Adsorption Chimique - Une Introduction à la Technique Analytique d'Adsorption Chimique par Micromeritics

Sujets Couverts

Introduction
Différenciation de l'Adsorption Matérielle et Chimique
La Relation de la Sorption Chimique à la Catalyse
Techniques et Méthodes de Sorption Chimique pour le Bilan des Catalyseurs
Énergies Extérieures
Résumé

Introduction

Des Catalyseurs sont utilisés dans un grand choix d'applications de la production des biens de consommation à la protection de l'environnement. Le design Optimum et l'utilisation efficace des catalyseurs exige une compréhension complète de la chimie extérieure de structure et de surface du matériau actif. Les techniques d'analyse d'adsorption Chimique (« sorption chimique ") fournissent une grande partie des informations nécessaires pour évaluer des matériaux de catalyseur pendant le design et les phases de production, ainsi qu'après une période d'utilisation. Bien Qu'un catalyseur et les réactifs et les produits puissent être de beaucoup de formes, les catalyseurs hétérogènes utilisés généralement d'adresses de cet article.

Différenciation de l'Adsorption Matérielle et Chimique

Une caractéristique distinctive d'un matériau solide est une distribution de faibles sites énergétiques extérieurs. Les molécules de Gaz ou de vapeur peuvent devenir attachées à ces sites. Ceci décrit généralement le phénomène d'adsorption. La quantité de molécules reprises par la surface dépend de plusieurs conditions et caractéristiques techniques extérieures comprenant la température, la pression, la distribution d'énergie extérieure, et la surface du solide. Un traçage de la quantité de molécules adsorbées contre la pression à la température constante est appelé l'isotherme d'adsorption.

L'adsorption Matérielle (« physissorpton ") est le résultat des forces d'interaction de Van der Waal's relativement faible entre la surface solide et l'adsorbant - une attraction matérielle. L'adsorption Matérielle est facilement renversée.

Selon le gaz et solide, le phénomène d'adsorption peut également avoir comme conséquence le partage des électrons entre l'adsorbant et la surface solide - une liaison chimique. C'est adsorption chimique et à la différence de physisorption, il est difficile renverser sorption chimique. Une quantité significative d'énergie habituellement est exigée pour retirer les molécules chimiquement adsorbées.

L'adsorption Matérielle a lieu sur toutes les surfaces à condition que les états de la température et de pression soient favorables. La Sorption Chimique, cependant, se produit seulement entre certains adsorbants et substance adsorptive et seulement si la surface est nettoyée des molécules précédemment adsorbées. Dans des conditions correctes, l'adsorption matérielle peut avoir comme conséquence les molécules adsorbées formant des couches multiples. La Sorption Chimique, d'autre part, se produit seulement tant que l'adsorptif peut établir le contact direct avec la surface ; on le considère habituellement un procédé à une seule couche.

Une caractéristique de l'adsorption matérielle est que presque toutes les molécules adsorbées peuvent être retirées par l'évacuation à la même température à laquelle l'adsorption s'est produite. Le Chauffage accélère la désorption parce qu'il effectue facilement disponible aux molécules adsorbées l'énergie nécessaire pour échapper au site d'adsorption.

Une molécule chimiquement adsorbée est fortement liée sur la surface et ne peut pas s'échapper sans afflux d'une quantité d'énergie relativement grande comparée à celle nécessaire pour libérer une molécule matériel liée. Cette énergie est fournie par la chaleur et souvent très des températures élevées sont exigées pour nettoyer une surface des molécules chimiquement adsorbées.

Physisorption tend à se produire seulement aux températures près ou ci-dessous de la remarque bouillante de l'adsorptif à la pression actuelle. Ce n'est pas le cas avec la sorption chimique. La Sorption Chimique habituellement peut avoir lieu aux températures bien au-dessus de la remarque bouillante de l'adsorptif.

La Relation de la Sorption Chimique à la Catalyse

Un catalyseur est un matériau qui affecte les tarifs d'une réaction chimique. Un catalyseur ne peut pas entraîner une réaction qui autrement ne se produirait pas ; il seulement peut augmenter les tarifs auxquels la réaction approche l'équilibre. La surface métal actif de ` d'un' se compose de sites de sorption chimique. Les catalyseurs Supportés sont ceux sur lesquels a finement divisé des textures du métal actif sont expulsés sur un matériel de support. Ces textures situées sur la surface du support sont disponibles pour réagir avec l'adsorptif.

