Для практического применения адсорбционного процесса способность адсорбента поглощать определенный адсорбтив, так называемая адсорбционная способность, имеет решающее значение. Поэтому экспериментально определяется равновесная адсорбционная емкость при постоянной температуре как функция равновесной концентрации и соответственно парциального давления. Графическое изображение этой зависимости называется изотермой адсорбции. То есть температурная зависимость парциального давления адсорбтива при постоянной адсорбции. Вид изотермы адсорбции зависит от природы поглощаемого вещества и поглотителя и от температуры процесса. Например, один и тот же активный уголь можно отнести к типу I по адсорбции четыреххлористого углерода и к типу V по адсорбции паров воды.

В литературе приводится множество изотерм адсорбции. Однако все эти многочисленные изотермы, описывающие физическую адсорбцию, можно условно разбить на пять групп, соответствующих пяти группам классификации, первоначально предложенной Брунауэром, Демингом, Демингом и Теллером (БДДТ). Сейчас чаще ссылаются на классификацию Брунауера, Эммета и Теллера (БЭТ).

Рисунок 1 - Пять типов изотерм адсорбции по классификации (БДДТ)

Адсорбция вызывается действием силового поля у поверхности твердого тела (адсорбента), которое притягивает молекулы газа (адсорбата). Создаваемые твердым телом силы притяжения могут быть двух типов: физические и химические. Они обусловливают либо физическую адсорбцию, либо соответственно хемосорбцию. Количество адсорбированного вещества, приходящегося на 1г твердого тела, зависит от равновесного давления p, температуры T, а так же от природы газа и твердого тела. Следовательно,

x=ƒ (p,T,газ, тв. тело). (3)

Для газа, адсорбированного при фиксированной температуре на твердом теле, уравнение (3) принимает вид

x= ƒ (p),T,газ тв. тело . (4)

Если температура газа ниже его критической температуры, то есть он является паром, более удобна другая форма уравнения

x= ƒ (p|p0),T,газ тв. тело, (5)

где p0 – давление насыщенного пара адсорбата. Уравнения (4) и (5) представляют уравнения изотермы адсорбции, связывающее количество адсорбированного при фиксированной температуре на данном твердом теле данного газа с его давлением [8].

В соответствии с эмпирической классификацией, впервые предложенной Брунауэром, различают несколько основных типов изотерм адсорбции в зависимости от их вида. Тип I соответствует мономолекулярной адсорбции, остальные полимолекулярной. Изотерму I часто называют лэнгмюровской, так как уравнение Лэнгмюра описывает именно такие изотермы. Изотермы II типа называют S-образными. Остальные изотермы специальных названий не имеют. Для практического использования в адсорбционной технике представляют интерес преимущественно типы I, II и IV, поскольку при подобных видах изотерм достигаются высокие сорбционные емкости при низких концентрациях.

Лэнгмюр вывел уравнение изотермы адсорбции при допу­щении, что на любом участке поверхности взаимодействие между адсорбатом и адсорбентом имеет одинаковый характер

(6)

где V-—объем адсорбированного газа; Vмоно — объем газа, необходимый для образования мономолекулярного покрытия на поверхности адсорбента; р — парциальное давление; k — константа.

Это уравнение не учитывает взаимодействия молекул адсорбата друг с другом. При очень низких значениях р произведение kp в знамена­теле мало но сравнению с единицей, при этом адсорбция будет пропорциональна kp:

(7)

При высоких парциальных давлениях единицей в выраже­нии (6) можно пренебречь, тогда

(8)

Это равенство является границей применимости уравнения Лэнгмюра, которое в основном применяется для описания ад­сорбции газа на микропористых сорбентах, в которых по про­странственным причинам возможна только низкая степень по­крытия.

Преобразованная форма уравнения (6)

(9)

используется для описания процессов адсорбции по изотерме I типа в координатах p/V как функция р. В пределах применимости уравнения Лэнгмюра получают пря­мую с наклоном 1/Vмоно и отрезком 1/Vмоно k по оси p/V. Экспе­риментальное определение величин Vмоно позволяет при извест­ных значениях посадочной площадки молекул адсорбтива опре­делить площадь поверхности адсорбента.

На практике широкое применение находят расчетные мето­ды потенциальной теории адсорбции. Это обусловлено тем, что с помощью уравнения Дубинина — Радушкевича по стандартной изотерме при известном коэффициенте аффинности можно рас­считать изотерму адсорбции и распределение размеров пор для любого пара или газа [9].