SOKPCJA WILGOCI\374

SORPCJA WILGOCI
SORPCJA WILGOCI
Materiały porowate o właściwościach hydrofilowych chłoną wilgoć z powietrza w ilości
zaleŜnej od jego wilgotności względnej. Chłonięcie
W
ten sposób wilgoci z powietrza nazywa
się sorpcją, a oddawanie jej do powietrza otoczenia - desorpcją.
Pomiędzy cząsteczkami kaŜdej substancji znajdującej się w jednym ze stanów skupienia
działają siły, zwane ogólnie siłami międzycząsteczkowymi lub molekularnymi. W głębi fazy
siły te się równowaŜą, a ich wypadkowa jest równa zeru. Cząsteczki znajdujące się na
powierzchni graniczących ze sobą faz lub w jej pobliŜu, podlegają działaniu
niezrównowaŜonych sił ze strony tych faz. Wypadkowe tych sił skierowane są prostopadle do
płaszczyzny powierzchni granicznej. Zatem cząsteczki powierzchniowe znajdują się w innym
stanie energetycznym niŜ cząsteczki wnętrza fazy. Ta dodatkowa energia, zwana energią
powierzchniową, powoduje szereg szczególnych właściwości obszaru powierzchniowego,
bardzo znacznie róŜniących się od właściwości wewnętrznych
części
fazy.
Nadmiar energii powierzchniowej moŜna obniŜyć przez zmniejszenie powierzchni, lub przez
redukcję nadmiernej energii wiązania atomów powierzchniowych, w wyniku adsorpcji
cząstek pary wodnej z otaczającego powietrza. Adsorbowana warstewka Jest tym grubsza im
wyŜsze Jest względne ciśnienie pary wodnej zawartej w powietrzu, czyli Jego wilgotności
względna. Zatem wraz ze wzrostem wilgotności powietrza
wzrasta
zawartość
wody
w materiale porowatym.
Krzywe przedstawiające równowagową zwartość wilgoci w ciele stałym, przy róŜnych
stęŜeniach wilgoci w otoczeniu przy stałej temperaturze, noszą nazwę izoterm sorpcji
Wilgotność sorpcyjna
Absorpcja polega na przenikaniu jakiejś substancji w masę sorbentu (absorbentu). Proces ten
przebiega powoli i stan równowagi w niektórych przypadkach ustala się po bardzo długim
czasie.
Adsorpcja polega na zjawisku powierzchniowego przyciągania się niektórych substancji.
JednakŜe procesy związane z adsorpcją róŜnią się między sobą i w związku z tym
rozróŜniamy 3 rodzaje adsorpcji:
•
sorpcję powierzchniową,
•
adsorpcję kondensacyjną ,
•
chemisorpcję.
SORPCJA WILGOCI
Sorpcja powierzchniowa (adsorpcja właściwa) polega na zagęszczeniu się substancji
na powierzchni adsorbentu pod działaniem sił przyciągania między-cząsteczkowego (sił Van
der Waalsa). Procesy sorpcji odbywają się bardzo szybko. JeŜeli mamy do czynienia
z adsorbentem w postaci ciała porowatego, proces sorpcji moŜe ulec pewnemu opóźnieniu
w zaleŜności od przelotowości porów i naczyń włoskowatych, jednakŜe czas ten w praktyce
wynosi kilka lub kilkanaście minut.
Adsorpcja kondensacyjna (tzw. kondensacja włoskowata lub kapilarna) polega na
skraplaniu par lub gazów w porach adsorbentu. Zjawiska te naleŜą do odwracalnych
i przebiegają bardzo szybko.
Chemisorpcja polega na zagęszczaniu się substancji adsorbowanych na powierzchni
adsorbentu dzięki działaniu sił wartościowości. Powierzchnia adsorbentu uzyskuje
jednocząsteczkową warstwę mało trwałego związku chemicznego pomiędzy cząsteczkami
adsorbentu (np. porowatego materiału budowlanego) a cząsteczkami substancji adsorbowanej
(np. wody).
W praktyce badań wilgotności materiałów budowlanych te trzy rodzaje sorpcji traktuje
się łącznie, poniewaŜ przebiegają one najczęściej równocześnie. Procesy zawilgocenia
wskutek wymienionych wyŜej zjawisk sorpcji zachodzą często równocześnie z procesami
wywołanymi procesami absorpcji, co w rezultacie powoduje trudności w rozróŜnianiu tych
zjawisk.
Zjawiska adsorpcji w dalszym ciągu dla uproszczenia będziemy nazywali zjawiskami sorpcji
i traktowali jako typowe zjawisko powierzchniowe. Doświadczalnie stwierdzono, Ŝe ilość
substancji adsorbowanej jest proporcjonalna do powierzchni porów adsorbentu, jeŜeli
oczywiście pomiędzy tymi substancjami nie zachodzą róŜnice natury chemicznej.
Ilość substancji adsorbowanej przez dany adsorbent zaleŜy takŜe od temperatury, przy czym
im niŜsza jest temperatura, tym większa jest sorpcja. Jedynie przy sorpcji chemicznej moŜe
zachodzić wzrost sorpcji wraz z podwyŜszeniem temperatury
SORPCJA WILGOCI
Typowa izoterma sorpcji materiału kapilarno-porowatego przedstawiona jest na wykresie
poniŜej. MoŜna na niej wyróŜnić trzy fazy procesu sorpcji, a mianowicie:
I.
