Testování nových druhů adsorpčních materiálů pro odstraňování organických látek z plynů

Transkript

1 Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší Technická 5, Praha 6 Testování nových druhů adsorpčních materiálů pro odstraňování organických látek z plynů Semestrální projekt Vypracoval: Veronika Vrbová Školitel: Doc. Ing. Karel Ciahotný, CSc. Praha, květen 2007

2

3 Souhrn V poslední době se v nabídce komerčně vyráběných adsorpčních materiálů objevily nové adsorbenty na bázi gumy a grafitu. Cílem semestrálního projektu bylo porovnání adsorpčních vlastností těchto nových adsorbentů s vlastnostmi klasických adsorpčních materiálů na bázi aktivního uhlí, silikagelu nebo zeolitů při odstraňování par organických látek z odpadního vzduchu. Za použití průtočné metody byly zjištěny adsorpční izotermy toluenu a vody pro několik zvolených adsorpčních materiálů za různých experimentálních podmínek. Na základě získaných výsledků byla posouzena vhodnost použití nových typů adsorbentů k odstraňování par organických látek z odpadního vzduchu. Adsorpční izotermy byly měřeny v laboratoři průtočnou gravimetrickou metodou. Tato metoda umožňuje měření několika paralelně zapojených vzorků současně za naprosto stejných podmínek.

4 Obsah 1 Úvod Teoretická část Metody odstraňování organických látek z odpadního vzduchu Adsorpce Adsorpční rovnováha Desorpce Adsorpční materiály Vlastnosti adsorpčních materiálů Druhy adsorpčních materiálů Cíle práce Experimentální část Použité adsorbenty Použité adsorptivy Měření adsorpčních izoterem Výsledky a diskuze Výsledky měření Adsorpce toluenu Adsorpce vody Diskuze výsledků Adsorpce toluenu Adsorpce vody Závěr...25 Seznam symbolu...27 Seznam obrázku...28 Seznam tabulek

5 1 Úvod Mezi látky nejvíce znečišťující ovzduší patří oxid siřičitý, oxidy dusíku a organické látky. Právě emise těkavých organických látek se stávají předmětem stále většího zájmu, zejména díky svému negativnímu vlivu na ozónovou vrstvu a tvorbu přízemního ozónu. Velká množství látek znečišťujících, zapáchajících a ohrožující životní prostředí jsou produkována z průmyslových výrob, ze zemědělství a potravinářství. Dále v technologických procesech, ve kterých se používají organická rozpouštědla, jako například lakovny, barvírny a tiskárny. Dalšími významnými zdroji jsou procesy výroby a zpracování paliv, skladování pohonných hmot a těkavých organických látek a výrobní procesy používající lepidel ředěných organickými rozpouštědly, ale také spalovací motory používané v dopravě. V mnoha technologických procesech se uvolňují páry organických látek, které je třeba z procesu odstraňovat, protože vykazují škodlivé účinky na lidské zdraví. Mnoho z nich má prokázané karcinogenní, mutagenní i teratogenní účinky. Některé organické látky mají narkotické účinky a poškozují centrální nervovou soustavu. Jednou z metod často používaných k odstraňování par organických látek z odpadních plynů je adsorpce. Účinnost a provozní náklady konkrétního adsorpčního zařízení závisejí mimo jiné také na typu použitého adsorbentu. V poslední době bylo vyvinuto a zavedeno do průmyslové výroby několik typů nových adsorbentů, které dle tvrzení jejich výrobců mají svými užitnými vlastnostmi předčit tradiční adsorbenty na bázi aktivního uhlí, silikagelu nebo zeolitických molekulových sít. Cílem této semestrální práce bylo provést porovnání několika nových adsorbentů s tradičními adsorpčními materiály při adsopci par organických látek a adsorpci vodní páry za srovnatelných podmínek. 2

