Wykład 5 Fizykochemiczne podstawy procesów przemysłu spożywczego - wykład 7

(1)

Fizykochemiczne podstawy procesów przemysłu spożywczego -

wykład 7 Anna Ptaszek

Wykład 5

Fizykochemiczne podstawy procesów przemysłu spożywczego - wykład 7

Anna Ptaszek

Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

30 października 2018

(2)

Zjawiska powierzchniowe

Adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorbentu):

adsorpcja fizyczna: substancja adsorbująca adsorbat wiąże się z powierzchnią fazy stałej siłami van der Waalsa, adsorpcja chemiczna (chemisorpcja): polega na wiązaniu cząsteczek adsorbatu z powierzchnią ciała stałego za pomocą wiązań atomowych lub jonowych.

Adsorpcja to samorzutny proces egzotermiczny (tak jak skraplanie pary czy krzepnięcie cieczy). Ilość ciepła wydzielana podczas adsorpcji fizycznej jest zbliżona wartością do ciepła skraplania, natomiast w przypadku chemisorpcji do ciepła reakcji chemicznej.

(3)

Zjawiska powierzchniowe

(4)

Zjawiska powierzchniowe

Izoterma Freundlicha

pi si

st enie adsorbatu ci nienie adsorbatu uamek powierzchni adsorbentu zajty przez adsorbat

(5)

Zjawiska powierzchniowe

ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A: θ_A ułamek wolnej powierzchni adsorbenta: θ₀

θ_A+ θ₀ = 1

ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A:

θ_A = K_A· p_A

opisuje tzw. izoterma Henry’ego. Odpowiada ona warunkom niewielkich ciśnień(/stężeń) adsorbatu.

(6)

Zjawiska powierzchniowe

szybkość adsorpcji A:

radsA= kad· p_A· θ₀ szybkość desorpcji A:

r_desA= k_de · θ_A stała sorpcji K_A

K_A = k_adsA

k_desA = θ_A p_A· θ₀ czyli:

θ_A = K_A· p_A· θ₀

(7)

Zjawiska powierzchniowe

θA+ θ0 = 1 łącząc dwa równania:

K_A· p_A· θ₀+ θ₀ = 1 θ₀· (1 + K_A· p_A) = 1

możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni adsorbentu:

θ0 = 1

1 + K_A· p_A

(8)

Zjawiska powierzchniowe

Izoterma adsorpcji w przypadku skraplania powierzchniowego

pi

ci nienie adsorbatu uamek powierzchni adsorbentu zajty przez adsorbat

(9)

Zjawiska powierzchniowe a katalizatory

Katalizator to substancja, której obecność w mieszaninie reakcyjnej powoduje nie tylko obniżenie bariery energetycznej (energii aktywacji) ale i może zmienić mechanizm reakcji na preferowany. Skutkiem zastosowania katalizatora jest zwiększenie szybkości reakcji.

Aby katalizator zadziałał musi dojść do kontaktu pomiędzy substratem (substratami) i katalizatorem.

(10)

Kataliza heterogeniczna

Belviso et al. (2015) Microporous and Mesoporous Materials, 212

(11)

Kataliza heterogeniczna

(12)

Kataliza heterogeniczna - etapy

powierzchnia zewn trzna

powierzchnia wewn trzna centrum

aktywne

(13)

Kataliza heterogeniczna - etapy

1 2

3-5

7 6

(14)

Kataliza heterogeniczna - etapy

1 2

3-5 7 6

1 - dyfuzja do zewnętrznej powierzchni, 2 - dyfuzja wewnątrz porów katalizatora, 3 - adsorpcja na powierzchni katalizatora,

4 - reakcja na powierzchni (centrum aktywne katalizatora), 5 - desorpcja produktów z powierzchni,

6 - dyfuzja produktów reakcji z powierzchni porów, 7 - dyfuzja z powierzchni zewnętrznej.

(15)

Kataliza heterogeniczna - enzymy

powierzchnia zewn trzna

powierzchnia wewn trzna centrum

aktywne

(16)

Kataliza heterogeniczna - enzymy

Wikipedia: Karol Głąb pl.wiki

(17)

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

Reakcja:

A −→ B

ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez substrat A: θ_A ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez produkt B: θB

ułamek wolnej powierzchni katalizatora: θ0

θA+ θB+ θ0 = 1 θA = KA· p_A· θ₀ θB = KB· p_B · θ₀

(18)

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

θA+ θB+ θ0 = 1 łącząc dwa równania:

K_A· p_A· θ₀+ K_B · p_B · θ₀+ θ₀= 1

możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni katalizatora:

θ0 = 1

1 + K_A· p_A+ K_B· p_B

(19)

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

szybkość reakcji zużywania substratu A:

r_A = k · θ_A rA = k · KA· p_A· θ₀

stosując najprostszy mechanizm reakcji I rzędowej:

r_A= k · K_A· p_A· 1

1 + KA· p_A+ KB · p_B ostatecznie otrzymujemy:

r_A = k · K_A· p_A 1 + KA· p_A+ KB· p_B

(20)

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

ogólne równanie szybkości procesu:

r_A = (KIN)(SN) (SORPC )ⁿ KIN - człon kinetyczny,

SN - siła napędowa, SORPC - człon sorpcyjny.

r_A = k · K_A· p_A 1 + KA· p_A+ KB· p_B

(21)

Kataliza heterogeniczna - dezaktywacja

zatruwanie,

blokowanie powierzchni, starzenie.

(22)

Kataliza homogeniczna

A + X −→ B + X X - katalizator

szybkość zużywania substratu A:

rA = k · SA· S_X