جامدهای جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف می شوند و قطر آنها از ۱۲میلی متر تا ۵۰ میکرومتر متغیر است. جاذب ها بر اساس کاربرد و موقعیت مصرف دارای ویژگی متفاوتی می باشند. مثلا اگر از آنها در یک بستر ثابت با جریان گاز یا مایع استفاده می شود، نباید اختلاف فشار زیادی ایجاد کنند و همچنین نباید توسط جریان سیال به خارج حمل شوند. آنها باید از مقاومت و سختی خوبی برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتی که بخواهیم آنها را از ظروف نگهداری به داخل و خارج انتقال دهیم باید به راحتی جریان پیدا کنند. این ویزگی به راحتی قابل شناسایی هستند.
جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها مقداری از گازها و بخارات را جذب می کنند ولی در اهداف صنعتی تنها بعضی جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. در جامداتی که دارای خاصیت جذب بسیار ویژه ای هستند و به مقدار زیاد جذب انجام می دهند، طبیعت شیمیایی آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولی صرف شناسایی شیمیایی برای بیان مفید بودن آنها کافی نیست. وجود سطح زیاد در واحد جرم، برای جاذب های مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلکه سطح بزرگتری است که داخل سوراخها و شکافها را شامل می شود. سوراخها خیلی کوچک بوده و معمولا در حدود چند مولکول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب می شود. ویژگی دیگری وجود دارد که از اهمیت زیادی برخوردار می باشد ولی همه آنها شناخته شده نیستند و برای بررسی قابلیت جذب باید به مشاهده و تجربه اتکا کرد.
فشار بخار یک مایع یا گاز در حفره های موئینه با فشار بخار آن در شرایط عادی متفاوت است. اگر لوله موئینه داشته باشیم فشار بخار کمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت دیگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. یعنی اینکه در لوله های موئینه بخار زودتر میعان می شود. هر چه سوراخهای یک جاذب ریزتر باشد فشار بخار در آن کمتر بوده و عمل میعان زودتر صورت می گیرد بنابراین در جاذبهای میکروپور و مزوپور علاوه بر اینکه روی سطح جامد عمل جذب صورت می گیرد، بدلیل وجود خلل و فرج ریزتر، کندانس شدن گاز نیز صورت می گیرد. هرچند در جاذبهای میکروپور عمل دفع نیز سخت صورت می گیرد.
تأثیر نوع جذب شونده
روشن است که جذب شونده باید به اندازه کافی کوچک باشد تا در حفره های جاذب جای گیرد و دانسیته نیز روی ماکزیمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روی میزان جذب شده مؤثرند، در حالیکه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روی توان جذب مؤثر هستند. اساساً یک جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بیشتر از یک جذب شونده با نقطه جوش پائین تر جذب می شود. شکل جذب شونده نیز تأثیر زیادی دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ می کند.
اثر شرایط فرایند
شرایط موثر بر ظرفیت جذب تعادلی عبارتند از:
۱-غلظت جذب شونده
۲- دمای جذب
در غلظتهای پایین، جذب فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد در حالیکه در غلظتهای بالا، حفره های بزرگتر نیز در جذب شرکت می کنند که در نتیجه ظرفیت جذب تعادلی بالاتر می رود.
دمای جذب روی مقدار انرژی جذب شونده موثراست. به عبارت دیگر دمای جذب بالاتر، معادل ظرفیت جذب پائین تری است. پارامترها و شرایط دیگر فرایند روی ظرفیت جذب اثری نداشته و روی زمان مورد نیاز برای رسیدن به تعادل موثرند.
جاذب ها
جاذب ها دارای خاصیت جذب انتخابی هستند به این معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب میتوانند برخی از موادی را بیشتر از سایر مواد موجود در سامانه جذب کنند. به طور کلی برای هر فرایند جذب، انتخاب جاذب مهمترین قسمت طراحی می باشد در نتیجه باید مواردی نظیر ظرفیت، گزینش پذیری، قابلیت احیا، سینتیک، سازگاری، قیمت و … مورد توجه قرار گیرد که در اینجا به صورت مختصر شرح می دهیم:
ظرفیت
ظرفیت جذب مهمترین ویژگی هر جاذب است و برابر است با مقدار ماده ای که در واحد جرم (یا حجم)جاذب، جذب می شود. این خاصیت به غلظت فاز سیال، دما و دیگر شرایط، به ویژه شرایط اولیه جاذب، بستگی دارد. معمولاً اطلاعات مربوط به ظرفیت جذب، در دمای ثابت و غلظتهای مختلف ماده جذب شونده یا فشار جزئی بخار و یا گاز اندازه گیری می شود و داده های بدست آمده در یک منحنی بنام منحنی همدما رسم می شوند. ظرفیت جذب اصلی ترین فاکتور در تعیین قیمت جاذب می باشد زیرا این فاکتور مقدار جاذب مورد نیاز برای فرایند را مشخص کرده، و همچنین اندازه بستر جذب را تعیین می نماید.