6 2 Teoretická část 2.1 Metody odstraňování organických látek z odpadního vzduchu Jedním ze způsobů odstraňování par organických látek z pracovního i venkovního ovzduší je jejich adsorpce na pevných adsorbentech. Nejvíce používány jsou průmyslově vyráběné uhlíkaté adsorbenty, ale jejich vysoká cena a použitelnost nás vede k hledání nových adsorpčních materiálů. Využívají se také zeolity, které vykazují vysoké adsorpční schopnosti pro organické látky s malými molekulovými hmotnostmi. V současné době se objevují nové adsorbenty na bázi gumy a grafitu. 2.2 Adsorpce Adsorpce je separační proces, při kterém dochází ke hromadění plynné nebo kapalné látky na povrchu pevné látky účinkem mezipovrchových přitažlivých sil. Adsorpcí lze z plynů a par odstraňovat některé látky v nich přítomné. Základní pojmy Adsorbent pevná látka, která je schopna na svůj povrch vázat molekuly či atomy jiné látky Adsorptiv - látka v tekuté nebo plynné fázi, která se může adsorbovat na povrchu adsorbentu Adsorpt molekula, která je navázána na povrchu adsorbentu Adsorbát společný komplex adsorptu a adsorbentu Definice základních pojmů vysvětlena na Obr. 1 3

7 adsorptiv adsorbent adsorbát adsorpt Obr. 1. Definice základních pojmů. Při adsorpci látek na povrchu adsorbentu rozlišujeme fyzikální a chemickou adsorpci, tzv. chemisorpci. Při fyzikální adsorpci jsou molekuly adsorptu vázány poměrně slabými mezimolekulárními van der Waalsovými silami. Při chemisorpci dochází mezi adsorbovanými molekulami a adsorbentem k chemické vazbě. Vytvoří se pouze jedna vrstva adsorbovaných molekul na aktivních centrech. Bývá pomalejší než fyzikální adsorpce, ale její rychlost s rostoucí teplotou roste. Průběh adsorpce je charakterizován adsorpční rovnováhou, která určuje maximální množství látky, které je za daných podmínek možné adsorbovat a rychlostí adsorpce, která určuje rychlost tohoto děje. Na sílu vazby má velký vliv velikost pórů, protože k adsorpci dochází právě na povrchu porézního systému [1]. Póry rozdělujeme podle jejich velikostí: mikropóry s průměrem menším než 2 nm mezopóry s průměrem 2 až 50 nm makropóry s průměrem větším než 50 nm 4

8 2.2.1 Adsorpční rovnováha Adsorpční rovnováha je popsána funkční závislostí vyjadřující množství adsorptu zachycené na adsorbentu jednotkové hmotnosti v závislosti na koncentraci daného adsorptivu v okolí adsorbentu, tedy adsorpčními izotermami nebo izobarami. Nejpoužívanějšími adsorpčními izotermami jsou Freundlichova, Langmuirova, Dubininova a BET. Freundlichova adsorpční izoterma Freundlichova adsorpční izoterma předpokládá adsorpci ve více vrstvách a v logaritmickém tvaru představuje přímkovou závislost [2]. X = K F. p m (1) X p K F m skutečně adsorbované množství adsorptu [mmol/g] tlak v plynné fázi [Pa] Freundlichova konstanta exponent Langmuirova adsorpční izoterma Předpokládá adsorpci pouze v monovrstvě. Všechna adsorpční centra jsou si energeticky rovna a každé adsorpční centrum může být obsazeno pouze jednou molekulou. Adsorbované molekuly se navzájem neovlivňují [2]. X m K L = s X m, mono (2). 1+ K p p p. p L s X m skutečně množství adsorptu vztažené na jednotkovou hmotnost adsorbenty [mmol/g] X m,mono množství, které odpovídá monomolekulárnímu pokrytí celého povrchu [mmol/g] p tlak par adsorptivu [Pa] p s K l tlak sytých par adsorptivu [Pa] konstanta Langmuirovy teorie 5

