Адсорбция. Общие сведения. Характеристика адсорбентов. Десорбция адсорбтива из адсорбента. Процессы ионообмена

ЛЕКЦИЯ 39

Адсорбция

39.1. Общие сведения

Адсорбция – процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов газовой или жидкой смеси твердым высокопористым поглотителем, который называется адсорбентом. Поглощаемый компонент, находящийся в исходной смеси, носит название адсорбтива или целевого компонента. Адсорбтив, поглощенный пористым адсорбентом, часто называют адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции носит название десорбции.

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (или хемосорбцию). Физическая адсорбцияобусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента под действием сил Ван-Дер-Вальса и не сопровождается их химическим взаимодействием.

При химической адсорбциив результате химического взаимодействия молекул поглощаемого компонента с поверхностными молекулами поглотителявозникает химическая связь.

Адсорбция – процесс экзотермический. Выделяющееся при этом тепло называется теплотой адсорбции. Теплота физической адсорбции сравнительно невелика (ориентировочно от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей на моль поглощенного компонента), т. е. лишь немного превышает теплоту конденсации паров адсорбтива. Теплота химической адсорбции соответствует удельной теплоте химической реакции поглощаемого вещества с веществом адсорбента, может достигать нескольких сотен килоджоулей на моль поглощенного компонента и значительно превышает теплоту физической адсорбции. Физическая адсорбция ‑ обратима, химическая адсорбция ‑ необратима. Обратимость физической адсорбции дает возможность производить последовательно адсорбцию и десорбцию. Сочетание процессов адсорбции и десорбции позволяет в промышленности получать отдельные компоненты газовой или жидкой смеси в чистом виде.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и сушке газов, при разделении смеси газов и паров, очистке сточных вод, производстве антибиотиков, очистке нефтяных фракций, а также для выделения из смеси компонентов с низкой концентрацией или близкими физико-химическими свойствами. Процессы адсорбции часто сопутствуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты десорбируются, например, при каталитическом окислении двуокиси серы в трехокись на поверхности платинового катализатора в производстве серной кислоты и других процессах.

39.2. Характеристика адсорбентов

Адсорбционной способностью могут обладать любые пористые твердые тела, однако в промышленности используют только твердые адсорбенты с сильно развитой внутренней поверхностью, включающей поры (капиллярные каналы) различных размеров. В зависимости от размеров поры в адсорбентах условно разделяют на три типа: микропоры, переходные поры (мезопоры) и макропоры.

Микропорыимеют размеры, соизмеримые с размером молекул поглощаемого компонента. Эффективные радиусы микропор находятся в интервале от 5·10^–10 до 1,5·10^–9 м.

Переходные поры имеют эффективные радиусы, намного превышающие размеры адсорбируемых молекул. Они колеблются в пределах от 1,5·10^–9 до 1,5·10^–7 м.

Макропоры – самые крупные поры адсорбентов, их эффективные радиусы больше 2·10^–7 м. Они являются транспортными каналами в зернах адсорбента.

В зависимости от преобладающего размера пор адсорбенты подразделяются на три структурных типа: макропористые, переходно-пористые и микропористые.

Макропористые адсорбенты в химической промышленности не используют, основной областью их применения является хроматография.

Адсорбенты характеризуются динамической и статистической активностью. После некоторого времени адсорбент перестает полностью извлекать поглощаемый компонент и начинается «проскок» компонента через слой адсорбента. С этого момента концентрация распределяемого компонента в отходящей парогазовой смеси возрастает, вплоть до наступления равновесия.

Количество вещества, поглощенное единицей массы или объема адсорбента за время от начала контакта фаз до «проскока», определяет динамическую активностьадсорбента.

Количество вещества, поглощаемое единицей массы или объема адсорбента за время от начала контакта фаз до установления равновесия, определяет статическую активностьадсорбента.

Наиболее распространенными промышленными адсорбентами являются активированные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты. Указанные адсорбенты изготавливаются зернистыми, в виде частиц неправильной или почти правильной сферической формы размером 2 ‑ 8 мм, и пылевидными, состоящими из частиц размером 50 ‑ 200 мкм.

Активированные угли получают из различных видов углесодержащего сырья (древесина, торф, бурые и каменные угли, кости животных, скорлупа орехов и др.) путем их термической обработки без доступа воздуха. Полученный при этом уголь является крупнопористым, поэтому он подвергается активации с целью освобождения части пор и образования новых. Активация производится окислением газом или паром при температурах 850 – 900 °С либо обработкой химическими реагентами при температурах до 650 °С.

Активированные угли имеют удельную поверхность порядка 1000 ‑ 1200 м²/г. Они гидрофобны, поэтому могут успешно применяться для адсорбции паров органических веществ из газовых  смесей.