Адсорбция - Adsorption

Модель многослойной адсорбции Брунауэра, Эммета и Теллера представляет собой случайное распределение молекул на поверхности материала.

Адсорбция является адгезия из атомов , ионов или молекул из газа, жидкости или твердого вещества , растворенного в поверхности . Этот процесс создает пленку адсорбата на поверхности адсорбента . Этот процесс отличается от абсорбции , при котором жидкость ( абсорбент ) растворяется или проникает в жидкость или твердое тело ( абсорбент ). Адсорбция - это поверхностное явление , в то время как абсорбция охватывает весь объем материала, хотя адсорбция часто предшествует абсорбции. Термин сорбция охватывает оба процесса, а десорбция - обратное.

Определение ИЮПАК

Увеличение концентрации вещества на границе раздела конденсированного и жидкого или газообразного слоя за счет действия поверхностных сил.

Примечание 1. Адсорбция белков имеет большое значение, когда материал контактирует с кровью или биологическими жидкостями. В случае крови альбумин , который в значительной степени преобладает, обычно сначала адсорбируется, а затем происходят перегруппировки в пользу других второстепенных белков в соответствии с поверхностным сродством против отбора по закону массы ( эффект Вромана ).

Примечание 2: Адсорбированные молекулы - это те молекулы, которые устойчивы к промыванию той же самой растворителем в случае адсорбции из растворов. Таким образом, условия стирки могут изменять результаты измерений, особенно при низкой энергии взаимодействия.

Как и поверхностное натяжение , адсорбция является следствием поверхностной энергии . В массивном материале все требования к связыванию (будь то ионные , ковалентные или металлические ) составляющих атомов материала выполняются другими атомами в материале. Однако атомы на поверхности адсорбента не полностью окружены другими атомами адсорбента и поэтому могут притягивать адсорбаты. Точная природа связывания зависит от деталей участвующих частиц, но процесс адсорбции обычно классифицируется как физисорбция (характеристика слабых сил Ван-дер-Ваальса ) или хемосорбция (характеристика ковалентной связи). Это также может произойти из-за электростатического притяжения.

Адсорбция присутствует во многих природных, физических, биологических и химических системах и широко используется в промышленных приложениях, таких как гетерогенные катализаторы , активированный уголь , улавливание и использование отработанного тепла для обеспечения холодной воды для кондиционирования воздуха и других технологических требований ( адсорбционные охладители ), синтетические смолы , увеличивающие емкость карбидоуглерода и очистку воды . Адсорбция, ионный обмен и хроматография - это процессы сорбции, в которых определенные адсорбаты избирательно переносятся из жидкой фазы на поверхность нерастворимых твердых частиц, взвешенных в сосуде или упакованных в колонку. Применения в фармацевтической промышленности, в которых адсорбция используется как средство продления неврологического воздействия определенных лекарств или их частей, менее известны.

Слово «адсорбция» было придумано в 1881 году немецким физиком Генрихом Кайзером (1853–1940).

Изотермы

Адсорбция газов и растворенных веществ обычно описывается с помощью изотерм, то есть количества адсорбата на адсорбенте как функции его давления (для газа) или концентрации (для растворенных веществ в жидкой фазе) при постоянной температуре. Адсорбированное количество почти всегда нормируется на массу адсорбента, чтобы можно было сравнивать различные материалы. На сегодняшний день разработано 15 различных моделей изотерм.

Freundlich

Первая математическая аппроксимация изотермы была опубликована Фрейндлихом и Кустером (1906) и представляет собой чисто эмпирическую формулу для газообразных адсорбатов:

где - масса адсорбированного адсорбата, - масса адсорбента, - давление адсорбата (его можно изменить на концентрацию, если исследуется раствор, а не газ), и - эмпирические константы для каждой пары адсорбент-адсорбат при заданной температуре. . Эта функция неадекватна при очень высоком давлении, потому что в действительности имеет асимптотический максимум при неограниченном увеличении давления. При повышении температуры константы и изменяются, чтобы отразить эмпирическое наблюдение, что адсорбированное количество увеличивается медленнее и для насыщения поверхности требуются более высокие давления.

