH 7 Cuads . A 1 1 k 1 c pH 6 pH 5 pH 4 Cu megkötődés bentoniton Az adszorpciós maximum pH függése Növényvédőszerek megkötődése talajon Növényvédőszer lebomlás Mikroszervezetek Oxigén Tartózkodási idő a humuszos rétegben Megkötődés – lebomlás Kimosódás – talajvízszennyezés Adszorpciós vizsgálatok A vizsgált növényvédőszer Imidacloprid 1-[(6-Chloro-3-pyridinyl)methyl]-4,5-dihydro-N-nitro-1H-imidazol-2-amine Imidacloprid adszorpciója barna erdőtalajon 25 f mg/kg 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 c mg/l 14 Adszorpció modell Langmuir izoterma ak c f 1 k c Levezetés: Alapösszefüggés – - kémiai egyensúly az oldatban és a felületen kötött anyag között E + nC =F f k n ec a = e +f, átrendezve e = a - f f k n a f c Átrendezve: ak c f n 1 k c n 3 lépcsős izoterma a1 k1 c a2 k2 c b2 absc b2 a3 k3 c b3 absc b3 f 2 1 k1 c 4 k2 c b2 absc b2 8 k3 c b3 absc b3 3 3 2 25 f mg/kg 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 c mg/l Köszönöm a figyelmet