Адсорбция Движущей силой

Веществ на поверхности.

Физическая адсорбция. Адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями, например силами Ван-дер-Ваальса. Теплота физической адсорбции, как правило, невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль (примерно 40 кДж/моль). Процесс физической адсорбции обратим, относится к неактивируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбата окажутся на поверхности твёрдого или жидкого тела. Наиболее часто физическую адсорбцию связывают с взаимодействием поверхности с газовой фазой. Количество адсорбированного газа снижается при уменьшении давления и возрастании температуры.

к Р

Р

(а) и температуры (б ) (пояснения в тексте)

где а к в уравнении (2.5).

Процесс адсорбции почти всегда сопровождается выделением теплоты, которое называют теплотой адсорбции. Прочность адсорбционного слоя пропорциональна теплоте адсорбции.

На рисунке 2.1, б

Химическая адсорбция. Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийся образованием химических соединений. При хемосорбции выделяется значительное количество теплоты. Обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 80–125 кДж/моль. Взаимодействие кислорода с металлами (окисление) даёт значительно более высокие значения теплоты, достигающие 400 кДж/моль.

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Адсорбция в химии

Введение

Адсорбцией называют процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела — адсорбента.

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества. В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли. Адсорбция отравляющих веществ из воздуха была использована Н.Д. Зелинским при создании противогаза во время первой мировой войны.

Адсорбция газов на твердых поверхностях используется в некоторых отраслях пищевой промышленности, а именно масложировой (например, в производстве маргарина) и в бродильной (например, в производстве дрожжей) для очистки технологических газовых потоков с целью предотвращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Поглощение паров воды происходит на пористых веществах, которые выполняют роль твердого адсорбента. Подобные процессы наблюдаются в отношении сахара, соли и сухарей.

Адсорбция, ее виды

Адсорбционный способ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяет в несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения. Адсорбция различных пищевых кислот, лимонной в частности, снижает по сравнению с водой поверхностное натяжение большинства прохладительных напитков. Адсорбция веществ на поверхности раздела жидкость — газ способствует устойчивости пен. Подобный процесс имеет место в бродильной промышленности при производстве дрожжей и некоторых других полупродуктов. Усиление смачивания водой различных поверхностей широко используется в промышленности в качестве сопутствующего процесса при мойке оборудования, подготовке сырья, обработке полуфабрикатов и т.д. Адсорбция на границе твердое тело — жидкость широко применяется при очистке жидкостей (например, диффузионного сока при производстве сахара, растительных масел и соков) от примесей.

Развитие теории адсорбционных сил еще не достигло такой стадии, когда по известным физико-химическим свойствам газа и твердого тела можно было бы рассчитать изотерму адсорбции, не проводя экспериментальных исследований. Поэтому попыткам описать экспериментальные изотермы с помощью различных теоретических уравнений, которым соответствуют определенные модели адсорбции, посвящено огромное количество работ. Если теоретическое уравнение изотермы адсорбции хорошо воспроизводит экспериментальные данные, то можно рассчитать неизвестные величины адсорбции при разных условиях (р и Т) и определить различные геометрические параметры твердых тел. Рассмотрим лишь немногие, наиболее распространенные теоретические уравнения изотерм адсорбции.

Делись добром 😉

АДСОРБЦИЯ В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества - адсорбента называется адсорбцией. Процесс адсорбции подобно процессу абсорбции избирателен, т. е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента, например, при нагревании. Этот процесс регенерации - обновления абсорбента называется десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом - только поверхностью твердого поглотителя - адсорбента.

В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро-водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Равновесие при адсорбции

Количество вещества, поглощенного адсорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Условия равновесия для адсорбции

Линии равновесия, соответствующие уравнениям (7.75) и (7.76), получили название изотерм сорбции. Изотермы сорбции (рис. 26) строят по опытным данным. Характер кривой изотермы сорбции зависит от многих факторов, в том числе от удельной поверхности адсорбента, объема пор, структуры и распределения пор, свойств поглощаемого вещества и, конечно, от температуры.

Движущая сила процесса адсорбции определяется как разность между рабочей и равновесной концентрациями поглощаемого вещества в парогазовой или жидкой фазах.

Рабочая линия для непрерывных процессов адсорбции соответствует уравнению (7.6).

В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбента. Поэтому для поддержания скорости процесса в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбента.

Адсорбенты

Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле.

Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией - прокаливанием при температуре около 900 °С. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600… 1700 м2. Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активированного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органических веществ, чем пары воды. Недостатками активированных углей являются их небольшая механическая прочность и горючесть.

Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля лежит в пределах от 0,2 до 7 мм.

Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400…770 м2. Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и материалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и обладает большой механической прочностью.

Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с размерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтра-ционных мембран.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и поэтому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.

Иониты. Это природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов следует отнести к хемосорбции - адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Наибольшее распространение в промышленности получили ионообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание сиропов. Смолы применяют также в некоторых случаях при обработке воды. Последние успехи в области синтеза ионитов позволяют надеяться на их успешное использование в нетрадиционных технологиях, например в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.

В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью применяют рыбий клей (желатин) и другие вещества.

Расчет адсорберов

Порядок расчета адсорберов аналогичен порядку расчета абсорберов. И только фиксированная поверхность массообмена, которую несложно определить, позволяет воспользоваться неко-торыми кинетическими уравнениями и более точно рассчитать требуемые размеры аппарата, не прибегая к определению числа ступеней изменения концентрации.

Материальный баланс. Уравнение материального баланса процесса адсорбции соответствует уравнению (7.3):

Кинетика процесса адсорбции. Процесс поглощения вещества при адсорбции в общем случае описывается критериальным уравнением для систем с твердой фазой:

Количество теплоты, выделяемое при адсорбции. Удельную теплоту адсорбции г (Дж/моль) обычно определяют опытным путем и для разных веществ приводят в справочниках. При отсутствии опытных данных можно воспользоваться следующим уравнением:

Физическая и химическая адсорбция

Адсорбция – поглощение веществ из растворов или газов поверхностным слоем твёрдого тела или жидкости. Движущей силой процесса является наличие на поверхности некомпенсированных сил межатомного взаимодействия, за счёт чего и притягиваются молекулы адсорбированного вещества – адсорбата. Происходит не только снижение поверхностной энергии, но и образование на поверхности различной по составу пленки.

Термодинамическое состояние атомно-чистой поверхности способствует активному протеканию процесса адсорбции. Известно, что на чистой металлической поверхности содержится около 105 адсорбционных позиций, приходящихся на 1 см2.

Различают физическую и химическую адсорбцию веществ на поверхности. Возможны и промежуточные виды взаимодействий на границе раздела фаз.

Физическая адсорбция. Адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями, например силами Ван-дер-Ваальса. Теплота физической адсорбции, как правило, невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль (примерно 40 кДж/моль).

Процесс физической адсорбции обратим, относится к неактивируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбата окажутся на поверхности твёрдого или жидкого тела. Наиболее часто физическую адсорбцию связывают с взаимодействием поверхности с газовой фазой. Количество адсорбированного газа снижается при уменьшении давления и возрастании температуры.

Простейшие уравнения мономолекулярной адсорбции предложены Генри и Ленгмю ром. Уравнение Генри (так называемая изотерма Генри)

где Θ — степенях заполнения молекулами адсорбата однородной поверхности адсорбента, к — коэффициент пропорциональности, зависящий главным образом от температуры и характера взаимодействия адсорбента с адсорбентом, Р — давление, справедливо при очень низких Θ степенях заполнения молекулами адсорбата однородной поверхности адсорбента.

Изотерма Генри представляет собой прямую линию 1 (рисунок 2.1, а). С увеличением давления Р рост адсорбированного мономолекулярного слоя замедляется. Молекула адсорбата испытывает трудности в закреплении на еще не занятом пространстве поверхности адсорбента.

Рисунок 2.1 — Зависимость изменения количества адсорбированного вещества от давления (а) и температуры (б ) (пояснения в тексте)

Изотерма приобретает выпуклый характер 2, а значение в стремится к единице (см. рисунок 2.1, а). Выпуклые изотермы описываются уравнением Ленгмюра

где а – адсорбционный коэффициент, аналогичный по физическому смыслу константе к в уравнении (2.5).

Следует отметить, что уравнение Ленгмюра справедливо только для мономолекулярной адсорбции на однородной поверхности, возможностью притяжения молекул адсорбата между собой и их подвижностью вдоль поверхности адсорбента пренебрегают. При дальнейшем увеличении давления адсорбата происходит заполнение второго, третьего и других слоев. Процесс переходит в полимолекулярную адгезию.

Поверхность твёрдых адсорбентов в основном неоднородна. Одни участки благоприятны для адсорбции, другие – наоборот. С ростом давления адсорбата полимолекулярная адсорбция происходит одновременно по всей поверхности с различной степенью интенсивности.

Процесс адсорбции почти всегда сопровождается выделением теплоты, которое называют теплотой адсорбции.

Прочность адсорбционного слоя пропорциональна теплоте адсорбции. При переходе к полимолекулярной адсорбции теплота адсорбции приближается к теплоте конденсации адсорбата.