Langmuir

Ирвинг Ленгмюр был первым, кто вывел научно обоснованную изотерму адсорбции в 1918 году. Модель применима к газам, адсорбированным на твердых поверхностях. Это полуэмпирическая изотерма с кинетической основой, полученная на основе статистической термодинамики. Это наиболее часто используемое уравнение изотермы из-за его простоты и способности соответствовать различным данным адсорбции. Он основан на четырех предположениях:

  1. Все сайты адсорбции эквивалентны, и каждый сайт может вместить только одну молекулу.
  2. Поверхность энергетически однородна, адсорбированные молекулы не взаимодействуют.
  3. Фазовых переходов нет.
  4. При максимальной адсорбции образуется только монослой. Адсорбция происходит только на локализованных участках на поверхности, а не с другими адсорбатами.

Эти четыре предположения редко бывают верными: всегда есть дефекты на поверхности, адсорбированные молекулы не обязательно инертны, и механизм, очевидно, не тот же самый, что самые первые молекулы адсорбируются на поверхность, как для последних. Четвертое условие является наиболее неприятным, так как часто больше молекул адсорбируется на монослое; эта проблема решается с помощью изотермы БЭТ для относительно плоских ( немикропористых ) поверхностей. Тем не менее изотерма Ленгмюра является первым выбором для большинства моделей адсорбции и имеет множество приложений в поверхностной кинетике (обычно называемой кинетикой Ленгмюра – Хиншелвуда ) и термодинамике .

Ленгмюр предположил, что адсорбция происходит по такому механизму:, где A - молекула газа, а S - место адсорбции. Прямые и обратные константы скорости равны k и k −1 . Если мы определим покрытие поверхности как долю занятых адсорбционных центров, в равновесии мы получим:

или

где - парциальное давление газа или молярная концентрация раствора. Для очень низкого давления и для высокого давления .

Значение трудно измерить экспериментально; Обычно адсорбатом является газ, и количество адсорбированного вещества указывается в молях, граммах или объемах газа при стандартной температуре и давлении (STP) на грамм адсорбента. Если мы назовем v mon объемом адсорбата STP, необходимым для образования монослоя на адсорбенте (на грамм адсорбента), то получим выражение для прямой линии:

Через его наклон и точку пересечения y мы можем получить v mon и K , которые являются константами для каждой пары адсорбент-адсорбат при данной температуре. v mon связано с количеством адсорбционных центров через закон идеального газа . Если мы предположим, что количество центров - это просто вся площадь твердого тела, разделенная на поперечное сечение молекул адсорбата, мы можем легко вычислить площадь поверхности адсорбента. Площадь поверхности адсорбента зависит от его структуры: чем больше у него пор, тем больше площадь, которая имеет большое влияние на реакции на поверхности .

Если на поверхности адсорбируется более одного газа, мы определяем как долю пустых участков, и мы имеем:

Также мы можем определить как долю участков, занятых j -м газом:

где i - каждый из адсорбируемых газов.

Примечание:

1) Чтобы выбрать между уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха, необходимо исследовать энтальпии адсорбции. В то время как модель Ленгмюра предполагает, что энергия адсорбции остается постоянной с заполнением поверхности, уравнение Фрейндлиха выводится с предположением, что теплота адсорбции непрерывно уменьшается по мере заполнения мест связывания. Выбор модели на основе наилучшего соответствия данных - распространенное заблуждение.

2) Использование линеаризованной формы модели Ленгмюра больше не является общепринятой практикой. Прогресс в вычислительной мощности позволил выполнять нелинейную регрессию быстро и с большей уверенностью, поскольку преобразование данных не требуется.

СТАВКА

Часто молекулы действительно образуют многослойные слои, то есть некоторые из них адсорбируются на уже адсорбированных молекулах, и изотерма Ленгмюра недействительна. В 1938 году Стивен Брунауэр , Пол Эммет и Эдвард Теллер разработали модельную изотерму, которая учитывает эту возможность. Их теория называется теорией СТАВКИ , по инициалам в их фамилиях. Они модифицировали механизм Ленгмюра следующим образом:

A (g) + S ⇌ AS,
A (g) + AS ⇌ A 2 S,
A (g) + A 2 S ⇌ A 3 S и так далее.
Изотермы Ленгмюра (синий) и БЭТ (красный)

