SORPCJA WILGOCI SORPCJA WILGOCI

Transkrypt

1 SORPCJA WILGOCI Materiały porowate o właściwościach hydrofilowych chłoną wilgoć z powietrza w ilości zaleŝnej od jego wilgotności względnej. Chłonięcie W ten sposób wilgoci z powietrza nazywa się sorpcją, a oddawanie jej do powietrza otoczenia - desorpcją. Pomiędzy cząsteczkami kaŝdej substancji znajdującej się w jednym ze stanów skupienia działają siły, zwane ogólnie siłami międzycząsteczkowymi lub molekularnymi. W głębi fazy siły te się równowaŝą, a ich wypadkowa jest równa zeru. Cząsteczki znajdujące się na powierzchni graniczących ze sobą faz lub w jej pobliŝu, podlegają działaniu niezrównowaŝonych sił ze strony tych faz. Wypadkowe tych sił skierowane są prostopadle do płaszczyzny powierzchni granicznej. Zatem cząsteczki powierzchniowe znajdują się w innym stanie energetycznym niŝ cząsteczki wnętrza fazy. Ta dodatkowa energia, zwana energią powierzchniową, powoduje szereg szczególnych właściwości obszaru powierzchniowego, bardzo znacznie róŝniących się od właściwości wewnętrznych części fazy. Nadmiar energii powierzchniowej moŝna obniŝyć przez zmniejszenie powierzchni, lub przez redukcję nadmiernej energii wiązania atomów powierzchniowych, w wyniku adsorpcji cząstek pary wodnej z otaczającego powietrza. Adsorbowana warstewka Jest tym grubsza im wyŝsze Jest względne ciśnienie pary wodnej zawartej w powietrzu, czyli Jego wilgotności względna. Zatem wraz ze wzrostem wilgotności powietrza wzrasta zawartość wody w materiale porowatym. Krzywe przedstawiające równowagową zwartość wilgoci w ciele stałym, przy róŝnych stęŝeniach wilgoci w otoczeniu przy stałej temperaturze, noszą nazwę izoterm sorpcji sorpcyjna Absorpcja polega na przenikaniu jakiejś substancji w masę sorbentu (absorbentu). Proces ten przebiega powoli i stan równowagi w niektórych przypadkach ustala się po bardzo długim czasie. Adsorpcja polega na zjawisku powierzchniowego przyciągania się niektórych substancji. JednakŜe procesy związane z adsorpcją róŝnią się między sobą i w związku z tym rozróŝniamy 3 rodzaje adsorpcji: sorpcję powierzchniową, adsorpcję kondensacyjną, chemisorpcję.

2 Sorpcja powierzchniowa (adsorpcja właściwa) polega na zagęszczeniu się substancji na powierzchni adsorbentu pod działaniem sił przyciągania między-cząsteczkowego (sił Van der Waalsa). Procesy sorpcji odbywają się bardzo szybko. JeŜeli mamy do czynienia z adsorbentem w postaci ciała porowatego, proces sorpcji moŝe ulec pewnemu opóźnieniu w zaleŝności od przelotowości porów i naczyń włoskowatych, jednakŝe czas ten w praktyce wynosi kilka lub kilkanaście minut. Adsorpcja kondensacyjna (tzw. kondensacja włoskowata lub kapilarna) polega na skraplaniu par lub gazów w porach adsorbentu. Zjawiska te naleŝą do odwracalnych i przebiegają bardzo szybko. Chemisorpcja polega na zagęszczaniu się substancji adsorbowanych na powierzchni adsorbentu dzięki działaniu sił wartościowości. Powierzchnia adsorbentu uzyskuje jednocząsteczkową warstwę mało trwałego związku chemicznego pomiędzy cząsteczkami adsorbentu (np. porowatego materiału budowlanego) a cząsteczkami substancji adsorbowanej (np. wody). W praktyce badań wilgotności materiałów budowlanych te trzy rodzaje sorpcji traktuje się łącznie, poniewaŝ przebiegają one najczęściej równocześnie. Procesy zawilgocenia wskutek wymienionych wyŝej zjawisk sorpcji zachodzą często równocześnie z procesami wywołanymi procesami absorpcji, co w rezultacie powoduje trudności w rozróŝnianiu tych zjawisk. Zjawiska adsorpcji w dalszym ciągu dla uproszczenia będziemy nazywali zjawiskami sorpcji i traktowali jako typowe zjawisko powierzchniowe. Doświadczalnie stwierdzono, Ŝe ilość substancji adsorbowanej jest proporcjonalna do powierzchni porów adsorbentu, jeŝeli oczywiście pomiędzy tymi substancjami nie zachodzą róŝnice natury chemicznej. Ilość substancji adsorbowanej przez dany adsorbent zaleŝy takŝe od temperatury, przy czym im niŝsza jest temperatura, tym większa jest sorpcja. Jedynie przy sorpcji chemicznej moŝe zachodzić wzrost sorpcji wraz z podwyŝszeniem temperatury

