Висновки

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 528

8 Лабораторна робота:
Визначення загальної поруватості каталізатора

Мета роботи: вивчити методи експериментального визначення поруватості каталізатора.

8.1 Короткі теоретичні відомості

Поруватість, частка об'єму пор у загальному об'ємі тіла. В широкому розумінні поняття поруватості включає в себе дані про морфологію пористого тіла. Часто структурні характеристики (розмір пор, розподіл за розмірами, об'єм пор, питома поверхня) поєднують терміном "текстура пористого тіла". Пористі тіла широко поширені в природі (мінерали, рослинні організми) і техніці (адсорбенти, каталізатори, пінопласти, будівельні матеріали, фільтри, наповнювачі, пігменти і т.п.).

Відповідно до рекомендацій ІЮПАК, пористі тіла класифікують за розмірами пор, що переважають на мікропористі (пори до 2 нм), мезопористі (від 2 до 50 нм) і макропористі (більше за 50 нм); за однорідністю цих розмірів – однорідно- і різноріднопористі тіла; за твердістю структури-на тверді й що набухають.

Морфологія пористих тіл. Розрізняють корпускулярні структури, що утворюються шляхом зрощування окремих часток (зерен) різної форми й розміру, і губчаті структури, утворені не зернами, а суцільною сіткою твердої фази, в якій пори являють собою систему порожнеч і каналів. Типовий представник корпускулярної структури-силікагель, губчатої структури - пористе скло. Існують змішані структури: або частки мають губчату будову, або в порожнинах губчатих тіл є скупчення дрібних часток.

Для більшості пористих тіл характерна корпускулярна структура. В аморфних ксерогелях (наприклад, силікагелі) частки мають кулеподібну форму. У кристалічних пористих тілах частки можуть бути у формі голок (γ-Аl₂О₃, α-Fe₂O₃), пластинок (MgO, CuO), волокон ( хризотил-азбест), коротких трубок (галуазит),поліедрів (напилені плівки, порошки). Пори, утворені між шарами, мають форму пласких щілин (α-Аl₂О₃, монтморилоніт). Приклади губчатих тіл - пористі стекла, метали, полімери.

Властивості поруватих тіл – підвищена питома поверхня, знижені (у порівнянні із суцільними тілами) густина, міцність і теплопровідність, тощо - в корпускулярних структурах залежать від розмірів часток, кількості та якості контактів між ними, а в губчатих структурах - від співвідношення об'ємів пор та суцільного матеріалу.

Для теоретичного опису геометричних і фізико-хімічних властивостей реальних поруватих тіл, а також, процесів, що відбуваються в них, складну структуру представляють у вигляді простих моделей. Найчастіше застосовують модель ефективних циліндричних пор, не пов'язану з морфологією, в сучасних моделях розглядають також пори між глобулами, циліндричними стрижнями, круглими дисками, поліедрами, шарами. Для губчатих структур застосовують моделі цилиндричних і багатогорлих пляшкоподібних пор. Зв'язок пор між собою описується решітковими моделями.

Визначення поруватості об'єм пор V визначається двома методами:

1) за граничною адсорбцією кількості речовини, що повністю заповнює всі пори, у припущенні, що щільність речовини в порах дорівнює щільності нормальної рідини;

2) за уявною (ρ_уявн) та істинною (ρ_іст) густиною пористого тіла (V= 1/ρ_уявн - 1/ρ_іст). Для визначення ρ_уявн пікнометр зі зразком заповнюють незмочувальною рідиною , для визначення ρ_іст - змочувальною рідиною. Поруватість E = (ρ_іст-ρ_уявн)/ ρ_іст.

Середній розмір пор d_ср (нм) визначають зі співвідношення об'єму пор V (см³/г) і площі їх поверхні А (м²/г) на основі прийнятої моделі пор. Для циліндричних капілярів d_cp = 4·103 V/A; для щілиноподібних пор d_cp = 2·103 V/A, для пор між глобулами, що мають форму горла, d_cp =2,8·103V/A.

Розподіл мезопор за розмірами визначається методом капілярної конденсації, мезо- і макропор - методом ртутної порометрії; розподіл мікропор визначають за ізотермами сорбції в області об'ємного заповнення мікропор, до початку капілярної конденсації в мезопорах. В методі ртутної порометрії ртуть вдавлюють у пористе тіло. Оскільки ртуть не змочує тіла, зі збільшенням тиску заповнюються дрібніші пори. Окрім ртуті можна використовувати рідини, що змочують пористі тіла. Такі рідини заповнюють пори самовільно, і при визначенні розмірів пор рідина з них видавлюється. Тиск зростає по мірі витиснення рідини з пор; зазвичай рідину видавлюють з пор за допомогою газу.

В мезопорах відбувається конденсація пари на ввігнутій поверхні адсорбційної плівки: чим менше радіус кривизни цієї плівки, тим менший тиск р,. Згідно з рівнянням Кельвіна

,

де p ₀-тиск насиченої пари над пласкою поверхнею, r₁ і r₂-головні радіуси кривизни меніска конденсату, σ - поверхневий натяг рідкого сорбата, V_m- його молярний об'єм, R - газова постійна, T - абсолютна температура, К - подвоєна кривизна поверхні. Радіус кривизни меніска пов'язаний з розміром пор співвідношенням, що залежить від форми пор у прийнятій моделі й від товщини адсорбційної плівки. Для розрахунків розподілу пор за розмірами використовується переважно десорбційна область капілярно-конденсаційного гістерезису й модель циліндричних пор, для яких К = 2/r. Ізотерма сорбції дозволяє обчислити радіус пор r і сумарний об'єм пор з радіусом > r. У результаті одержують інтегральну криву, графічне диференціювання якої дає дані про інтервал розмірів пор у зразку і їх переважних розмірів.

Рисунок 8.1 - Інтегральна (а) і диференціальна (б) криві залежності об'єму пор V від їхнього радіуса r для силікагелю, отримані за капілярною конденсацією бензолу.

В реальних пористих тілах випаровування конденсату із внутрішніх частин гранули залежить від заповнювання тих пор, які розташовані ближче до її периферії. Тому деякі пори виявляються блокованими і їхнє звільнення від конденсату фактично визначається не їхніми розмірами, а розмірами пор, що блокують. Більш точна оцінка пористої структури можлива на основі решіткових моделей, що враховують взаємозв'язок пор, і на основі теорії перколяції й фрактальної геометрії в додаток до опису капілярної конденсації у системах з великим числом випадково зв'язаних елементів. Повне вивчення всіх пор можливо лише комплексним застосуванням декількох незалежних методів.