Вывод формулы более сложен, чем формула Ленгмюра (полный вывод см. По ссылкам). Мы получаем:

где x - давление, деленное на давление пара для адсорбата при этой температуре (обычно обозначается ), v - объем адсорбированного адсорбата STP, v mon - объем STP количества адсорбата, необходимого для образования монослоя, а c - константа равновесия K, которую мы использовали в изотерме Ленгмюра, умноженная на давление пара адсорбата. Ключевое предположение, использованное при выводе уравнения БЭТ, заключается в том, что последовательные теплоты адсорбции для всех слоев, кроме первого, равны теплоте конденсации адсорбата.

Изотерма Ленгмюра обычно лучше подходит для хемосорбции, а изотерма БЭТ лучше подходит для физадсорбции на немикропористых поверхностях.

Кислюк

Две адсорбированные молекулы азота адсорбируются на адсорбенте вольфрама из состояния предшественника вокруг островка ранее адсорбированного адсорбата (слева) и посредством случайной адсорбции (справа)

В других случаях молекулярные взаимодействия между молекулами газа, ранее адсорбированными на твердой поверхности, образуют значительные взаимодействия с молекулами газа в газовых фазах. Следовательно, адсорбция молекул газа на поверхность с большей вероятностью происходит вокруг молекул газа, которые уже присутствуют на твердой поверхности, что делает изотерму адсорбции Ленгмюра неэффективной для целей моделирования. Этот эффект был изучен в системе, где азот был адсорбатом, а вольфрам был адсорбентом, Пол Кислюк (1922–2008) в 1957 году. Чтобы компенсировать повышенную вероятность адсорбции, происходящей вокруг молекул, присутствующих на поверхности подложки, Кислюк разработал состояние предшественника. теория, согласно которой молекулы будут входить в состояние предшественника на границе раздела между твердым адсорбентом и адсорбатом в газовой фазе. Отсюда молекулы адсорбата будут либо адсорбироваться на адсорбенте, либо десорбироваться в газовую фазу. Вероятность адсорбции, происходящей из состояния предшественника, зависит от близости адсорбата к другим молекулам адсорбата, которые уже были адсорбированы. Если молекула адсорбата в состоянии предшественника находится в непосредственной близости от молекулы адсорбата, которая уже образовалась на поверхности, она имеет вероятность прилипания, отраженную размером константы S E, и будет либо адсорбироваться из состояния предшественника со скоростью из K EC или десорбируется в газовую фазу со скоростью K ES . Если молекула адсорбата переходит в состояние предшественника в месте, удаленном от любых других ранее адсорбированных молекул адсорбата, вероятность прилипания отражается величиной константы S D.

Эти факторы были включены в единую константу, называемую «коэффициентом прилипания», k E , описанную ниже:

Поскольку S D определяется факторами, которые учитываются моделью Ленгмюра, S D можно считать константой скорости адсорбции. Однако константа скорости для модели Кислюка ( R ') отличается от константы модели Ленгмюра, поскольку R ' используется для представления влияния диффузии на формирование монослоя и пропорционален квадратному корню из коэффициента диффузии системы. Изотерма адсорбции Кислюка записывается следующим образом, где θ ( t ) - степень заполнения адсорбента адсорбатом, а t - время погружения:

Решение относительно θ ( t ) дает:

Энтальпия адсорбции

Константы адсорбции являются константами равновесия , поэтому они подчиняются уравнению Ван'т-Гоффа :

Как видно из формулы, изменение K должно быть изостерическим, то есть при постоянном охвате. Если мы начнем с изотермы БЭТ и предположим, что изменение энтропии одинаково для сжижения и адсорбции, мы получим

другими словами, адсорбция является более экзотермической, чем разжижение.

Одномолекулярное объяснение

Адсорбцию ансамбля молекул на поверхности или границе раздела можно разделить на два процесса: адсорбцию и десорбцию. Если скорость адсорбции превосходит скорость десорбции, со временем молекулы будут накапливаться, образуя кривую адсорбции с течением времени. Если скорость десорбции больше, количество молекул на поверхности со временем будет уменьшаться. Скорость адсорбции зависит от температуры, скорости диффузии растворенного вещества и энергетического барьера между молекулой и поверхностью. Диффузия и ключевые элементы скорости адсорбции могут быть рассчитаны с использованием законов диффузии Фика и соотношения Эйнштейна (кинетическая теория) . Десорбция молекулы с поверхности зависит от энергии связи молекулы с поверхностью и температуры.