3 Typowa izoterma sorpcji materiału kapilarno-porowatego przedstawiona jest na wykresie poniŝej. MoŜna na niej wyróŝnić trzy fazy procesu sorpcji, a mianowicie: I. Pierwsze stadium, charakteryzujące się wypukłością izotermy sorpcji ku górze, kiedy na powierzchni porów jest adsorbowana tylko monomolekularna warstwa cząstek wody (odpowiada ono zakresowi wilgotności powietrza od 0 do 15-20%). Pierwsza zaadsorbowana warstwa ma największą energię wiązania, a jej własności najbardziej odbiegają od właściwości wody swobodnej. II. Drugie stadium, kiedy jest adsorbowana bi- i polimolekulama warstwa cząsteczek wody (energia adsorpcji maleje dla kaŝdej kolejnej warstwy). III. Trzecie stadium, kiedy zaczyna zachodzić kapilarna kondensacja. Na izotermach sorpcji okres ten charakteryzuje się szybkim wzrostem wilgotności materiału. Zjawisko kondensacji kapilarnej zaczyna zachodzić przy wilgotności względnej powietrza około 60%.

4 PRZEBIEG BADANIA Sorpcyjność materiałów budowlanych bada się najczęściej tzw. metodą eksykatorową. W przebiegu badania wydzielić moŝna 4 etapy: 1. Przygotowanie próbki, 2. Suszenie próbki, 3. Proces sorpcji przy ustalonej wilgotności powietrza. 4. Określenie wilgotności sorpcyjnej. Wykonanie oznaczenia 1) Przygotowanie próbki. Materiał rozdrabniamy do granulacji 1-2 mm. Części pylaste materiału naleŝy odsiać, aby sztucznie nie zwiększać powierzchni adsorpcyjnej. MoŜliwe jest takŝe badanie większych próbek materiału, ale wówczas badanie trwa znacznie dłuŝej. 2) Suszenie próbki. Rozdrobnioną próbkę umieszczamy W naczyńku o znanym cięŝarze m t a następnie suszymy. Większość materiałów suszy się w temperaturze 105 C. Materiały, które mają temperaturę przemiany fazowej niŝszą lub zawierają związaną krystalicznie naleŝy suszyć się w odpowiednio niŝszej temperaturze (np. gips w temperaturze 70 0 C). Ustalenie, czy próbka jest juŝ wysuszona, polega na kilkakrotnym zwaŝeniu próbki w poszczególnych odstępach czasu. Próbkę uznaje się za suchą, wtedy gdy nie ma juŝ ubytków masy w czasie. KaŜdorazowo próbki wyjęte z suszarki powinny być studzone do temperatury C. W celu uniknęcia adsorpcji próbkę naleŝy suszyć w eksykatorze zawierającym silny sorbent (np. Ŝel krzemionkowy, węglan wapnia).

5 3) Proces sorpcji. Wysuszoną do stałej masy próbkę umieszczamy w eksykatorze o stałej znanej wilgotności względnej powietrza ϕ: eksykator próbka rozdrobnionego materiału roztwór utrzymujący określoną wilgotność. Okresowym waŝeniem sprawdzamy ustalenie się cięŝaru próbki. Zmieniając kolejno wilgotność względną powietrza w eksykatorze, ustalamy przyrost cięŝaru próbki w zaleŝności od róŝnych wartości wilgotności powietrza. Dla utrzymania niezmiennej wilgotności powietrza w czasie trwania sorpcji próbkę najlepiej umieszczać w atmosferze nad nasyconym roztworem soli. Stan nasycenia charakteryzuje się obecnością kryształów soli na dnie roztworów. względna powietrza nad róŝnymi roztworami jest następująca: Roztwór LiCl 12% MgCl 32% Mg/N0 3 / 2 54% NaCl 75% KN0 3 95% H %

6 OPRACOWANIE WYNIKÓW Na podstawie danych uzyskanych z pomiarów sporządzamy wykres izotermy sorpcji wilgoci, wyznaczając na jednej osi układu wilgotność względną powietrza ϕ,, na drugiej wilgotność wagową w materiału w procentach Na podstawie wyników badań wykreśla się krzywą stanowiącą izotermę sorpcji danego materiału.

7 BADANIE SORPCJI MATERIAŁU Rodzaj Rodzaj Temperatura Temperatura i struktura i dokładność suszenia w laboratorium w laboratorium materiału wagi [g] [ C] [ C] [%] Masa naczyńka [g] Proces suszenia Masa próbki [g] Proces sorpcji ϕ Masa m t = Data waŝenia próbki sorpcyjna w srp m mt Masa próbki 12% wilgotnej [g] 32% m mt = 54% Masa próbki suchej 75% [g] 95% m st = 100% sorpcyjna materiału w stosunku wagowym [%] w srp mmt mst = 100% = m m st t WYKONAWCY: data, podpis prowadzącego UWAGI: Wykres izotermy sorpcji sporządzić po ostatnim pomiarze (dla wilgotności 100%) na papierze milimetrowym.