9 Dubininova adsorpční izoterma Umožňuje odhad průběhu adsorpčních izoterem libovolných látek v podkritické oblasti ze znalosti průběhu adsorpční izotermy jedné látky. Vystihuje také teplotní závislost adsorpce. Z adsorpční izotermy konkrétní látky je možné vypočíst průběh adsorpčních izoterem této látky na stejném adsorbentu pro jiné teploty v podkritické oblasti. Takto vypočtené hodnoty se poměrně dobře shodují s experimentálním měřením [2]. W a = V T 0 n T p0 exp B log β p n (3) a adsorbované množství látky [kmol/kg] W o limitní objem adsorpčního prostoru [m 3 /kg] V t molární objem adsorptu [m 3 /kmol] B konstanta specifická pro adsorbent [K -n ] β afinitní koeficient p o tenze sytých par adsorptivu za dané teploty [Pa] p tlak par adsorptivu [Pa] T teplota adsorpce [K] BET teorie Předpokládá adsorpci ve více vrstvách. Pro adsorpci v první vrstvě platí stejné podmínky jako u Langmuirovy teorie. Molekuly adsorbované v dalších vrstvách mají vlastnosti kapaliny [2]. x C V V m V V Cx = 1 (4) ( x)( 1 x Cx) m + relativní tlak konstanta související s adsorpčním teplem množství adsorptu [mmol/g] množství adsorptu potřebné pro vytvoření monomolekulární vrstvy [mmol/g] 6

10 2.3 Desorpce Desorpce je opačný proces než adsorpce. Dochází k uvolnění adsorbovaných molekul z povrchu pevné látky (adsorbentu) zpět do mobilní fáze. Desorpce se dosahuje: zvýšením teploty adsorbentu zmenšením koncentrace (snížením parc. tlaku) adsorptivu v okolním prostředí proplachováním proudem neutrálního plynu 2.4 Adsorpční materiály Vlastnosti adsorpčních materiálů Specifickým povrchem se rozumí celkový povrch pórů nacházejících se uvnitř adsorpčního materiálu. Vnitřním povrchem adsorbentů se rozumí celkový povrch kanálků, které se nacházejí uvnitř adsorpčního materiálu. Objem adsorpčních pórů je objem, který se zaplní adsorptem při úplném nasycení až do rovnovážného stavu. Polarita adsorpčního materiálu vyjadřuje schopnost poutat polární či nepolární látky. Polární adsorbenty adsorbují polární látky a nepolární adsorbenty jsou vhodné pro nepolární látky. Sypná hmotnost je hmotnost adsorpčního materiálu naplněného v nádobě o jednotkovém objemu, včetně nevyplněného prostoru mezi zrny. Zdánlivá hustota vyjadřuje hmotnost jednotkového objemu adsorbentu, kdy je objem vztažen k adsorpčnímu materiálu, včetně objemu pórů, avšak bez objemu volného prostoru mezi jednotlivými zrny adsorbentu. Skutečná hustota je hmotnost pouze adsorpčního materiálu bez objemu pórů. 7

11 2.4.2 Druhy adsorpčních materiálů Uhlíkaté adsorpční materiály Mezi hlavní druhy uhlíkatých adsorbentů patří aktivní koks, aktivní uhlí a uhlíkatá molekulová síta. Všechny tyto materiály mají stejný vzhled, ale liší se svými fyzikálními vlastnostmi, např. velikostí vnitřního povrchu a svými adsorpčními schopnostmi. Aktivní koks je adsorpční materiál s méně rozvinutým adsorpčním povrchem, který se nejčastěji vyrábí z hnědého a černého uhlí. Při výrobě se většinou neprovádí jeho aktivace a adsorpční povrch se vytváří jen v procesu karbonizace suroviny. Má vysokou mechanickou pevnost, proto je možné ho opakovaně použít [1]. Aktivní uhlí se vyrábí v několika formách, např. práškové, kusové, extrudované nebo impregnované. V oblasti čištění plynu se používá především kusové nebo formované aktivní uhlí. Vnitřní povrch aktivního uhlí je větší, než u aktivního koksu [1]. Uhlíkatá molekulová síta se označují sorbety s převládající jednotkovou velikostí vstupních otvorů do porézního systému. Adsorpční povrch těchto materiálů se pohybuje ve stovkách m 2 na jeden gram materiálu [1]. Základní vlastnosti nejběžnějších druhů uhlíkatých adsorbentů uvádí tabulka 1. Tabulka 1 Základní vlastnosti uhlíkatých adsorbentů Uhlíkatý adsorpční materiál Vnitřní povrch (m 2 /g) Sypná hmotnost (g/dm 3 ) Zdánlivá hustota (g/dm 3 ) Skutečná hustota (g/dm 3 ) Objem ads. pórů (cm 3 /g) Aktivní koks do 0,15 Aktivní uhlí ,2-0,8 Molekulové síto ,2-0,4 Uhlíková vlákna a tkaniny ,4-1,0 8