Температурные условия оказывают большое влияние на протекание процесса физической адсорбции. Высокая подвижность молекул на поверхности при повышении температуры приводит к десорбции образующегося слоя. Дальнейшее повышение температуры может переводить физическую адсорбцию в химическую – хемосорбцию, имеющую более прочные связи.

На рисунке 2.1, б приведена качественная зависимость адсорбции газовой среды от температуры при постоянном давлении. При низких температурах изобара 1 описывает физическую адсорбцию. При достижении определенной температуры возможен процесс перехода физической адсорбции к хемосорбции. Происходит рост адсорбируемого вещества (кривая 2). При заполнении всей поверхности адсорбатом снова начинает снижаться количество адсорбированного вещества (кривая 3). Адсорбция в области 1 обратима, а в области 2 необратима. В случае охлаждения системы процесс переходит из области 3 в область 4.

Слабые междуатомные связи на поверхности при физической адсорбции, по-видимому, в малой степени способны уравновесить некомпенсированные связи поверхностных атомов. Соответственно этому не следует ожидать значительного снижения уровня свободной поверхностной энергии. При подготовке поверхности изделий для нанесения покрытий следует учитывать слабые связи физически адсорбированных веществ (твердых, жидких и газообразных).

Химическая адсорбция. Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийся образованием химических соединений. При хемосорбции выделяется значительное количество теплоты. Обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 80–125 кДж/моль.

Физическая и химическая адсорбция

Взаимодействие кислорода с металлами (окисление) даёт значительно более высокие значения теплоты, достигающие 400 кДж/моль.

Подобно химическим реакциям хемосорбция требует для своего протекания значительной энергии активации. Следовательно, при увеличении температуры процесс хемосорбции ускоряется. Происходит так называемая активируемая адсорбция. Хемосорбция относится к избирательным процессам и зависит от химического сродства абсорбента и адсорбата, которое наряду с температурой определяет скорость протекания реакции. Например, при взаимодействии газов с чистыми металлами или металлоподобными поверхностями наблюдается исключительно быстрая хемосорбция, что связано со слабой насыщенностью связями поверхностных атомов. Хемосорбция протекает при минимальных значениях энергии активации. Хемосорбция на твёрдых поверхностях зависит от кристаллографической ориентации зёрен, наличия различных дефектов и др. Хемосорбция начинается на наиболее активных участках поверхности. Принято считать, что хемосорбция происходит до тех пор, пока вся поверхность не покроется мономолекулярным слоем адсорбата. По сравнению с физической адсорбцией хемосорбция чувствительна к давлению окружающей среды.

Наличие на поверхности хемосорбированных пленок в значительной мере уравновешивает некомпенсированные оборванные связи поверхностных атомов. Поверхностная энергия при этом достигает минимальных значений, что следует учитывать при подготовке поверхностей для нанесения покрытий. Для удаления хемосорбированных поверхностных соединений (загрязнений) требуются значительные энергетические воздействия.

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ К ПРИМЕНЕНИЮ АДСОРБЕНТОВ

Любые препараты необходимо принимать по рекомендации врача и следуя инструкции! Основным противопоказанием к приему адсорбентов для кишечника является их индивидуальная непереносимость. Препараты активированного угля не рекомендуется использовать при желудочном кровотечении, язвенных поражениях ЖКТ и др.; препараты лигнина – при нарушении углеводного обмена, анацидном гастрите, склонности к запорам. Необходимо учитывать, что при приеме адсорбирующих средств внутрь может уменьшаться эффективность других лекарственных средств, принимаемых с ними одновременно. Поэтому важно делать интервал между приемом адсорбентов и других препаратов.

Сорбционная очистка

НЕОСМЕКТИН® – АДСОРБЕНТ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Современный препарат Неосмектин® способствует устранению диареи различного происхождения, метеоризма, изжоги, вздутия и тяжести в животе. Неосмектин® действует в двух направлениях.

СПОСОБСТВУЕТ УСТРАНЕНИЮ ФАКТОРОВ, ПРОВОЦИРУЮЩИХ РАССТРОЙСТВА ПИЩЕВАРЕНИЯ

Патогенная микрофлора, кишечные газы, токсины иногда являются причиной расстройства пищеварения. Неосмектин® адсорбирует их, способствуя их выведению из организма. Таким образом, препарат способствует устранению не симптомов, а самих факторов, которые могут провоцировать проблемы с пищеварением.

защищает слизистую желудочно-кишечного тракта

Неосмектин® стабилизирует слизистый барьер желудочно-кишечного тракта, создавая на его поверхности защитную пленку, которая предохраняет слизистую от повреждения болезнетворными микроорганизмами и дает ей возможность быстрее восстановиться.

