Курсовая работа: Моделирование адсорбции ионов тяжелых металлов на почве при различных значениях pH

Эта проблема может быть решена использованием более дешевых адсорбционно-активных материалов, полученных на основе природных минеральных сорбентов.

Природные минералы, обладающие высокой адсорбционной активностью и используемые для получения промышленных сорбентов, условно можно разделить на два класса: горючие ископаемые (каменный и бурый уголь, сланцы, торф) и природные алюмосиликаты (цеолиты, бентониты, каолины).

К алюмосиликатам, имеющим существенную адсорбционную способность, относят глинистые минералы и цеолиты.

Цеолиты как осадочного, так и вулканического происхождения, благодаря особенностям кристаллического строения, имеют более предпочтительные для условий материального производства адсорбционные свойства, чем глины. Основные направления использования природных цеолитов – адсорбенты воды и органических соединений, катализаторы, ионообменные материалы для поглощения ионов тяжелых металлов.

Природные глинистые минералы уступают по адсорбционным характеристикам цеолитам. Однако наличие крупнейших залежей осадочных пород в центральной части и на юге России, дешевизна разработки обуславливают возможность применения их в качестве адсорбционно-активных материалов и получения на их основе промышленных адсорбентов.

1.1 Основные теории адсорбции

Адсорбция – это концентрирование компонента в поверхностном слое, по сравнению с объемной фазой.

Явление адсорбции обусловлено избытком поверхностной энергии, возникающим вследствие нескомпенсированного действия межмолекулярных сил в поверхностном слое на границе фаз. Величину избытка энергии, называемой поверхностной энергией Гиббса, определяют как произведение поверхностного натяжения s (фактор интенсивности) и площади поверхности раздела фаз s(фактор емкости).

В многокомпонентных системах в адсорбированное состояние предпочтительнее перейдет тот компонент смеси, который сильнее уменьшит межфазное натяжение.

В процессе адсорбции при перераспределении компонентов между поверхностным слоем и объемной фазой происходит изменение их химических потенциалов, поэтому процесс можно также рассматривать как переход поверхностной энергии в химическую. Соотношение между поверхностным натяжением и химическим потенциалом компонентов системы показано фундаментальным адсорбционным уравнением Гиббса:

-ds = SG_i dm_i ,

где G_i =h_i /s– поверхностный избыток адсорбата компонента; в поверхностном слое по сравнению с его равновесной концентрацией в объемной фазе так называемая гиббсовская адсорбция:

G=V (c_{0 i} -c_i )/s,

где V – объем фазы, м³ ;

c_i – равновесная объемная концентрация i-го компонента;

c_{0 i} - исходная объемная концентрация, моль/ м³ ;

m_i – химический потенциал i-го компонента, моль/ м² .

Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы для трехкомпонентной системы (адсорбент, адсорбтив, объемная фаза) равно трем, поэтому для количественной оценки равновесного состояния системы необходимо учитывать следующие параметры:

t – температура процесса; p(c) – парциальное давление пара или газа в объемной фазе или его концентрация; a – адсорбционная емкость адсорбента, количество адсорбата, поглощенного адсорбентом при конкретных условиях.

Для удобства изображения количественных соотношений в состоянии равновесия, один из трех параметров считают постоянным. Поэтому уравнения адсорбционного равновесия записываются тремя закономерностями:

изотермы адсорбции t= const:

1) изотермы адсорбции t= const:

a= f_t (c)= f_t ^` (p);

2) изобары (изопикны) адсорбции p= const, c= const

a= f_c (T)= f_p ^` (T);

3) изостеры адсорбции a= const

c= f_a (T)= f_a ^` (T)

Построение единой теории адсорбции – задача чрезвычайно сложная, нерешенная до настоящего времени. Разработано большое количество теорий, позволяющих рассчитать с определенной долей вероятности величину адсорбции при заданных температуре и парциальном давлении адсорбата [7,11].

1.2 Пористая структура и удельная поверхность адсорбента.