گزینش پذیری
این فاکتور به ظرفیت جذب مرتبط است، ولی تعاریف مشخص دیگری برای این فاکتور نیز وجود دارد. ساده ترین تعریف برای گزینش پذیری عبارتست از نسبت ظرفیت جذب یک جزء به دیگر جزء در غلظت مشخص سیال. این نسبت معمولاً با کاهش غلظت و نزدیک شدن به صفر، به یک مقدار ثابت نزدیک می شود.
قابلیت احیا
تمام فرایندهای جذب سیکلی، بر اساس خاصیت احیای جاذب استوار هستند و همین فاکتور سبب کارکرد یکنواخت جاذبها در فرایندهای سیکلی می شود. در حقیقت قابلیت احیا به این معناست که هر جزء جذب شونده فقط باید به شکل فیزیکی جذب جاذب شود و یا می توان گفت جذب آن بر روی جاذب ضعیف باشد. گرمای جذب، مقدار انرژی لازم برای احیای جاذب را تعیین می کند.
سینتیک
سینتیک انتقال جرم یک واژه کلی است که با مقاومت انتقال جرم درون ذره ای ارتباط دارد. این فاکتور به علت کنترل زمان سیکل فرایندهای جذب با بستر ثابت، دارای اهمیت ویژه ای است.
سازگاری
این فاکتور، اتفاقات شیمیایی و فیزیکی مختلف را که سبب کاهش عمر مفید جاذب می شوند مانند رسوب بیولوژیکی و یا سائیدگی را پوشش می دهد. برای مثال یک جاذب نباید به شکل بازگشت ناپذیر با مواد جذب شونده واکنش دهد. همچنین شرایط عملیاتی مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نباید سبب تجزیه ناخواسته ذرات جاذب شوند.
قیمت
قیمت، ظریف ترین فاکتور برای انتخاب یک جاذب می باشد زیرا حتی برای یک جاذب مشخص، قیمت دارای تغییرات زیادی از یک کمپانی به کمپانی دیگر می باشد. به ندرت یک جاذب تمام شرایط لازم را داراست. برای اینکه یک جاذب به شرایط مورد نظر نزدیک شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود یابد.
جاذب مورد استفاده در هر فرایند باید دارای قابلیت بالایی برای جداسازی جزء مورد نظر باشد، همچنین لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبنای علمی و اصلی برای انتخاب جاذب، هم دماهای تعادلی هستند. از این رو به همدماهای تعادلی همه عناصر و سازنده ها در فشار و دمای عملیاتی و در مخلوط گازی باید توجه کرد.
طول استفاده نشده از بستر (LUB)
طول استفاده نشده از بستر توسط هم دمای تعادلی مشخص می شود و این طول معمولاً نیمی از منطقه انتقال جرم است. هر چه این طول کمتر باشد میزان بهره وری از جاذب و خلوص محصول بالا می رود. توزیع اندازه ذره نیز می تواند در LUB تأثیر داشته باشد ولی اهمیت آن به میزان اهمیت ایزوترم های تعادلی نمی رسد. علاوه بر اینها برای انتخاب جاذب به فاکتورهای دیگری نیز باید توجه کرد. مثلاً برای جریانهای گازی حاوی رطوبت، کربن فعال تنها جاذب تجاری مناسب است زیرا جاذبهای دیگر به یک مرحله خشک کردن مقدماتی نیاز دارند.
روش های احیای جاذب
بسیاری از فرایند های تجاری برای خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده می کنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل می کند درحالی که دیگری، که توسط جریان گاز اشباع شده است، به عنوان یک احیاء کننده عمل میکند. پس از آن نقش دو بستر معکوس می شود و جذب کننده، احیاء کننده می شود در حالیکه بستری که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده می شود. سپس چرخه در بازه زمانی، که از قبل مشخص شده است، تکرار می شود. بنابراین در حالی که هر یک از بسترها به صورت ناپیوسته عمل می کنند، جریان پیوسته خوراک و محصول به صورت پایا در سامانه وجود خواهد داشت. مدت زمان چرخه، در درجه اول بستگی به روش احیاء بستر بوسیله تغییر فشار یا تغییر دما دارد.
