На главную

  Совет научной молодёжи
  Института катализа им. ГК. Борескова СО РАН

Вход | Регистрация | Карта сайта
| Расширенный поиск

Книги и пособия
Кафедра катализа и адсорбции
Кафедра физической химии
Версия для печати | Главная > Образование > Книги и пособия > Лекции > В.Б.Фенелонов

Содержание курса "Адсорбция и пористая структура"

В.Б.Фенелонов - Введение в основы адсорбции и текстурологии


для студентов кафедры "катализ и адсорбция" ФЕН НГУ,
IV курс, VII семестр, специальность "Химия",
лекции 32 часа, семинары 24 час., лабораторные занятия 84 час.

составитель д.х.н. Фенелонов В.Б.

Лекция 1. Введение в общую теорию поверхностных явлений. Терминология: адсорбция, физадсорбция, хемосорбция, абсорбция, сорбция, адсорбент, адсорбат, адсорбтив, микропоры, мезо и макропоры. Типы межмолекулярных взаимодействий: дисперсионное, индукционные, электростатическое ориентационное, кулоновское, водородная связь, донорно-акцепторные, специфические и неспецифические. Уравнение Леннард-Джонса, ван-дер-ваальсовские и леннард-джонсовские размеры молекул. Адсорбция на поверхности ( мономолекулярная, полимолекулярная ), в объеме микропор, капиллярная конденсация ( определение )

Лекция 2. Динамический характер адсорбции. Классификация изотерм адсорбции. Динамический характер адсорбции. Связь времени "жизни в адсорбированном состоянии" с теплотой адсорбции. Изотермы Генри, Ленгмюра ( кинетичес-кий вывод, физический смысл ), изотермы Френкеля-Хелси- Хилла, Фаулера-Гугенгейма. Уравнение БЭТ, основные постулаты и принципы вывода, молекулярные посадочные площадки в заполненном монослое. Кластеры.

Лекция 3. Элементы термодинамики поверхностных явлений на плоской поверхности: разделяющая поверхность Гиббса, поверхностные избытки. Изотерма адсорбции Гиббса. Поверхностное натяжение, поверхностная энергия и поверхностное давление. Поверхностно-активные и инактивные вещества. Уравнение Хилла-де Бура. Работа и теплота адсорбции, "чистая" теплота адсорбции.

Лекция 4. Экспериментальные методы измерения изотерм адсорбции: (волюметрия, гравиметрия, проточные и др.), теплот адсорбции и смачивания. Калориметры. Метод тепловой десорбции. Хемосорбционные методы изерения актив-ой поверхности. Связь дифференциальных и изостерических теплот адсорбции.

Лекция 5. Начальные участки изотерм адсорбции: определение поверхности и микропористости традиционными методами. Метод БЭТ и его недостатки. Сравнительный метод анализа изотерм адсорбции, стандартные изотермы адсорбции, расчеты для систем с модифицированной поверхностью или содержащих микропоры. Теория объемного заполнения микропор (ТОЗМ), измерение объема и размера микропор, измерение активной поверхности катализаторов.

Лекция 6. Современное состояние теории адсорбции: Современные подходы, основанные на статистической и молекулярной физике. Методы адсорбционного компютерного эксперимента. Интегральные методы, общие понятия о методах потенциала среднего поля, молекулярной динамики и Монте Карло. Возможности и перспективы. Современные взгляды на особенности заполнения микропор и поверхности.

Лекция 7. Закономерности термодинамики поверхностных явлений в трехфазных системах: адгезия и когезия, контактный угол смачивания, средняя кривизна поверхности. Элементы термодинамики на искривленных поверхностях раздела: зависимость химического потециала от кривизны поверхности, уравнения Юнга-Дюпре, Лапласа, Кельвина. Равновесная форма менисков жидкости в простейших моделях. Обратимая и необратимая капиллярная конденсация в простейших моделях (цилиндрический капилляр, мениски между сферическими частицами). Ртутная порометрия в простейших моделях.

Лекция 8. Капиллярно-конденсационный гистерезис в простейших моделях пор, правило Гурвича, уравнение Уилера, стандартные методы расчета распределения объема пор по эффективным размерам, их недостатки. Эффекты кооперативного заполнения при капиллярной конденсации.

Лекция 9. Геометрия (текстура) пористых тел: текстура, классификации Киселева, Дубинина, Радушкевича и др."Бритва Оккама". Решетки пор и частиц. Системный набор моделей. Основные параметры текстуры: удельная поверхность, пористость, пикнометрическая, кажущаяся, насыпная плотность. Размер и форма частиц, пор и контактных сечений между ними. Расчет средних размеров частиц и пор через коэффициенты формы. Понятия о статистике их распределения по размерам.

Лекция 10. Моделирование ансамблей пор и частиц. Фракталы. Модель хаотично расположенных сфер. Элементы теории перколяция -задачи узлов и связей, примеры их практического приложения. Ртутная порометрия в статистических решетках. Размеры кластеров.

Лекция 11. Элементарные механизмы образования дисперсных систем. Роль текстуры в катализе. Способы получения высокодисперсных систем, изменения свободной энергии при диспергировании и фазовых превращениях. Гомогенное и гетерогенное зародышеобразование, влияние адсорбции. Изменения объема при фазовых превращениях. Псевдоморфозы, топотаксия. Механизмы агрегации и дезагрегации. Стабильность золей, слои Штерна-Гельмгольца и Гуи-Чепмена, изменения энтропии при диспергировании. Лиофобные и лиофильные системы.