12 Silikagel Silikagel je granulovitá, pórovitá forma SiO 2 vyráběná synteticky z křemičitanu sodného. Má vysokou porozitu, vnitřní povrch kolem 800 m 2 /g, což umožňuje adsorbovat vodu a další polární látky. Po nasycení vodou může být regenerován ohřátím na 150 C. Silikagel je netoxický, nehořlavý a chemicky vysoce odolný Zeolity Zeolity nacházejí stále nové možnosti využití v ochraně životního prostředí. Mají schopnost selektivně adsorbovat molekuly plynů a par, vratně adsorbovat a desorbovat vodu a vyměňovat vlastní kationty za kationty z roztoku na základě iontové selektivity. Ve struktuře zeolitu může být zachycena pouze taková molekula, jejíž průměr je menší než průměr kanálků. Adsorpčních vlastností zeolitů se využívá například k pohlcování nepříjemných zápachů v pracovním prostředí, protože jsou schopné dobře adsorbovat různé polární látky, jako je např. amoniak a sulfan. Zeolity jsou přírodní nebo uměle vyrobené krystalické látky na bázi hydratovaných hlinitokřemičitanů, jejichž mimořádné vlastnosti jsou dány specifickou krystalickou stavbou. Základní stavební jednotkou je tetraedr [SiO 4 ] spolu s tetraedrem [AlO 4 ]. Tetraedr [AlO 4 ] nese záporný náboj, který je vyrovnáván kationty alkalických kovů a kovů alkalických zemin, převážně Li +, Na +, K +, Ca 2+ a Sr 2+ [3]. Chemické složení zeolitů je možné popsat sumárním vzorcem: Me z+ (m/z)[al m. Si n. O 2(n+m) ]. q H 2 O Granulovaná pryž Granulovaná pryž má velkou přilnavost, ošetřený povrch není kluzký, nepráší. Znečišťující látky zůstanou pevně vázány, čistá voda je propouštěna. Po použití stačí materiál sebrat a uložit jej do původního obalu. Dodává se v podobě plovoucích polštářů, koberců a norných stěn. Po nasycení se materiál likviduje spalováním ve vysokých pecích, cementárnách nebo k tomu určených spalovnách. Granulovaná pryž se připravuje mletím 9

13 pryže v mlýnech s rýhovanými válci, vzniká jemná nešpinící netoxická drť, která plave na vodě a má velkou adsorpční schopnost. Pryžová drť vzniklá z recyklace pneumatik je vhodná k sorpci benzínu, nafty, olejů, methanolu, ethanolu, butylalkoholů, parafínů, pyridinu, ftalátů. Někdy bývá ve směsi se struskovým pískem [4] Adsorbent na bázi grafitu Vysoce účinný sorbent s hydrofobním povrchem tmavě šedé až černé barvy, s vysokou tepelnou a zvukovou izolační schopností, vysokou tepelnou odolností a nízkou objemovou hmotností. Tyto adsorbenty mají obsah uhlíku % hm. Jsou schopny sorbovat petrochemické a ropné látky nerozpustné ve vodě, ale i látky těžší než voda. Účinně sorbují i jiné toxické látky, kyseliny, alkoholy, dále těžké kovy, škodlivé plyny, oleje. Většinu sorbovaných látek je možné působením tlaku nebo odstředivé síly získat ve stavu vhodném pro další použití [5]. 10

14 3 Cíle práce na průtočné laboratorní aparatuře proměřit adsorpční izotermy par toluenu a vody na souboru adsorpčních materiálů obsahujícím nové typy adsorbentů na bázi gumy a grafitu a dále klasické adsorbenty na bázi aktivního uhlí, silikagelu a zeolitických adsorbentů na základě získaných výsledků posoudit vhodnost použití nových typů adsorbentů k odstraňování par org. látek z odpadního vzduchu 11