Лекция №20

Адсорбцией называют поглощение газов, паров и жидкостей твердыми пористыми телами, носящими название адсорбентов; адсорбируемое вещество, находящееся в газе или жидкости, называют адсорбтивом , а после его перехода в фазу адсорбента – адсорбатом . Используемые на практике адсорбенты обладают сильно развитой внутренней поверхностью (до 1000 м 2 /г), образующейся путем специальной обработки или синтеза твердых материалов.

Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, так как извлечение вещества осуществляется твердым, а не жидким поглотителем.

Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандерваальсовыми силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата. При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений.

Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешенно силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи.

Заполнение адсорбатом поверхности адсорбента частично уравновешивает поверхностные силы и вследствие этого снижает поверхностное натяжение (свободную удельную поверхностную энергию). Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы.

Процессы адсорбции избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией , которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента.

Наиболее рационально адсорбцию применять для обработки смесей с низкой концентрацией извлекаемых веществ. В этом случае увеличивается продолжительность работы адсорбционного аппарата – адсорбера – на стадии собственно адсорбции до его переключения на десорбцию.

Типичными примерами адсорбции являются осушка газов и жидкостей, разделение смесей углеводородов, рекуперация растворителей, очистка вентиляционных выбросов и сточных вод и т.п. За последнее время значение адсорбции существенно возросло, особенно в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ .

8.1. Основные промышленные адсорбенты и их свойства

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой.

В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r < 10–9 м). Роль переходных пор (10–9 < r < 10–7 м) и макропор (r > 10–7 м) в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной , или адсорбционной , способностью , определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Величина поглотительной способности зависит от типа адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров – от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью .

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные . К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные) угли, углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмогели, цеолиты и глинистые породы.

Активные угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.) с целью удаления летучих. После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850–900 °С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (например, сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.).

Удельная поверхность активных углей очень высока и составляет 6×105–17×105 м2/кг, а их насыпная плотность 200–900 кг/м3. Активные угли применяют в виде частиц неправильной формы размером 1–7 мм, цилиндров диаметром 2–3 мм и высотой 4–6 мм и порошка с размером частиц менее 0,15 мм. Последний вид активных углей применяют для разделения растворов.

К основным недостаткам активных углей относится их горючесть и невысокая механическая прочность.

Силикагель – обезвоженный гель кремниевой кислоты () – используют для адсорбции полярных соединений. Его применяют в процессах осушки газов и жидкостей, при разделении органических веществ в газовой фазе и в хроматографии. Силикагель получают обработкой раствора силиката натрия (растворимое стекло) серной кислоты (иногда хлороводородной) или растворами солей, имеющих кислую реакцию. Образовавшийся гель промывают водой и сушат до конечной влажности 5–7 %, так как при такой влажности силикагель обладает наибольшей адсорбционной способностью. Удельная поверхность силикагеля составляет 4×105–7,7×105 м2/кг, насыпная плотность – 400–800 кг/м3. Размер частиц неправильной формы изменяется в довольно широком интервале – от 0,2 до 7 мм.

К достоинствам силикагелей относится их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей. Недостатком силикагелей по сравнению с активными углями является, помимо их более низкой удельной поверхности, резкое снижение поглотительной способности по отношению к парам органических веществ в присутствии влаги.

По сорбционным свойствам к силикагелю близко примыкают алюмогели , получаемые термической обработкой гидроксида алюминия при температурах 600–1000 °С. Поры полученного сорбента (92 % ) имеют диаметр 1–3 нм, удельную поверхность 2×10 5 –4×10 5 м 2 /кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 . Алюмогели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел, применяют в качестве катализаторов и их носителей.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами .

Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка.

Особенно широко цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0÷1,5)·10 5 м 2 /кг. Также для очистки жидкостей могут применяться некоторые виды торфов.

Отметим, что адсорбенты характеризуются еще статической и динамической активностью. Под статической активностью понимают количество вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента от начала адсорбции до установления равновесия. Этот вид активности определяют в статических условиях, т.е. без движения смеси газов или раствора. При движении смеси сквозь слой адсорбента через определенный промежуток времени адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компонент, и происходит «проскок» этого компонента с последующим увеличением концентрации компонента в уходящей из слоя смеси вплоть до наступления равновесия. Количество вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента до начала проскока, называют динамической активностью адсорбента. Динамическая активность всегда меньше статической, поэтому количество адсорбента определяют по его динамической активности.