Квантовая механика - термодинамическое моделирование площади поверхности и пористости

С 1980 года были разработаны две теории, объясняющие адсорбцию и получающие работающие уравнения. Эти два понятия называются гипотезой ци, квантово-механическим выводом, и избыточной работой поверхности, ESW. Обе эти теории приводят к одному и тому же уравнению для плоских поверхностей:

Где U - функция шага единицы. Определения других символов следующие:

где «адс» означает «адсорбированный», «m» означает «монослойный эквивалент», а «vap» относится к давлению пара жидкого адсорбтива при той же температуре, что и твердый образец. Единичная функция определяет молярную энергию адсорбции для первой адсорбированной молекулы с помощью:

График зависимости адсорбции от зависимости называется графиком хи. Для плоских поверхностей наклон графика ци дает площадь поверхности. Эмпирически этот график был замечен Поланьи, а также де Боэром и Цвиккером как очень хорошо совпадающий с изотермой, но не исследовался. Это произошло из-за критики в первом случае Эйнштейном, а во втором - Брунауэром. Это уравнение плоской поверхности можно использовать как «стандартную кривую» в обычных условиях сравнения кривых, за исключением того, что ранняя часть графика зависимости от пористого образца действует как стандарт. С помощью этого метода можно анализировать ультрамикропористые, микропористые и мезопористые состояния. Типичные стандартные отклонения для полной изотермы, включая пористые образцы, составляют менее 2%.

Обратите внимание, что в этом описании физической адсорбции энтропия адсорбции согласуется с термодинамическим критерием Дубинина, то есть энтропия адсорбции из жидкого состояния в адсорбированное состояние приблизительно равна нулю.

Адсорбенты

Характеристики и общие требования

Активированный уголь используется в качестве адсорбента.

Адсорбенты обычно используются в виде сферических гранул, стержней, отливок или монолитов с гидродинамическим радиусом от 0,25 до 5 мм. Они должны обладать высокой стойкостью к истиранию , высокой термической стабильностью и малым диаметром пор, что приводит к увеличению площади открытой поверхности и, следовательно, высокой способности к адсорбции. Адсорбенты также должны иметь отчетливую пористую структуру, которая обеспечивает быстрый перенос газообразных паров.

Большинство промышленных адсорбентов делятся на три класса:

  • Кислородсодержащие соединения - обычно гидрофильные и полярные, включая такие материалы, как силикагель и цеолиты .
  • Соединения на основе углерода - обычно гидрофобны и неполярны, включая такие материалы, как активированный уголь и графит .
  • Соединения на основе полимеров - являются полярными или неполярными, в зависимости от функциональных групп в полимерной матрице.

Силикагель

Адсорбер на силикагеле для NO 2 , Исследовательская лаборатория фиксированного азота, около 1930-х гг.

Силикагель - это химически инертная, нетоксичная, полярная и стабильная по размерам (<400 ° C или 750 ° F) аморфная форма SiO 2 . Его получают реакцией между силикатом натрия и уксусной кислотой, за которой следует ряд процессов дополнительной обработки, таких как старение, травление и т. Д. Эти методы дополнительной обработки приводят к различному распределению пор по размерам.

Кремнезем используется для осушки технологического воздуха (например, кислорода, природного газа) и адсорбции тяжелых (полярных) углеводородов из природного газа.

Цеолиты

Цеолиты представляют собой природные или синтетические кристаллические алюмосиликаты, которые имеют повторяющуюся сеть пор и выделяют воду при высокой температуре. Цеолиты полярны по своей природе.

Их производят путем гидротермального синтеза алюмосиликата натрия или другого источника кремнезема в автоклаве с последующим ионным обменом с определенными катионами (Na + , Li + , Ca 2+ , K + , NH 4 + ). Диаметр канала цеолитных каркасов обычно составляет от 2 до 9 Å . За процессом ионного обмена следует сушка кристаллов, которые можно гранулировать со связующим для образования крупнопористых гранул.