Pierwsze stadium, charakteryzujące się wypukłością izotermy sorpcji ku górze, kiedy na
powierzchni porów jest adsorbowana tylko monomolekularna warstwa cząstek wody
(odpowiada ono zakresowi wilgotności powietrza od 0 do 15-20%). Pierwsza zaadsorbowana
warstwa ma największą energię wiązania, a jej własności najbardziej odbiegają od
właściwości wody swobodnej.
II.
Drugie stadium, kiedy jest adsorbowana bi- i polimolekulama warstwa cząsteczek wody
(energia adsorpcji maleje dla kaŜdej kolejnej warstwy).
III. Trzecie stadium, kiedy zaczyna zachodzić kapilarna kondensacja. Na izotermach sorpcji
okres ten charakteryzuje się szybkim wzrostem wilgotności materiału. Zjawisko kondensacji
kapilarnej zaczyna zachodzić przy wilgotności względnej powietrza około 60%.
SORPCJA WILGOCI
PRZEBIEG BADANIA
Sorpcyjność materiałów budowlanych bada się najczęściej tzw. metodą eksykatorową.
W przebiegu badania wydzielić moŜna 4 etapy:
1. Przygotowanie próbki,
2. Suszenie próbki,
3. Proces sorpcji przy ustalonej wilgotności powietrza.
4. Określenie wilgotności sorpcyjnej.
Wykonanie oznaczenia
1) Przygotowanie próbki. Materiał rozdrabniamy do granulacji 1-2 mm. Części pylaste
materiału naleŜy odsiać, aby sztucznie nie zwiększać powierzchni adsorpcyjnej. MoŜliwe jest
takŜe badanie większych próbek materiału, ale wówczas badanie trwa znacznie dłuŜej.
2) Suszenie próbki. Rozdrobnioną próbkę umieszczamy W naczyńku o znanym cięŜarze mt
a następnie suszymy. Większość materiałów suszy się w temperaturze 105°C. Materiały,
które mają temperaturę przemiany fazowej niŜszą lub zawierają związaną krystalicznie naleŜy
suszyć się w odpowiednio niŜszej temperaturze (np. gips w temperaturze 70 0C). Ustalenie,
czy próbka jest juŜ wysuszona, polega na kilkakrotnym zwaŜeniu próbki w poszczególnych
odstępach czasu. Próbkę uznaje się za suchą, wtedy gdy nie ma juŜ ubytków masy w czasie.
KaŜdorazowo próbki wyjęte z suszarki powinny być studzone do temperatury 30-40°C.
W celu uniknęcia
adsorpcji próbkę naleŜy suszyć w
sorbent (np. Ŝel krzemionkowy, węglan wapnia).
eksykatorze zawierającym silny
SORPCJA WILGOCI
3) Proces sorpcji. Wysuszoną do stałej masy próbkę umieszczamy w eksykatorze
o stałej znanej wilgotności względnej powietrza ϕ:
eksykator
próbka rozdrobnionego materiału
roztwór utrzymujący
określoną wilgotność
. Okresowym waŜeniem sprawdzamy ustalenie się cięŜaru próbki.
Zmieniając kolejno wilgotność względną powietrza w eksykatorze, ustalamy przyrost cięŜaru
próbki w zaleŜności od róŜnych wartości wilgotności powietrza. Dla utrzymania niezmiennej
wilgotności powietrza w czasie trwania sorpcji próbkę najlepiej umieszczać w atmosferze nad
nasyconym roztworem soli. Stan nasycenia charakteryzuje się obecnością kryształów soli na
dnie roztworów.
Wilgotność względna powietrza nad róŜnymi roztworami jest następująca:
Roztwór
Wilgotność
LiCl
12%
MgCl
32%
Mg/N03/2
54%
NaCl
75%
KN03
95%
H2 0
100%
SORPCJA WILGOCI
OPRACOWANIE WYNIKÓW
Na podstawie danych uzyskanych z pomiarów sporządzamy wykres izotermy sorpcji wilgoci,
wyznaczając na jednej osi układu wilgotność względną powietrza ϕ, , na drugiej wilgotność
wagową w materiału w procentach Na podstawie wyników badań wykreśla się krzywą
stanowiącą izotermę sorpcji danego materiału.
SORPCJA WILGOCI
BADANIE SORPCJI MATERIAŁU
Rodzaj
Rodzaj
Temperatura
Temperatura
Wilgotność
i struktura
i dokładność
suszenia
w laboratorium
w laboratorium
materiału
wagi [g]
Masa naczyńka [g]
[%]
[°C]
[°C]
Proces suszenia
Proces sorpcji
Masa próbki [g]
Wilgotność
mt =
ϕ Masa
Data waŜenia
Wilgotność
próbki sorpcyjna wsrp
mmt
Masa
12%
próbki
wilgotnej [g]
32%
mmt=
54%
Masa próbki suchej
75%
[g]
95%
mst=
100%
Wilgotność sorpcyjna materiału w stosunku
wsrp =
wagowym [%]
mmt − m st
× 100% =
m st − mt
WYKONAWCY:
................................................................................
1.....................................................
2.....................................................
3.....................................................
4.....................................................
data, podpis prowadzącego
UWAGI:
Wykres izotermy sorpcji sporządzić po ostatnim
pomiarze
(dla
milimetrowym.
wilgotności
100%)
na
papierze