Si les tarifs accélérés de la réaction étaient simplement dus à une plus grande concentration des molécules sur la surface, la catalyse pourrait résulter de l'adsorption matérielle des réactifs. Ce n'est pas le cas ; la sorption chimique est une phase essentielle, modifiant apparemment le réactif (la molécule adsorbée) pour le rendre plus réceptif à la réaction chimique. La dépendance de la catalyse à l'égard former les clichés intermédiaires actifs d'obligation de surface est une raison pour laquelle sorption chimique car une technique analytique est si principale dans l'étude de la catalyse.

Les Stades d'un cycle hétérogène de réaction catalytique sont :

  1. diffusion (transport) des réactifs sur la surface du catalyseur
  2. sorption chimique des réactions de surface de réactifs parmi des substances chemisorbed
  3. libération des produits des catalyseurs
  4. diffusion des produits à partir de la surface du catalyseur pour laisser réutiliser à la phase 1

La Prévision de l'efficience des phases 1 et 5 est facilitée par les techniques analytiques telles que l'adsorption matérielle et le mercure porosimetry, qui caractérisent la porosité du bâti de catalyseur, le monolithe de catalyseur, ou les différentes textures du matériau de catalyseur. Caractérisant les phases 2, 3, et 4 est le domaine des analyses de sorption chimique.

Techniques et Méthodes de Sorption Chimique pour le Bilan des Catalyseurs

Des analyses de Sorption Chimique peuvent être appliquées pour déterminer l'efficacité relative d'un catalyseur en introduisant une réaction particulière, ou être utilisées à l'intoxication de catalyseur d'étude et en surveillant la dégradation de l'activité catalytique au fil du temps de l'utilisation. Des analyses Isothermes de sorption chimique sont exécutées par deux techniques de sorption chimique : a) sorption chimique volumétrique statique, et b) sorption chimique dynamique (de gaz circulant). La technique volumétrique est pratique pour obtenir une mesure à haute résolution de l'isotherme de sorption chimique de la pression très basse à la pression atmosphérique essentiellement à n'importe quelle température d'ambiant à C 1000 oou plus grand proche.

La sorption chimique de Pouls, une technique circulante de gaz, type est exécutée à la pression ambiante. Après Que l'échantillon ait été nettoyé dans un flux du gaz inerte, de petites quantités d'un réactif sont injectées jusqu'à ce que l'échantillon soit saturé. Un détecteur étalonné de conduction thermique (TCD) est employé pour déterminer la quantité de molécules de réactif reprises par les sites actifs sur chaque injection. Des Premières injections peuvent chemisorbed totalement ; lors de la saturation aucun des injections postérieures pas chemisorbed, indiquant la saturation. Le nombre de molécules du gaz chemisorbed est directement lié à la surface active de matériau actif.

La quantité de gaz chemisorbed par gramme d'échantillon combiné avec la connaissance de la stoechiométrie de la réaction et la quantité de métal actif mélangée au matériel de support pendant la formulation du catalyseur permet à la dispersion en métal de % d'être prévue. Ceci peut être un indicateur important de la performance du catalyseur et d'une mesure économique importante de la façon dont efficacement le métal actif cher est utilisé dans un produit de catalyseur.

La Désorption Température-Programmée (TPD), la Température A Programmé la Réduction (TPR) et l'Oxydation Température-Programmée (TPO) sont trois méthodes non-isothermes pour caractériser des catalyseurs. la désorption Température-Programmée type n'utilise pas un aspirateur, de meilleures conditions de simulation trouvées dans des applications industrielles réelles. Dans l'analyse de TPD, des matériaux sont mis dans une cellule de prélèvement et traités préalablement pour nettoyer les surfaces d'active. Ensuite, un gaz ou une vapeur sélecté chemisorbed sur les sites actifs jusqu'à ce que la saturation soit réalisée, après quoi les molécules restantes sont rincées avec un gaz inerte.