Равновесие при адсорбции

Равновесная концентрация (кг/кг чистого адсорбента) поглощаемого вещества в адсорбенте может быть представлена в виде функции концентрации с и температуры Т :

или в виде функции парциального давления р и температуры Т в случае адсорбции газов:

где с – концентрация адсорбтива в объемной фазе, кг/м3; р – парциальное давление адсорбтива в объемной фазе, Па.

Между концентрацией адсорбируемого вещества в газовой смеси и его парциальным давлением р , согласно уравнению Клапейрона, существует прямая пропорциональность:

где R – газовая постоянная, Дж/(кг·К).

Зависимость или при постоянной температуре называется изотермой адсорбции .

Изотермы адсорбции изображаются кривыми, форма которых определяется в основном природой адсорбата и адсорбента и его пористой структурой. Из всего многообразия форм изотерм для анализа процессов адсорбции следует выделить выпуклую и вогнутую (рис. 8.1). Важно отметить, что начальные участки изотерм линейны.

Равновесные зависимости описываются рядом эмпирических и теоретических уравнений. Наиболее плодотворной для описания равновесия адсорбционных процессов оказалась теория объемного заполнения пор, явившаяся развитием потенциальной теории адсорбции.

Под адсорбционным потенциалом А понимают работу, совершаемую адсорбционными силами при переносе одного моля адсорбтива из равновесной газовой фазы давлением р на поверхность адсорбционной пленки, давление над которой принимается равным давлению насыщенного пара адсорбтива pS при рассматриваемой Т .

Рис. 8.1. Выпуклая и вогнутая изотермы адсорбции

Адсорбционный потенциал выражается соотношением

В процессе адсорбции объем микропор V п заполняется адсорбатом, объем которого может быть вычислен через величину равновесной адсорбции:

где М – молекулярная масса адсорбата; V – молярный объем адсорбата.

Установлено, что для разных веществ, адсорбирующихся на одном адсорбенте, отношение адсорбционных потенциалов при одинаковых значениях V п постоянно и равно коэффициенту аффинности b, представляющему собой отношение молярных объемов в жидком состоянии, или парахоров, данного и стандартного вещества, значение которого находят в справочнике.

Для ряда микропористых адсорбентов распределение различных заполненных участков адсорбционных объемов имеет вид распределения Гаусса:

где W 0 – общий объем микропор; Е – параметр функции распределения.

При совместном решении уравнений (8.2) и (8.3) с учетом коэффициента аффинности получено уравнение, описывающее изотермы адсорбции для микропористых адсорбентов с однородной пористой структурой (синтетические цеолиты):

Для адсорбентов со сложными микропористыми структурами (микропористые силикагели, активные угли)

где – константы характеризующие адсорбент; Т – температура.

Наряду с соотношениями, основанными на теории объемного заполнения пор, для описания адсорбционного равновесия используют ряд других уравнений, среди которых наиболее известно уравнение Ленгмюра:

где X 0 – предельная величина адсорбции (количество компонента, адсорбированного при полном мономолекулярном покрытии поверхности адсорбента); k – константа, зависящая от температуры.

Для описания равновесных соотношений (особенно при адсорбции газов или паров) используется также уравнение Фрейндлиха:

где k и n – величины, приводимые в справочной литературе.

Расчет равновесия адсорбции многокомпонентных смесей особенно важен в процессах разделения смесей (жидких и газовых). Селективность (избирательность) адсорбента оценивается коэффициентом разделения:

где – молярные концентрации в твердой и объемной фазе лучше и хуже адсорбирующегося вещества соответственно.

При расчете точек изотермы исследуемого пара координаты берутся по кривой стандартного вещества, значения и – из таблиц давления насыщенного пара, – вычисляется по формуле (8.11).

АДСОРБЦИЯ (adsorptio ; латинский ad - на, при и sorbeo - поглощаю) - поглощение газов, паров или растворенных веществ поверхностью твердого тела или жидкости.Тело, на поверхности которого происходит адсорбция, называют адсорбентом, адсорбируемое вещество - адсорбтивом или адсорбатом. Адсорбция газов твердыми телами (древесным углем) была открыта шведским химиком Шееле (С. W. Scheelе) в 1773 году и независимо от него итальянцем Фонтаной (F. Foiitana) в 1777 году; адсорбция веществ из растворов древесным углем - русским химиком академиком Т. Е. Ловицем в 1785 году. Возможность адсорбции на поверхности жидкости и связь этого явления с поверхностным натяжением впервые теоретически были доказаны американским математиком и физиком Гиббсом (J. W. Gibbs) в 1876 году Впоследствии было показано, что адсорбция относится к чрезвычайно распространенным явлениям и обнаруживается почти всюду, где газы, пары и растворенные вещества находятся в контакте с поверхностью жидкости или твердого тела.