15 4 Experimentální část Cílem semestrálního projektu bylo porovnat adsorpční vlastnosti různých typů adsorbentů. pomocí adsorpčních izoterem pro vybranou organickou látku a vodní páru. K práci bylo použito celkem deset různých druhů komerčně dostupných adsorpčních materiálů. 4.1 Použité adsorbenty K testování byly použity následující druhy komerčně dostupných adsorpčních materiálů: Polycomp adsorbent na bázi gumy, vyráběný firmou PolyComp. Vyřazené pneumatiky se zpracovávají termolýzou při teplotě 650 C bez přístupu vzduchu, čímž vzniká výhřevný energetický plyn a pevný zbytek. Dodáván ve formě pryžové drtě. Obr. 3. Polycomp Sorbeum adsorbent na bázi grafitu s vysokou tepelnou odolností. Adsorbent s hydrofobním povrchem ve tvaru vloček. 12

16 Obr. 4. Sorbeum Silcarbon (SC) 40 uhlíkatý adsorpční materiál (aktivní uhlí), dodávaný ve formě lisovaných válečků o průměru 4 mm firmou Silcarbon. Obr. 5. Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ - kombinovaný adsorbent složený z aktivního uhlí a silikagelu. Je určen pro adsorpci polárních a nepolárních látek. Je dodáván ve formě kuliček o průměru 4 mm firmou Engelhard Process Chemicals GmbH. 13

17 Obr. 6. Envisorb B+ Trockenperlen H adsorbent na bázi silikagelu. Je dodáván ve formě kuliček o průměru 3 mm firmou Engelhard Process Chemicals GmbH. Obr. 7. Trockenperlen H Klinoptilolit přírodní zeolit pocházející z ložiska Nižný Hrabovec na Slovensku. Obr. 8. Klinoptilolit 14

18 Chezacarb B 6 vysocevodivé saze vyráběné ve tvaru nepravidelných granulí o velikosti 0,5 2,5 mm firmou Chemopetrol. Jsou produktem zplyňovacího procesu těžkých ropných zbytků parciální oxidací při teplotách nad 1200 C. Obr. 9. Chezacarb B-6 Molekulové síto 5 A syntetický zeolit, dodávaný ve formě válečků o rozměrech 2x4mm firmou PROCATALYSE Usine de Salindres ve Francii. Obr. 10. Molekulové síto 5A Hefite uhlíkatý adsorpční materiál na bázi aktivního uhlí prodávaný v ČR firmou DK Group a.s. Jihlava. 15

19 Obr. 11. Hefite SGW H adsorbent na bázi silikagelu dodávaný firmou Silcarbon. Obr. 12. Silcarbon SGW-H 4.2 Použité adsorptivy Pro měření byly jako adsorptivy použity voda a toluen. Toluen je čirá bezbarvá kapalina s aromatickým zápachem, patří mezi těkavé organické látky (VOC). Teplota varu je 111 C a teplota tání činí -93 C. Slouží jako rozpouštědlo v barvách, nátěrech, při tiskařských pracích, barvení kůže a k výrobě benzenu a dalších chemikáliíí. Jako těkavá organická látka se spoluúčastní vzniku fotochemického smogu. 4.3 Měření adsorpčních izoterem Adsorpční izotermy byly měřeny průtočnou gravimetrickou metodou. Tato metoda umožňuje testování až 10 paralelně zapojených vzorků adsorbentů současně, za naprosto 16

