Wykład 5. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemiczne podstawy procesów przemysłu

Transkrypt

1 Wykład 5 Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego 30 października / 22

2 Zjawiska powierzchniowe Adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorbentu): adsorpcja fizyczna: substancja adsorbująca adsorbat wiąże się z powierzchnią fazy stałej siłami van der Waalsa, adsorpcja chemiczna (chemisorpcja): polega na wiązaniu cząsteczek adsorbatu z powierzchnią ciała stałego za pomocą wiązań atomowych lub jonowych. Adsorpcja to samorzutny proces egzotermiczny (tak jak skraplanie pary czy krzepnięcie cieczy). Ilość ciepła wydzielana podczas adsorpcji fizycznej jest zbliżona wartością do ciepła skraplania, natomiast w przypadku chemisorpcji do ciepła reakcji chemicznej. 2 / 22

3 Zjawiska powierzchniowe 3 / 22

4 Zjawiska powierzchniowe Izoterma Freundlicha u amek powierzchni adsorbentu zaj ty przez adsorbat st enie adsorbatu ci nienie adsorbatu si pi 4 / 22

5 Zjawiska powierzchniowe ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A: θ A ułamek wolnej powierzchni adsorbenta: θ 0 θ A + θ 0 = 1 ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A: θ A = K A p A opisuje tzw. izoterma Henry ego. Odpowiada ona warunkom niewielkich ciśnień(/stężeń) adsorbatu. 5 / 22

6 Zjawiska powierzchniowe szybkość adsorpcji A: szybkość desorpcji A: r adsa = k ad p A θ 0 r desa = k de θ A stała sorpcji K A czyli: K A = k adsa k desa = θ A p A θ 0 θ A = K A p A θ 0 6 / 22

7 Zjawiska powierzchniowe łącząc dwa równania: θ A + θ 0 = 1 K A p A θ 0 + θ 0 = 1 θ 0 (1 + K A p A ) = 1 możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni adsorbentu: θ 0 = K A p A 7 / 22

8 Zjawiska powierzchniowe Izoterma adsorpcji w przypadku skraplania powierzchniowego u amek powierzchni adsorbentu zaj ty przez adsorbat Pi n ci nienie adsorbatu pi 8 / 22

9 Zjawiska powierzchniowe a katalizatory Katalizator to substancja, której obecność w mieszaninie reakcyjnej powoduje nie tylko obniżenie bariery energetycznej (energii aktywacji) ale i może zmienić mechanizm reakcji na preferowany. Skutkiem zastosowania katalizatora jest zwiększenie szybkości reakcji. Aby katalizator zadziałał musi dojść do kontaktu pomiędzy substratem (substratami) i katalizatorem. 9 / 22

10 Kataliza heterogeniczna Belviso et al. (2015) Microporous and Mesoporous Materials, / 22

11 Kataliza heterogeniczna 11 / 22

12 Kataliza heterogeniczna - etapy centrum aktywne powierzchnia zewn trzna powierzchnia wewn trzna 12 / 22

13 Kataliza heterogeniczna - etapy / 22

14 Kataliza heterogeniczna - etapy dyfuzja do zewnętrznej powierzchni, 2 - dyfuzja wewnątrz porów katalizatora, 3 - adsorpcja na powierzchni katalizatora, 4 - reakcja na powierzchni (centrum aktywne katalizatora), 5 - desorpcja produktów z powierzchni, 6 - dyfuzja produktów reakcji z powierzchni porów, 7 - dyfuzja z powierzchni zewnętrznej. 14 / 22

15 Kataliza heterogeniczna - enzymy centrum aktywne powierzchnia zewn trzna powierzchnia wewn trzna 15 / 22

16 Kataliza heterogeniczna - enzymy Wikipedia: Karol Głąb pl.wiki 16 / 22

17 Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości Reakcja: A B ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez substrat A: θ A ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez produkt B: θ B ułamek wolnej powierzchni katalizatora: θ 0 θ A + θ B + θ 0 = 1 θ A = K A p A θ 0 θ B = K B p B θ 0 17 / 22

18 Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości łącząc dwa równania: θ A + θ B + θ 0 = 1 K A p A θ 0 + K B p B θ 0 + θ 0 = 1 możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni katalizatora: θ 0 = K A p A + K B p B 18 / 22

19 Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości szybkość reakcji zużywania substratu A: r A = k θ A r A = k K A p A θ 0 stosując najprostszy mechanizm reakcji I rzędowej: 1 r A = k K A p A 1 + K A p A + K B p B ostatecznie otrzymujemy: r A = k K A p A 1 + K A p A + K B p B 19 / 22

20 Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości ogólne równanie szybkości procesu: r A = (KIN)(SN) (SORPC) n KIN - człon kinetyczny, SN - siła napędowa, SORPC - człon sorpcyjny. r A = k K A p A 1 + K A p A + K B p B 20 / 22

21 Kataliza heterogeniczna - dezaktywacja zatruwanie, blokowanie powierzchni, starzenie. 21 / 22

22 Kataliza homogeniczna A + X B + X X - katalizator szybkość zużywania substratu A: r A = k S A S X 22 / 22