Различают физическую и химическую адсорбцию. В первом случае адсорбированные молекулы сохраняют свою индивидуальность; при химической адсорбции, называемой также хемосорбцией, молекула адсорбируемого вещества вступает в химическую связь с поверхностью адсорбента. Физическая адсорбция, которую обычно называют просто адсорбция, представляет собой обратимый процесс, заканчивающийся установлением адсорбционного равновесия, при котором скорость адсорбции равна скорости обратного процесса - десорбции. Хемосорбция, как правило, необратима.

Адсорбция часто сопровождается абсорбцией (см.), хемосорбцией и конденсацией паров адсорбтива в порах адсорбента. Во всех этих случаях сложный процесс поглощения называют сорбцией (см.).

Величину адсорбции на поверхности жидкости, граничащей с газом или с другой жидкостью, непосредственно не измеряют, а вычисляют с помощью уравнения Гиббса:

где Г - количество адсорбированного вещества в молях на 1 см 2 поверхности жидкости, С - молярная концентрация адсорбтива в жидкости, R - газовая постоянная из уравнения Клапейрона-Менделеева, Т - абсолютная температура, Δσ - изменение поверхностного натяжения, соответствующее изменению концентрации адсорбтива на ΔС.

Величину адсорбции газа или растворенного вещества на твердом адсорбенте измеряют непосредственно и выражают в молях адсорбированного вещества на 1 г адсорбента. Количество адсорбированного газа обычно определяют по привесу адсорбента, поглотившего газ; величину адсорбции растворенного вещества - по уменьшению его концентрации в растворе.

Зависимость величины адсорбции при постоянной температуре от равновесной концентрации адсорбтива, выраженную графически или в виде уравнения, называют изотермой адсорбции. На рис. представлена типичная экспериментальная изотерма адсорбции. При очень малых концентрациях величина адсорбции пропорциональна концентрации, что находит свое выражение в прямолинейном ходе изотермы адсорбции в области малых концентраций. С дальнейшим ростом концентрации рост величины адсорбции замедляется. При очень больших концентрациях величина адсорбции достигает предельного значения, что объясняется насыщением поверхности адсорбента молекулами адсорбтива, образующими мономолекулярный адсорбционный слой. В тех случаях, когда адсорбционный слой полимолекулярен или адсорбция осложнена капиллярной конденсацией (см. Сорбция), изотерма поглощения имеет более сложный вид.

На практике для аналитического выражения изотермы адсорбция при средних значениях концентраций обычно пользуются уравнением Фрейндлиха:

a = kcn,

где а - величина адсорбции в молях на 1 г адсорбента, с - концентрация в молях на 1 л, k и n - константы. Константа k численно равна величине адсорбции при концентрации, равной 1; величина ее определяет высоту кривой над осью абсцисс и меняется в широких пределах в зависимости от природы адсорбента и адсорбтива. Константа п определяет кривизну изотермы; ее численная величина мало изменяется с природой адсорбента и адсорбтива и колеблется в пределах от 0,1 до 0,6. Уравнение Фрейндлиха графически представляет собой параболическую кривую (рис.).

Для более широкой области концентраций чаще применяют уравнение Лангмюра:

где а и с имеют те же значения, что и в уравнении Фрейндлиха, а∞ и α - константы, численные значения которых зависят от природы адсорбента и адсорбтива. Константа их равна предельной величине адсорбции, соответствующей полному насыщению поверхности поглотителя молекулами адсорбтива. Константа α равна отношению константы скорости десорбции к константе скорости адсорбции.

Помимо концентрации адсорбтива, величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбтива; Адсорбция возрастает с увеличением удельной поверхности поглотителя. Для органических веществ одного и того же гомологического ряда величина адсорбции возрастает приблизительно в 3 раза с увеличением углеводородной цепи на одну группу CH 2 (правило Дюкло-Траубе). Величина адсорбции, как правило, уменьшается с повышением температуры. Величина адсорбции из растворов зависит от природы растворителя: чем лучше вещество растворяется в данном растворителе, тем хуже оно из него адсорбируется.

Адсорбция из растворов сильных электролитов подразделяют на следующие виды: эквивалентная адсорбция, при которой катионы и анионы электролита адсорбируются в эквивалентных количествах; избирательная адсорбция - в этом случае избирательно адсорбируются или катионы, или анионы электролита; поверхность адсорбента при этом приобретает соответственно положительный или отрицательный электрический заряд. Ионообменная адсорбция представляет собой обмен катионов или анионов между адсорбентом и раствором (см. Иониты).