La Température (énergie) est augmentée à des tarifs réglés tandis qu'un débit constant du gaz inerte est mis à jour au-dessus de l'échantillon. Le gaz inerte et toutes les molécules désorbées sont surveillés par un détecteur de conduction thermique. Le signe de TCD est proportionnel à la quantité de molécules désorbées en tant qu'énergie thermique surmonte l'énergie de liaison. Les Quantités désorbées aux températures particulières fournissent des informations au sujet du nombre, de la force, et de l'hétérogénéité de sites de sorption chimique.

la réduction Température-Programmée est principalement employée pour étudier la réductibilité de la substance telle que des oxydes métalliques dispersés sur un support. Ceci concerne circuler un flot d'un hydrogène dilué (ou d'un agent réducteur différent) au-dessus de l'échantillon à mesure que la température d'échantillon est augmentée. La quantité d'hydrogène absorbée et le profil de température sous lesquels la réduction a eu lieu sont mesurés. Un traçage de la quantité d'hydrogène absorbée contre la température peut produire un ou plusieurs crêtes et les données obtenues indiquent le nombre de substance réductible dans l'échantillon, ainsi que leurs énergies de lancement.

l'oxydation Température-Programmée est exécutée pour examiner le point auquel un catalyseur peut être oxydé de nouveau. Habituellement l'échantillon est traité préalablement et les oxydes métalliques sont réduits au métal non précieux. L'échantillon est passionné à des tarifs uniformes car le gaz de réactif, l'oxygène en général de 2%, est appliqué à l'échantillon dans les pouls ou, alternativement, car un flot régulier. La réaction d'oxydation se produit à une température particulière et la prise donnante droit de l'oxygène est mesurée.

Énergies Extérieures

Quand une surface solide est exposée à un adsorptif, les sites les plus énergétiques sont occupés d'abord. La chaleur de l'adsorption à un degré particulier de couverture extérieure (charge) peut être prévue utilisant l'équation de Clausius- Clapeyron. Cette expression décrit la chaleur de l'adsorption isostère en termes de pression, température, et constante de gaz et s'applique particulièrement aux données obtenues par des techniques volumétriques d'adsorption.

L'isostère chauffe de l'adsorption sur un domaine de couverture peut être obtenu à partir des isosteres d'adsorption, qui sont des traçages de pression contre la température à un volume constant adsorbé. Les isosteres sont extraits d'une famille des isothermes obtenues pour le même matériau aux différentes températures. La pente d'un isostere tracé sur une échelle logarithmique (le lnP contre 1/T)n fournit un point d'informations (qst, n), où n représente le degré de couverture associé avec l'isostere. Un traçage des remarques assimilées pour différents degrés de couverture décrit la distribution d'énergie extérieure en fonction de la couverture. Aides de la Cette information en prévoyant l'activité d'un catalyseur vers une réaction chimique particulière à une température particulière.

De l'énergie de Lancement peut également être déduite des données obtenues par la technique dynamique de sorption chimique, en particulier TPD. Le procédé est par cette méthode dans le sens inverse en tant que cela décrit pour la technique volumétrique statique. Dans le cas actuel, la chaleur (énergie) est appliquée et, à mesure que la température augmente, des molécules sont libérées par ordre plus faible métallisation. Les molécules désorbées sont balayées loin et aucun readsorption n'est permis de se produire. Les tarifs de la modification de la couverture extérieure, ou du chargement, sont liés aux tarifs du changement de la température.

Les tarifs de la désorption moléculaire simple peuvent être modélisés utilisant la cinétique de la ?ère commande généralement exprimée comme - le kq, où k est la constante de tarifs, le signe négatif indiquant une réduction de couverture avec du temps, et le q représente le degré actuel de couverture extérieure.

La constante k de tarifs peut être exprimée sous la forme d'Arrhenius, A exp (- E/RTA), où EA est l'énergie de lancement pour la désorption, T est température absolue, et R la constante de gaz. A est connu comme facteur preexponential.

La Combinaison des relations et des équations a présenté au-dessus d'éventuel fournit une expression pour l'énergie de lancement en termes de variables qui peuvent être déterminées par des analyses de TPD.

Résumé

La Sorption Chimique est un procédé principal dans la catalyse hétérogène. La Compréhension du procédé de sorption chimique associé avec un catalyseur et un réactif est principale à régler la composition et la fabrication des catalyseurs et pour le bilan de catalyseur. Par Conséquent, les instruments analytiques capables de mesurer l'adsorption chimique et matérielle et les isothermes et ceux de désorption capables d'analyser des réactions temperatureprogrammed sont des puissants outils dans l'étude de la catalyse.

Cet article est une version condensée d'un article plus complet intitulé « Adsorption Chimique, » comme Technique Analytique, disponible site Web sur Micromeritics'.

Micromeritics Instrument Corporation

Source : Micromeritics Instrument Corporation.

Pour plus d'informations sur cette source rendez visite s'il vous plaît à Micromeritics Instrument Corporation.

Date Added: Jul 2, 2010 | Updated: Sep 11, 2013

Last Update: 11. September 2013 07:32

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