20 stejných podmínek. Přírustky hmotnosti adsorptu byly zjišťovány v pravidelných dvouhodinových intervalech vážením. Měření bylo prováděno až do ustanovení rovnováhy. Poté byl odečten celkový hmotnostní přírůstek adsorptu a cyklus byl opakován při dalším parciálním tlaku adsorptivu. Meření bylo prováděno při teplotě 20 C a při relativním tlaku adsorptivu 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 0,9. Konstantní teplota byla v aparatuře udržována pomocí vodního chladiče. Vzduch, čerpaný čerpadlem do aparatury, byl nejprve zbaven vzdušné vlhkosti kondenzací ve vymražovací trubici, která byla ponořena do roztoku ethanolu s přídavkem methanolu a byla chlazena suchým ledem. Druhým stupněm sušení byla adsorpce vodní páry na silikagelu a třetím stupněm bylo dosušování adsorpcí na molekulovém sítu 5A. Vysušený vzduch byl poté rozdělen do dvou proudů. První proud byl veden do dvou sériově zapojených probublávacích lahví s fritou, v nichž byl zcela nasycen párami adsorptivu. Druhý proud vzduchu byl použit pro ředění prvního proudu a ve směšovací lahvi došlo ke smísení obou proudů. Tím bylo dosaženo potřebného parciálního tlaku par organické látky ve vzduchu. Regulace průtoků jednotlivých proudů byla prováděna pomocí jehlových ventilů. Ze směšovací lahve byla směs vedena do deseti adsorbérů. Hmotnost adsorbované organické látky byla zjišťována po dvou hodinách vážením adsorbérů na analytických vahách. Měření probíhalo až do té doby, dokud nebyla ustanovena rovnováha hmotnosti ve všech deseti adsorbérech. Silikagel byl regenerován každý týden a molekulové síto 5A bylo regenerováno každý den při teplotách 220 C. Vymražovací trubice byla vyměňována každé dvě hodiny. 17

21 Obr. 2. Aparatura pro měření adsorpčních izoterem průtočnou metodou. Legenda: 1 vzduchové membránové čerpadlo, 2 láhev pro vyrovnání pulsů, 3 regulační ventil, 4 kondenzační sušení, 5 sušení na silikagelu, 6 sušení na molekulovém sítu, 7 jehlový ventil, 8 kapilární průtokoměr, 9 sycení parou organické látky v probublávacích lahvích s fritou, 10 směšovací lahev, 11 adsorbéry se vzorky, 12 odvod nezachycených par do digestoře, 13 chladič, 14 vstup chladící vody, 15 výstup chladící vody, 16 teploměr, 17 infralampa, 18 relé, 19 ventilátor, 20 kontrolní teploměr, 21 termostatovaná skříň Fotografie aparatury, ve které bylo měření prováděno je v příloze 1. 5 Výsledky a diskuze 5.1 Výsledky měření Adsorpce toluenu Množství naadsorbované látky v hmotnostních procentech bylo vypočítáno dle vztahu: m A m 3 m 2 =.100 (5) m m

22 m A m 1 m 2 m 3 hmotnost naadsorbované látky na jeden gram adsorbenty [g] hmotnost prázdného adsorbéru [g] hmotnost adsorbéru s adsorbentem [g] hmotnost adsorbéru s nasyceným adsorbentem [g] Tabulka 2 Hmotnosti adsorbérů před nasycením (g) Hmotnost Hmotnost Hmotnost Číslo vzorku Označení vzorku prázdného adsorbéru s suchého adsorbéru adsorbentem adsorbentu 1 Polycomp 36, ,3130 2, Sorbeum 38, ,4629 0, Silcarbon (SC) 40 37, ,4840 3, Envisorb B+ 36, ,9626 4, Trockenperlen H 38, ,5584 5, Klinoptilolit 35, ,8406 9, Chezacarb B , ,7641 1, Molekulové síto 5A 37, ,2515 4, Hefite 36, ,4273 3, SGW H 34, ,3119 6,

23 Tabulka 3 Relativní tlak toluenu Polycomp Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H Tabulka 4 Relativní tlak toluenu Polycomp Hmotnosti adsorbérů po nasycení do rovnovážného stavu (g) 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 0,9 39, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,815 41, , , , , , ,5606 Adsorbovaná množství toluenu (hm.%) 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 0,9 0,00 0,11 1,06 1,91 10,04 25,49 Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H 0,00 0,65 1,20 2,46 3,36 5,62 24,50 27,93 35,64 38,27 41,62 43,27 5,06 6,71 12,42 14,60 33,65 57,54 5,56 8,33 17,62 21,85 37,57 39,71 0,33 1,43 4,30 4,30 2,53 4,33 14,22 16,93 23,93 28,07 45,57 72,34 0,44 4,03 6,97 6,97 4,73 6,05 24,19 27,07 32,43 33,83 35,93 37,32 6,08 7,83 17,89 21,54 32,96 34,47 20