В насыщенном адсорбционном слое молекулы адсорбтива ориентированы, например, на поверхности водных растворов полярные группы адсорбированных молекул погружены в раствор. Представление об ориентации молекул в насыщенном адсорбционном слое сыграло большую роль при изучении структуры биологических мембран.

Практическое значение адсорбционных явлений очень велико. Адсорбция лежит в основе крашения тканей, дубления кож и так далее. Адсорбция является начальной стадией процесса поглощения любых веществ клетками и тканями. С адсорбцией тесно связаны также процессы взаимодействия ферментов с субстратами, антител с антигенами, поляризации и деполяризации биологических мембран.

Адсорбция играет основную роль при протекании многих каталитических реакций (см. Катализ) и в химии коллоидных растворов.

Ряд адсорбентов (уголь, каолин, гидроокись железа, ионообменные смолы и другие) применяют как противоядия (см.) для связывания ядов и токсинов, попавших в желудочно-кишечный тракт, а также для адсорбции кишечных газов при метеоризме (см.). Активированный древесный уголь используют как адсорбент в военных и промышленных противогазах. В технике адсорбции применяют для очистки веществ, в том числе и лекарственных, регенерации ценных летучих растворителей, для разделения и анализа сложных смесей (см. Хроматография).

Библиография: Адам Н. К. Физика и химия поверхностей, пер. с англ., М.-Л., 1947; Бладергрён В. Физическая химия в медицине и биологии, пер. с нем., М., 1951; Брунауэр С. Адсорбция газов и паров, пер. с англ., т. 1, М., 1948, библиогр.; Мак Бен Д. В. Сорбция газов и паров твердыми телами, пер. с англ., М.-Л., 1934.

) — повышение концентрации компонента в поверхностном слое вещества (на границе раздела фаз) по сравнению с ее значением в каждой объемной фазе.

Описание

Следует отличать адсорбцию от абсорбции, при которой вещество диффундирует в объем жидкости или и образует раствор или . Термин сорбция объединяет оба понятия. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое - адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделять на (слабые взаимодействия) и (сильные взаимодействия). Четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией не существует; в качестве граничного значения принята энергия связи между адсорбатом и адсорбентом, равная 0,5 эВ на атом или молекулу.

Процесс, обратный адсорбции, называется . Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы).

На практике адсорбция широко используется для концентрирования веществ, очистки газов и жидкостей от примесей. Адсорбционные методы анализа применяются для определения твердых веществ, оценки размера А нанесенных частиц (в том числе наноразмерных) на поверхности носителя и т. п.

Авторы

• Саранин Александр Александрович
• Смирнов Андрей Валентинович

Источники

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир. 1979. - 568 с.
2. Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
3. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. - Новосибирск: Наука. 1999. - 470 с.
4. Химическая энциклопедия. Т. 1. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - 623 с.
5. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. - М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.

Сорбция – процесс самопроизвольного поглощения твердым телом или жидкостью веществ из окружающей среды; гетерогенный процесс, протекающий на границе раздела фаз (ТВ – газ, ж – газ, ж – ж). Вещество, которое поглощает называется сорбентом, поглощаемое вещество – сорбатом. В большинстве случаев сорбция – обратный процесс: наряду с поглощением вещества протекает обратный процесс его десорбции сорбента в окружающую среду.

Сорбент + сорбат ↔(сорбция, десорбция) сорбционный комплекс

При сорбции вещества с течением времени устанавливается равновесие, которое соответствует равенству скорости сорбции и десорбции. Количественно достигаемое равновесие характеризуется константой сорбционного равновесия. Сорбция, которая сопровождается диффузией вещества вглубь сорбента называется абсорбцией, а сорбция, которая сопровождается концентрированием вещества на поверхности сорбента – адсорбцией.

Абсорбция играет важную роль в обмене веществ, в частности в газообмене с окружающей седой. В качестве сорбента выступает жидкая фаза, в которой происходит растворение газов, либо между двумя несмешивающимися жидкостями происходит перераспределение вещества. Абсорбционное равновесие характеризуется константой распределения, где С 1 и С 2 соответствуют константе вещества в абсорбенте и в окружающей среде.