در بسیاری از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادی ضروری است. همانگونه که قبلا بیان شد روش های عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:
۱- تناوب دما (TSA)
۲- تناوب فشار (PSA)
۳- خارج کردن با گاز خنثی
۴- جایگزینی با یک جزء قوی تر از نظر قدرت جذب سطحی
انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهای اقتصادی دارد.
تعادل: منحنی هم دمای جذب
منحنی هم دمای جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دمای مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد های جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان می شود. غلظت ماده جذب شده روی جامد به صورت جرم جذب شده به واحد جرم جاذب اولیه مشخص می شود. به منظور اینکه بتوانیم ظرفیت جذب دینامیکی یا عملی را تخمین بزنیم بایستی ابتدا اطلاعاتی را نسبت به تعادل جذب سطحی در حالت استاتیک داشته باشیم. سپس تحلیل سینتیکی بر اساس فرایند های سرعت که بستگی به نوع فرایند های تماس دارد انجام می شود.
برخی اشکال منحنی های هم دما به صورت نمودارهای حسابی شکل ۱-۱ نشان داده شده اند. منحنی هم دمای خطی از مبدا می گذرد و در آن، مقدار ماده جذب شده متناسب با غلظت آن در سیال است. منحنی هم دمایی که انحناء آن ها رو به بالاست، مطلوب خوانده می شود چرا که می توان بار نسبتا زیادی را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدی یک منحنی هم دمای بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت های بسیار پایین مستقل از غلظت است. با افزایش دما مقدار ماده جذب شده در تمام سامانه ها کاهش می یابد، در نتیجه می توان با بالا بردن دما، ماده جذب شده را حتی از سامانه های برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی های هم دمای خطی، واجذبی به دمای بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحنای آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روی جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی های هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درک فرایند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دمای جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دمای نا مطلوب شباهت دارد.
شکل ۱-۱: منحنی هم دمای جذب سطحی
در حالت تعادل بین غلظت در فاز جاذب و غلظت (یا فشار) در فاز سیال و دما رابطه ای به صورت زیر برقراراست q = f (C, T)
که C غلظت تعادلی سیال، T دمای مطلق و q غلظت تعادلی در فاز جاذب است. می توان برای بیان رفتار تعادلی جذب، معادله فوق را در سه حالت مختلف بررسی کرد.
در حالت اول رابطه بین مقدار جذب شده qو غلظت در فاز سیال C در دمای T ایزوترم جذب سطحی نامیده می شود.
q = f© دما ثابت
در حالت دوم رابطه بین غلظت و دما که مقدار ماده جذب شده مشخص q را نتیجه می دهد ایزومتر جذب سطحی می نامند.
C = f (T) میزان جذب ثابت
حالت سوم حالتی است که جذب در فشار ثابت انجام میگیرد و به آن ایزوبار میگویند. در این حالت با تغییر دما، غلظت در فاز جامد تغییر می کند در حالی که فشار سیال ثابت است:
q = f (T) فشار ثابت
برای بیان رفتار تعادلی سیستم های جذب حالت اول یعنی ایزوترم جذب متداولتر است و کاربرد بیشتری دارد.
ایزوترم های جذب سطحی در شکل های مختلف ریاضی بیان می شوند، که بعضی از آن ها بر اساس شکل فیزیکی ساده شده جذب سطحی و دفع هستند در حالیکه سایر روابط، کاملا تجربی هستند و هدف آن است که داده آزمایشگاهی را به صورت معادلات ساده با دو یا سه پارامتر تجربی بیان کنیم. هر چه تعداد پارامترهای تجربی بیشتر باشد، برازش بهتری بین داده آزمایشگاهی و معادله تجربی وجود خواهد داشت ولی معادلات تجربی که به فاکتورهای فیزیکی ربط نداشته باشد، اهمیت عملی خاصی ندارد.
ایزوترم های جذب سطحی
مهمترین ایزوترمهایی که تاکنون مشاهده شده اند به پنج نوع طبقه بندی می شوند در شکل ۱-۲ این پنج نوع، نشان داده شده اند.