24 5.1.2 Adsorpce vody Adsorpce probíhala za stejných podmínek jako adsorpce toluenu. Množství adsorbované látky (v hm.%) bylo opět vypočteno dle vztahu (5). Tabulka 5 Hmotnosti adsorbérů před nasycením (g) Číslo vzorku Označení vzorku Hmotnost prázdného adsorbéru Hmotnost adsorbéru s adsorbentem Hmotnost suchého adsorbentu 1 Polycomp 36, ,5007 2, Sorbeum 3 Silcarbon (SC) 40 4 Envisorb B+ 5 Trockenperlen H 6 Klinoptilolit 7 Chezacarb B Molekulové síto 5A 9 Hefite 10 SGW H 35, ,1433 0, , ,9788 5, , ,3335 5, , ,2999 8, , ,2059 9, , ,2731 2, , ,9667 5, , ,4933 4, , ,032 8,

25 Tabulka 6 Relativní vlhkost (%) Polycomp Hmotnosti adsorbéru po nasycení do rovnovážného stavu (g) , , , ,5307 Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H 36, , , , , , , , , , ,011 43, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,81 43, , , ,

26 Tabulka 7 Adsorbovaná množství vody (hm.%). Relativní vlhkost (%) Polycomp 0,1546 0,2096 0,5290 1,0306 Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B - 6 Molekulové síto 5A Hefite SGW H 0,0000 0,0000 0,0421 2,5231 0,0000 0,6666 5, ,1959 2,5284 6, , ,0316 5, , , ,9335 5,1437 6,4179 7,2413 8,2922 0,0178 1,2780 5, , , , , ,9800 0,1076 0,7752 6, ,7215 6, , , , Diskuze výsledků Adsorpce toluenu Z následujícího Obr. 3 vyplývá, že pro adsorpci toluenu je nejlépe vhodný Chezacarb B 6, který je schopen sorbovat 72,34 hm.%. Adsorbenty Silcarbon (SC) 40, Trockenperlen H, Hefite, SGW H vykazují menší, podobné adsorpční vlastnosti. S vyjímkou Klinoptilolitu a molekulového síta 5A, jejichž adsorpční kapacity jsou velmi malé. Při nízkých koncentracích nejlépe sorbuje adsorbent Sorbeum, který sorboval 25,49 hm%. Pro vysoké kontrace se ukázal nejvhodnější Chezacarb B-6, jehož sorpční kapacita při vyšších koncentracích rychle vzrůstá. Zatím co při relativním tlaku 0,5 Pa adsorbuje 45,57 hm.%, při tlaku 0,9 Pa se adsorpční kapacita zvýšila na 72,34 hm.%. Podobné vlastnosti vykazoval Envisorb B+. jeho adsorpční kapacita byla při tlaku 0,4 Pa téměř 15 hm.% a při tlaku 0,6 Pa dosahovala 57,54 hm.%. 23

27 Adsorpční izotermy pro toluen Adsorbovaná množství toluenu (hm.%) ,5 1 Relativní tlak (Pa) Polycomp Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B-6 Molekulové síto 5A Hefite SGW-H Obr. 3. Adsorpční izotermy pro toluen Adsorpce vody Při měření adsorpce vody lze z Obr. 4 pozorovat nejlepší sorpční kapacitu u adsorbentu Trockenperlen H, který adsorboval 44,93 hm.% a u silikagelu Silcarbon SGW-H, jehož sorpční kapacita byla téměř 39 hm.%. Naopak jako nejméně vhodné pro adsorpci vody se ukázaly adsorbenty Guma a Sorbeum, jejichž adsorpční kapacity byly velmi nízké. Adsorbenty Klinoptilolit a molekulová síta 5A se zvýšily o málo hm.%, ale jejich nárůst byl lineární. Adsorpční izotermy pro vodu Adsorbovaná množství vody (hm.%) Relativní vlhkost (%) Polycomp Sorbeum Silcarbon (SC) 40 Envisorb B+ Trockenperlen H Klinoptilolit Chezacarb B-6 Molekulové síto 5A Hefite SGW-H Obr. 4. Adsorpční izotermy pro vodu. 24

