Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 30 » Адсорбция
22:01
Адсорбция

Для очистки жидких и газообразных сред от примесей более тяжелых веществ широко применяется адсорбция. По своей природе, адсорбция – поглощение относительно крупных молекул и/или ионов на границе раздела фаз за счет снижения поверхностной энергии Гиббса. Наибольшее применение нашла адсорбция на границе жидкость-твердое тело.

В качестве адсорбентов применяются любые пористые вещества, имеющие достаточную удельную площадь поверхности и обладающие требуемой химической стойкостью. Классическим адсорбентом является активированный древесный уголь.

Адсорбция происходит в виду избыточной поверхностной энергии Гиббса данного вещества. Любая система стремится избавиться от лишней энергии. Для этого, поверхности проще всего, образовать координационные, водородные, Ван-дер-ваальсовы и/или другие связи с молекулами вещества. Чем полярнее вещество, и чем выше его сродство к данной поверхности, тем сильнее взаимодействие с поверхностью. Активированный уголь обладает высокой сорбционной способностью по отношению ко всем веществам, по причине наличия на поверхности радикальных центров на гранях (в связи с разрушением шестигранной циклической структуры углеродных атомов). И, пустот между слоями ячеистой структуры. Для ясности, на рисунке 1 представлена схема образования взаимодействий поверхности активированного угля с адсорбированным веществом.

адсорбция

Рисунок 1.

Слева на рисунке 1 представлена грань кусочка активированного угля (желтой линией отделены воображаемые границы), видна характерная слоистая структура с шестичленными циклами из атомов углерода, атомы углерода находятся в узлах кристаллической решетки. Синим цветом показан верхний слой структуры, черным цветом – нижний. Красными точками показаны активные радикальные центры на гранях структурных элементов активированного угля. Справа показан тот же элемент угля, но, уже с некоторым количеством адсорбированных молекул (условно показаны зелеными овалами). При этом, более темным цветом закрашены молекулы проникшие между слоями структуры, а более светлым цветом – молекулы присоединившиеся на гранях угля (главным образом, благодаря радикальным центрам). При этом, следует учесть, что ковалентных, то есть, прочных, связей между адсорбентом и адсорбируемым веществом почти никогда не возникает. Все связи находятся в рамках сольватационных взаимодействий, то есть, как молекулы растворителя и растворенного вещества. Поэтому, при нагревании, как и все слабые связи, они разрываются, и адсорбированное вещество снова переходит в раствор. Поэтому, наиболее эффективно процесс адсорбции происходит именно при низких температурах.

Хочется отметить, что в процессе адсорбции не происходит увеличение размеров кусочков адсорбента, так как, адсорбируемое вещество проникает преимущественно в поры и неровности поверхности адсорбента.

Нужно учитывать, что в зависимости от природы адсорбента и адсорбируемого вещества, происходит преимущественно проникновение молекул вещества в поры адсорбента или специфическое взаимодействие на гранях. На приведенном рисунке, мы видим, что большая часть "прилипших” молекул не проникла в структуру угля, а связалась с радикальными центрами. Это указывает на достаточно большие размеры данных молекул и их высокую полярность (энергетически более выгодно образование связей с более полярными группами на гранях).

Кроме древесного активированного угля, широкое применении нашли различные пеки. Пек – это органическое соединение, подвергнутое пиролизу, то есть, термическому разложению без доступа воздуха. При этом, получаются углистые структуры, напоминающие активированный уголь. Различают угольный пек (разновидность кокса), костяной пек, нефтяной пек (получают из тяжелых фракций нефти) и пр.

Кроме углеродных адсорбентов, нашли широкое применение силикатные адсорбенты. Они бываю минерального происхождения, например, обработанный тальк или кремнезем, или искусственного (главным образом, силикагели).

Разновидностью силикагелей являются "молекулярные сита”. Это ультрапористые силикагели, в которых поры имеют определенный размер, весьма стабильный в масштабе всего элемента (подчас, размером до нескольких миллиметров). Молекулярные сита получили свое название за избирательность адсорбции, так как, они преимущественно извлекают из раствора только молекулы определенного размера (наиболее оптимально подходящие по размерам пор).

Величину пор молекулярных сит регулируют временем и температурой выдерживания взвеси кремниевой кислоты в маточном растворе (от этого зависит степень агломерации). Также, температурой и давлением при прокаливании кремниевой кислоты после фильтрации, и ионной силой раствора (количество вытесняющей кислоты) на момент фильтрации (от этого зависит развитость поверхности студенистого осадка). В целом, там много хитростей, как и во многих областях практической химии, главное опыт, аккуратность и точность соблюдения заданных условий.

Когда разрабатывали технологию получения молекулярных сит, то ни кто не планировал заранее размеры пор. Просто, провели ряд процессов с различными, точно записанными условиями. Затем, провели избирательную адсорбцию каждой партией различных веществ (отличающихся по размерам молекул, но близких по полярности и структуре). При этом, какое вещество лучше всего поглощает из тестового раствора адсорбент данной партии, такому размеру и соответствуют его поры.

Существуют таблицы условий проведения процесса получения адсорбентов, в зависимости от того, какую марку хотите получить. Каждая партия проходит тестовую калибровку (испытание на величину пор, как описано выше). Маркировка данного сорта молекулярных сит включает величину пор. Но, и тут свои хитрости, о них как-нибудь позже.

Как Вы уже, наверное, догадались, силикагели и молекулярные сита имеют на своей поверхности активные силикатные группы (-SiO3H), способные проявлять кислотные свойства. Это придает данным адсорбентам слабые свойства ионообменных смол. Все же, они большей частью адсорбенты, а химические взаимодействия между кислотными группами и, например, ионами металлов из раствора аналогично влиянию радикальных центров на гранях активированных углей.

Все процесса адсорбции с образованием некоторого количества химических связей носят название – хемосорбция. Процессы хемосорбции влияют на избирательность сорбции данного адсорбента.

Таким образом, мы имеем набор адсорбентов, которые принято разделять на несколько групп: активированные угли, силикагели, молекулярные сита и прочие адсорбенты (например, кельзельгур). К прочим адсорбентам можно отнести пористые минералы, целлюлозу, мелкие порошки металлов, даже стеклянную пудру. Короче, любые достаточно стойкие материалы, имеющие развитую поверхность. О эффективности сорбционных способностей тех или иных адсорбентов, а также, методике ее определения мы поговорим в другой раз.

Категория: Очистка и выделение веществ | Просмотров: 2045 | Добавил: Chemadm | Теги: механизм адсорбции, сорбционная очистка, сорбция на твердом, сорбенты | Рейтинг: 4.6/40
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]