Лекция 12. Элементарные механизмы формировния и эволюции двухфазных систем. Механизмы массообмена в коллоидных системах (переконденсация, зарас-тание или срастание, процессы при гидротермальной обработке ). Механизмы процессов спекания. Химические транспортные реакции. Спекание нанесенных катализаторов, роль взаимодействия с носителем, редиспергирование. Спекание в присутствии жидкой фазы.

Лекция 13. Элементарные механизмы формирования и эволюции трехфазных систем. Механизмы, определяющие равновесие и перенос флюида в 3-фазных системах Г-Ж-Т. Типы доменов. Испарение в модельных кластерах типа Г-Ж-Т, стадия сушки в приготовлении нанесенных катализаторов. Адсорбционно- контактная сушка, жидкофазные нанесенные катализаторы.

Лекция 14. Формирование текстуры типичных носителей и адсорбентов. Пределы и механизмы изменений пористости при сушке влажных гелей и осадков. Пределы и механизмы изменений удельной поверхности при сушке и термообработке. Стадии и механизмы формирования текстуры силикагелей, получаемых золь-гель методом, формирование через коагели. Особенности формирования текстуры кристаллизующихся систем. Формирование текстуры саж, покрытий из пироуглерода, сибуниты. Формирование текстуры КВУ.

Лекция 15. Прикладные задачи адсорбции. Адсорбция в задачах очистки, концентрирования и выделения, аккумулирования и хранения (вещества и эергии), демпфирование-стабилизация концентраций, адсорбенты в тепловых машинах и др. Динамика адсорбции: уравнения Шилова, Вильсона, Викке, уравнения материального и теплового баланса. Роль формы изотерм адсорбции. Фронт адсорбции. Методы TSA и PSA.

Лекция 16. Прошлое, настоящее и будущее адсорбции и текстурологии. Подведение итогов: адсорбция, пористая структура, адсорционно- капиллярные процессы в формировании структуры катализаторов. История вопроса: от алхимии через флогистон к современной компьютиризированной химии в XXI век, роль и связь с общей историей химии и естествознания.

Рекомендуемая литература.

1. С.Грег, К.Синг Адсорбция, удельная поверхность, пористость.- М. Мир, 1984.

2. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматогра-фии.- М. Высшая школа, 1986.

3. Адамсон А. Физическая химия поверхности.- М., Мир, 1979.

4. Джейкок М.,Парфит Дж. Химия поверхности раздела фаз.- М. Мир, 1984

5. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия.- М. МГУ, 1982.

6. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии.- Л. Наука, 1974.

7. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности.-М.,Мир, 1986.

8. Гиббс Дж.В. Термодинамика, статистическая механика.- М. Наука, 1982.

План лабораторных работ.

Лабораторная работа 1. Измерение удельной поверхности катализаторов Измерения проводятся по изотерме адсорбции N2 при 77 К на автоматизированной адсорбционной волюметричской установке ASAP-2400 фирмы Micromeritics ( лаборатория исследования текстуры ИК, к.136)

Работа включает тренировку образцов, измерение 5-10 экспериментальных значений величин адсорбции при разных относительных давлениях в области Р/Р 0.05-0.3, построение графика изотермы, расчет удельной поверхности методом БЭТ и сравнительным методом, расчеты по разным уравнениям изотерм адсорб-ции, термодинамические расчеты.

Лабораторная работа 2. Исследование распределения пор по размерам адсорб-ционным методом на автоматизированной адсорбционной установке ASAP-2400. ( лаборатория исследования текстуры ИК, к.136)

Работа включает тренировку образцов, измерение 20-30 экспериментальтальных значений величин адсорбции, соответствующих равновесию на адсорбционной и десорбционной ветвях изотермы, построение соответствующих графиков, расчет по этим изотермам распределения объема и поверхности пор с эффективными размерами до 100 нм.

Лабораторная работа 3. Измерения распределения пор по размерам методом ртутной порометрии.

Измерения проводятся на ртутном поромере PoreSizer 9300 или AutoPore 9200. Работа включает тренировку образцов, измерение кривых вдавливания ртути и построение по ним дифференциальных и интегральных графиков распределения объема и поверхности пор в диапазоне эффективных размеров 3-3*103 нм.

Семинарские занятия

1. Семинар:- решение задач по взаимосвязи текстурных характеристик пористых тел: связь морфологии и дисперсности частиц и пор с величинами удельной поверхности, соотношения между размерами частиц и пор в моно- и полидисперсных системах, виды плотности и пористости и др.).

2. Семинар: решение задач по адсорбционно-капиллярным явлениям для закрепления материалов курса (уравнения Гиббса, Лапласа, Кельвина и т.д.).

3. Семинар- практическое использование курса "Адсорбция и пористая структура". На этом семинаре студенты делают доклады по индивидуальным заданим, основанные на использовании материалов курса в решении задач выбранной ими дипломной (курсовой) работы.

4. Семинар- консультация по подготовке к экзамену, типовые вопроосы и типовые ошибки и т.д.



Copyright © catalysis.ru 2005-2016