Цеолиты применяются для осушки технологического воздуха, удаления CO 2 из природного газа, удаления CO из газа риформинга, разделения воздуха, каталитического крекинга , а также каталитического синтеза и риформинга.

Неполярные (кремнистые) цеолиты синтезируются из источников кремнезема, не содержащих алюминия, или деалюминированием алюминийсодержащих цеолитов. Процесс деалюминирования осуществляется путем обработки цеолита паром при повышенных температурах, обычно выше 500 ° C (930 ° F). Эта высокотемпературная термообработка разрывает связи алюминий-кислород, и атом алюминия выталкивается из каркаса цеолита.

Активированный уголь

Активированный уголь представляет собой высокопористое аморфное твердое вещество, состоящее из микрокристаллитов с графитовой решеткой, обычно приготовленное в виде небольших гранул или порошка. Это неполярно и дешево. Одним из его основных недостатков является то, что он реагирует с кислородом при умеренных температурах (более 300 ° C).

Изотерма азота с активированным углем, демонстрирующая заметное микропористое поведение типа I.

Активированный уголь можно производить из углеродистого материала, включая уголь (битуминозный, полубитуминозный и лигнит), торф, древесину или скорлупу орехов (например, кокосовый орех). Производственный процесс состоит из двух этапов: карбонизации и активации. Процесс карбонизации включает сушку, а затем нагрев для отделения побочных продуктов, включая смолы и другие углеводороды, от сырья, а также для удаления любых образующихся газов. Процесс завершается нагреванием материала до температуры выше 400 ° C (750 ° F) в бескислородной атмосфере, которая не может поддерживать горение. Затем карбонизированные частицы «активируются» путем воздействия на них окислителя, обычно пара или двуокиси углерода, при высокой температуре. Этот агент сжигает структуры, блокирующие поры, созданные во время фазы карбонизации, и, таким образом, они образуют пористую трехмерную решетчатую структуру графита. Размер пор, образовавшихся во время активации, зависит от времени, которое они проводят на этой стадии. Более длительное время воздействия приводит к увеличению размера пор. Наиболее популярные угли в водной фазе имеют битумную основу из-за их твердости, стойкости к истиранию, распределения пор по размеру и низкой стоимости, но их эффективность необходимо проверять при каждом применении, чтобы определить оптимальный продукт.

Активированный уголь используется для адсорбции органических веществ и неполярных адсорбатов, а также обычно используется для очистки отходящих газов (и сточных вод). Это наиболее широко используемый адсорбент, поскольку большинство его химических (например, поверхностных групп) и физических свойств (например, распределение пор по размеру и площадь поверхности) могут быть настроены в соответствии с потребностями. Его полезность также определяется его большим объемом микропор (а иногда и мезопор) и, как следствие, большой площадью поверхности.

Адсорбция воды

Адсорбция воды на поверхности имеет большое значение в химической технологии , материаловедении и катализе . Также называемое поверхностной гидратацией, присутствие физически или химически адсорбированной воды на поверхности твердых тел играет важную роль в управлении свойствами интерфейса, путями химических реакций и каталитическими характеристиками в широком диапазоне систем. В случае физически адсорбированной воды поверхностная гидратация может быть устранена просто путем сушки в условиях температуры и давления, допускающих полное испарение воды. Для химически адсорбированной воды гидратация может быть в форме диссоциативной адсорбции, когда молекулы H 2 O диссоциируют на поверхностно адсорбированные -H и -OH, или молекулярной адсорбции (ассоциативная адсорбция), при которой отдельные молекулы воды остаются нетронутыми.