28 6 Závěr Při testování adsorpčních materiálů byly zjištěny adsorpční izotermy pro adsorpci vody a toluenu. Pro adsorpci toluenu se jako nejvhodnější ukázal adsorbent Chezacarb B-6, jehož adsorpční kapacita byla 72,34 hm.%. Nový komerčně dostupný adsorbent na bázi gumy Polycomp se ukázal jako částečně vhodný pro adsorpci toluenu při vyšších koncenracích. Jeho adsorpční kapacita byla 25,49 hm.%. Naproti tomu grafitový adsorbent Sorbeum je pro adsorpci toluenu zcela nevhodný. Pro měření adsorpce vody byly nejvhodnější adsorbenty Trockenperlen H, jehož sorpční kapacita byla 44,93 hm.% a Silcarbon SGW-H, který sorboval téměř 39 hm.%. Adsorbenty Polycomp a Sorbeum se ukázaly jako zcela nevhodné pro adsopci vody. Při relativní vlhkosti do 50% nejlépe sorbovaly Trockenperlen H a Silcarbon SGW-H. naopak při vyšší vlhkosti nejlépe sorboval adsorbent Hefite, který při relativní vlhkosti 50% adsorboval 6,87 hm.%, při relativní vlhkosti 70% byla jeho sorpční kapacita 26,72 hm.%. Vysoký nárůst vykazoval i uhlíkatý adsorbent Silcarbon (SC) 40, který měl při relativní vlhkosti 50 % sorpční kapacitu 5,9 hm.%, při relativní vlhkosti 70 % byla jeho adsorpce 28,2 hm.%. Grafitový adsorbent Sorbeum zvyšoval adsorpční kapacitu při vyšších koncentracích. 25

29 Seznam použité literatury 1. Ciahotný K.; Vlastnosti, výroba a použití uhlíkatých adsorbentů, Vydavatelství VŠCHT, Přednášky TU I 3. Jurová E.; Odstraňování par těkavých organických látek z ovzduší adsorpčním způsobem, diplomová práce, VŠCHT Praha, Kobera L.; Kompozitní materiály z pryžové drtě, diplomová práce, VŠCHT Praha, internetové stránky: 26

30 Seznam symbolu X skutečně adsorbované množství adsorptu [mmol/g] p tlak v plynné fázi [Pa] K F m X m Freundlichova konstanta exponent skutečně množství adsorptu vztažené na jednotkovou hmotnost adsorbenty [mmol/g] X m,mono množství, které odpovídá monomolekulárnímu pokrytí celého povrchu [mmol/g] p s K l a W o V t tlak sytých par adsorptivu [Pa] konstanta Langmuirovy teorie adsorbované množství látky [kmol/kg] limitní objem adsorpčního prostoru [m 3 /kg] molární objem adsorptu [m 3 /kmol] B konstanta specifická pro adsorbent [K -n ] β afinitní koeficient p o T x C V V m tenze sytých par adsorptivu za dané teploty [Pa] teplota adsorpce [K] relativní tlak konstanta související s adsorpčním teplem množství adsorptu [mmol/g] množství adsorptu potřebné pro vytvoření monomolekulární vrstvy [mmol/g] 27

31 Seznam obrázku Obr. 1. Definice základních pojmů. Obr. 2. Aparatura pro měření adsorpčních izoterem průtočnou metodou. Obr. 3. Polycomp Obr. 4. Sorbeum Obr. 5. Silcarbon (SC) 40 Obr. 6. Envisorb B+ Obr. 7. Trockenperlen H Obr. 8. Klinoptilolit Obr. 9. Chezacarb B-6 Obr. 10. Molekulová síta 5A Obr. 11. Hefite Obr. 12. SGW-H Obr. 13. Adsorpční izoterma pro toluen Obr. 14. Adsorpční izoterma pro vodu 28

32 Seznam tabulek Tab. 1. Základní vlastnosti uhlíkatých adsorbentů Tab. 2. Hmotnosti adsorbérů před nasycením (g) Tab. 3. Hmotnosti adsorbérů po nasycení do rovnovážného stavu Tab. 4. Adsorbovaná množství toluenu Tab. 5. Hmotnosti adsorbérů před nasycením Tab. 6. Hmotnosti adsorbérů po nasycení do rovnovážného stavu Tab. 7. Adsorbovaná množství vody 29

33 Příloha 1 Fotografie aparatury 30