К распр = С 1 /С 2

Значение К распр зависит от природы контактирующих фаз и температуры. В целом выполняется правило: подобное растворяется в подобном, т е полярные вещества будут лучше растворяться в полярных растворителях, а неполярные – в неполярных (HCI; NH 3 – очень хорошо растворяются в воде, неполярный кислород хорошо растворяется в перфтордекалине C 10 F 22 , J 2 в CCI 4). Если К распр намного больше 1, то сорбируемое вещество преимущественно переходит в абсорбент; если намного меньше 1, то практически не сорбируется. Если извлекаемое вещество газ, то его абсорбция сопровождается резким уменьшением объема системы, что в соответствии с принципом Ле-Шателье означает: растворимость газов возрастает с увеличением порциального давления (закон Генри)

С = КгР (х)

Кг – константа Генри (константа абсорбционного равновесия); С – концентрация газа в жидкости (моль/л); Р – порциональное давление газа х.

Увеличение растворимости газов с ростом давления объясняет кессонную болезнь водолазов, летчиков, которая наблюдается при переходе человека из области высокого давления в область низкого. Количественно абсорбция газов жидкости характеризуется коэффициентом абсорбции – объем газов, который при стандартных условиях может быть поглощен одним объемом жидкости. Если абсорбция сопровождается химическим взаимодействием с растворителем, то коэффициент абсорбции резко возрастает, азот – 0,024 – в 1 л воды растворяется 24 мл азота, кислород – 0,05, SO 2 – 80, HCI – 500, NH 3 – 1300. При хемосорбции резко изменятся химический состав абсорбента (при растворении SO 2 и NO 2 в воде увеличивается кислотность среды). SO 2 + H 2 O ↔ H 2 SO 3 ↔ 2H + + SO 3 2-

2NO 2 + H 2 O ↔ HNO 3 + HNO 2 ↔ 2H+ + NO 2 - + NO 3 -

При растворении аммиака повышается щелочность растворов

NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 OH ↔ OH - + NH 4 +

В присутствии электролитов растворимость газов в жидкостях резко уменьшается (высаливание – закон Сеченова)

Адсорбция: в отличие от абсорбции адсорбция связана с поглощением вещества на поверхности раздела контактирующих фаз. При адсорбции различают адсорбент – вещество, на поверхности которого протекает адсорбция и адсорбат – компонент, который концентрируется на поверхности адсорбента. Адсорбция бывает:

Физическая – обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия и образования Н связей (Э = 4-40 кДж/моль). Благодаря незначительной энергии физическая адсорбция всегда обратима и сопровождается экзотермичностью.

Химическая – не обратима, связана с химическим взаимодействием адсорбента и адсорбата (Эсв = 400 кДж/моль).

На практике чаще всего используют для поглощения газов, паров, растворимых веществ – твердые адсорбенты (сажа, активированный уголь, аморфный SiO 2 , Al 2 O 3 и т д). количественно адсорбция характеризуется удельной адсорбцией Г – равновесное количество поглощаемого вещества на единицу поверхности или массы твердого адсорбента

Г = n/m [ммоль/Гадс][мэкв/Гадс][мг/Гадс]

Адсорбция – чисто поверхностный процесс – молекулы сорбируемого вещества покрывают поверхность адсорбента мономолекулярным слоем. Сорбция протекает на активных центрах сорбента: выступах, впадинах, капиллярах, трещинах, ребрах, углах – для кристаллических сорбентов.

Количество поглощаемого газа или пара в твердых сорбентах зависит от следующих факторов: природы и площади поверхности сорбента, природы поглощаемого газа или пара, концентрации или плотности газа (пара). Для кристаллической сорбции удельная поверхность составляет до 10м 2 . У пористых сорбентов удельная поверхность может достигать 10 3 , 10 5 м 2 /г. Чем больше удельная поверхность, тем активнее сорбент. Сорбируемость газа или пара определяется его сродством к поверхности сорбента: полярные молекулы лучше сорбируются на полярных сорбентах (пары воды поглощаются силикогелем SiO 2); неполярные вещества на неполярные сорбенты (масла активируемым углем). При физической адсорбции многокомпонентной газовой смеси лучше сорбируется тот газ, который легче сжимается (повышение температуры кипения). Т к физическая сорбция – экзотермический процесс, то с ростом температуры в соответствии с принципом Ле-Шателье эффективность адсорбции резко уменьшается. Зависимость удельной адсорбции от концентрации (давления) описывается изотермой Ленгвьюра

Г = Г бесконеч * КС/ 1+КС, Г = альфа * с / 1 + ветта*с, где

Г бесконеч – максимальная удельная адсорбция, К – константа сорбционного равновесия, С – равновесная концентрация, установившаяся в растворе.

При низких концентрациях в растворе знаменателем можно пренебречь Кс<<1, тогда уравнение принимает вид Г = Г бесконеч КС, т е удельная адсорбция прямо пропорциональна равновесной концентрации. При очень больших С, КС>>1 тогда удельная адсорбция Г => Г бесконеч

Таким образом изотерма Ленгвьюра имеет вид