Адсорбционное солнечное отопление и хранение

Низкая стоимость (200 долларов за тонну) и высокая частота цикла (2000 ×) синтетических цеолитов, таких как Linde 13X с водным адсорбатом, в последнее время вызвали большой академический и коммерческий интерес для использования для хранения тепловой энергии (TES), особенно низкосортных солнечных и отходящее тепло. С 2000 г. по настоящее время (2020 г.) в ЕС было профинансировано несколько пилотных проектов. Основная идея заключается в хранении солнечной тепловой энергии в виде скрытой химической энергии в цеолите. Обычно горячий сухой воздух из плоских солнечных коллекторов пропускается через слой цеолита, так что любой присутствующий адсорбат воды удаляется. Хранение может быть суточным, еженедельным, ежемесячным или даже сезонным, в зависимости от объема цеолита и площади солнечных тепловых панелей. Когда требуется тепло ночью, в часы без солнца или зимой, увлажненный воздух проходит через цеолит. По мере того как цеолит поглощает влагу, тепло передается воздуху, а затем и помещению здания. Эта форма TES с конкретным использованием цеолитов была впервые предложена Геррой в 1978 году.

Улавливание и хранение углерода

Типичными адсорбентами, предлагаемыми для улавливания и хранения углерода, являются цеолиты и MOF . Индивидуальная настройка адсорбентов делает их потенциально привлекательной альтернативой абсорбции. Поскольку адсорбенты можно регенерировать за счет колебаний температуры или давления, этот этап может быть менее энергоемким, чем методы регенерации абсорбцией . Основные проблемы, связанные со стоимостью адсорбции при улавливании углерода, включают: регенерацию адсорбента, массовое соотношение, растворитель / MOF, стоимость адсорбента, производство адсорбента, срок службы адсорбента.

В технологии сорбционной конверсии водяного газа (SEWGS) процесс улавливания углерода перед сжиганием, основанный на адсорбции твердого вещества, сочетается с реакцией конверсии водяного газа (WGS) для получения потока водорода под высоким давлением. Полученный поток CO 2 можно хранить или использовать для других промышленных процессов.

Адсорбция белков и ПАВ

Адсорбция белка - это процесс, который играет фундаментальную роль в области биоматериалов . Действительно, поверхности биоматериалов, контактирующие с биологическими средами, такими как кровь или сыворотка, немедленно покрываются белками. Таким образом, живые клетки взаимодействуют не напрямую с поверхностью биоматериала, а со слоем адсорбированных белков. Этот белковый слой обеспечивает взаимодействие между биоматериалами и клетками, переводя физические и химические свойства биоматериала на «биологический язык». Фактически, рецепторы клеточной мембраны связываются с биоактивными участками белкового слоя, и эти события связывания рецептор-белок передаются через клеточную мембрану таким образом, чтобы стимулировать специфические внутриклеточные процессы, которые затем определяют адгезию, форму, рост и дифференцировку клеток. На адсорбцию белка влияют многие свойства поверхности, такие как смачиваемость поверхности, химический состав поверхности и морфология поверхности в нанометровом масштабе. Адсорбция поверхностно-активного вещества - подобное явление, но с использованием молекул поверхностно-активного вещества вместо белков.

Адсорбционные чиллеры

Принципиальная схема адсорбционного чиллера: (1) тепло теряется из-за испарения хладагента, (2) пар хладагента адсорбируется на твердой среде, (3) хладагент десорбируется из неиспользуемой секции твердой среды, (4) хладагент конденсируется и возвращается в исходное состояние, твердая среда (5) и (6) циклически переключается между адсорбцией и десорбцией для ее регенерации.

Адсорбционные чиллеры, сочетающие адсорбент с хладагентом, используют тепло для обеспечения охлаждающего эффекта. Это тепло в виде горячей воды может поступать из любого числа промышленных источников, включая отходящее тепло промышленных процессов, первичное тепло от солнечных тепловых установок или тепло выхлопных газов или водяной рубашки поршневого двигателя или турбины.

Хотя между адсорбционными охладителями и абсорбционным охлаждением есть сходство , первое основано на взаимодействии между газами и твердыми частицами. Адсорбционная камера чиллера заполнена твердым материалом (например, цеолитом, силикагелем, оксидом алюминия, активированным углем или некоторыми типами солей металлов), который в своем нейтральном состоянии адсорбировал хладагент. При нагревании твердое вещество десорбирует (высвобождает) пар хладагента, который затем охлаждается и сжижается. Затем этот жидкий хладагент обеспечивает охлаждающий эффект в испарителе за счет своей энтальпии парообразования . На заключительной стадии пар хладагента (ре) адсорбируется твердым телом. Поскольку адсорбционный чиллер не требует компрессора, он относительно тихий.

Адсорбция, опосредованная сайтом портала

Адсорбция, опосредованная портальными сайтами, представляет собой модель сайт-селективной адсорбции активированного газа в металлических каталитических системах, которые содержат множество различных сайтов адсорбции. В таких системах дефектоподобные узлы с низкой координацией "края и угол" могут иметь значительно более низкие энтальпии адсорбции, чем узлы с высокой координацией ( базисная плоскость ). В результате эти участки могут служить «порталами» для очень быстрой адсорбции на остальной поверхности. Это явление основано на обычном «побочном» эффекте (описанном ниже), когда определенные адсорбированные частицы проявляют высокую подвижность на некоторых поверхностях. Модель объясняет, казалось бы, противоречивые наблюдения термодинамики и кинетики адсорбции газа в каталитических системах, где поверхности могут существовать в различных координационных структурах, и она была успешно применена к биметаллическим каталитическим системам, где наблюдается синергетическая активность.

В отличие от чистого перетока, адсорбция на портальном участке относится к поверхностной диффузии к соседним участкам адсорбции, а не к неадсорбционным опорным поверхностям.

Модель, по-видимому, была впервые предложена для монооксида углерода на платине, нанесенной на кремнезем, Brandt et al. (1993). Похожая, но независимая модель была разработана Кингом и соавторами для описания адсорбции водорода на биметаллических катализаторах рутения, серебра и рутения, а также биметаллических катализаторах на основе кремнезема, промотированных щелочью. Та же группа применила модель к гидрированию CO ( синтез Фишера-Тропша ). Zupanc et al. (2002) впоследствии подтвердили ту же модель адсорбции водорода на биметаллических цезий-рутениевых катализаторах, нанесенных на подложку из магнезии. Trens et al. (2009) аналогичным образом описали поверхностную диффузию CO на углеродных частицах Pt различной морфологии.

Адсорбционный переток

В случае каталитических или адсорбционных систем, в которых частицы металла диспергированы на материале носителя (или носителе) (часто квазиинертные оксиды, такие как оксид алюминия или диоксид кремния), адсорбирующие частицы могут косвенно адсорбироваться на поверхности носителя под воздействием условия, при которых такая адсорбция термодинамически невыгодна. Присутствие металла служит более низкоэнергетическим путем для газообразных частиц, которые сначала адсорбируются на металле, а затем диффундируют на поверхности носителя. Это возможно, потому что адсорбированные частицы достигают более низкого энергетического состояния после того, как они адсорбируются на металл, тем самым снижая активационный барьер между частицами газовой фазы и частицами, адсорбированными носителем.

Перетекание водорода является наиболее распространенным примером адсорбционного перетока. В случае водорода адсорбция чаще всего сопровождается диссоциацией молекулярного водорода (H 2 ) до атомарного водорода (H) с последующим переносом присутствующих атомов водорода.

Эффект спилловера использовался для объяснения многих наблюдений в гетерогенном катализе и адсорбции.

Полимерная адсорбция

Адсорбция молекул на полимерные поверхности играет центральную роль в ряде приложений, включая разработку антипригарных покрытий и в различных биомедицинских устройствах. Полимеры также могут адсорбироваться на поверхности за счет адсорбции полиэлектролита .

Адсорбция в вирусах

Адсорбция - это первый шаг в жизненном цикле вируса . Следующие шаги - проникновение, снятие покрытия, синтез (транскрипция, если необходимо, и трансляция) и высвобождение. В этом отношении цикл репликации вирусов одинаков для всех типов вирусов. Такие факторы, как транскрипция, могут понадобиться, а могут и не потребоваться, если вирус способен интегрировать свою геномную информацию в ядро ​​клетки или если вирус может реплицироваться непосредственно в цитоплазме клетки.

В популярной культуре

Игра в тетрис - это игра-головоломка, в которой блоки из 4 адсорбируются на поверхность во время игры. Ученые использовали тетрис блоки « в качестве прокси для молекул со сложной формой» и их «адсорбцией на плоскую поверхность» для изучения термодинамики из наночастиц .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Касслер, Э.Л. (1997). Распространение: массоперенос в жидкостных системах (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. С. 308–330. ISBN 978-0-521-45078-2.

внешние ссылки