5. Адсорбция

Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на поглощении газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми пористыми поглотителями.

Твердый пористый поглотитель называется адсорбентом, поглощаемое вещество – адсорбтивом.

Явление адсорбции объясняется наличием притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива. На границе раздела фаз действуют неодинаковые силы притяжения со стороны молекул носителя и адсорбента. Молекулы адсорбтива, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают ее свободную энергию, в результате чего выделяется тепло.

Силы притяжения со стороны адсорбента могут быть либо физическими (Ван-дер-Ваальсовы), либо химическими. Соответственно этому различают адсорбцию физическую или химическую.

При физической адсорбции выделяется незначительное количество теплоты. Физическая адсорбция обратима (десорбция). После химической адсорбции обратимый процесс практически неосуществим.

Разновидностью адсорбции является капиллярная конденсация. Капиллярная конденсация зависит от связей вещества, находящихся на поверхности твердого поглотителя в жидком состоянии.

Если жидкость смачивает поверхность адсорбента, то происходит конденсация пара с заполнением объема капилляров этой жидкостью. Явление капиллярной конденсации основано на понижении давления p_нас над вогнутой поверхностью жидкости в капилляре. Перечисленные виды адсорбции сопутствуют друг другу.

Количество вещества, поглощаемого адсорбентом, определяется состоянием равновесия и зависит от природы адсорбента и адсорбтива, концентрации адсорбтива в исходной смеси, , T, а также влажности адсорбента.

Адсорб­ция чаще всего применяется при малых концентра­циях адсорбтива в исходной смеси, когда требуется возможно более полное его поглощение. При высоких исходных кон­центрациях адсорбтива процессу адсорбции нередко предше­ствуют другие поглотительные процессы (например, абсорб­ция), с помощью которых концентрация распределяемого компонента в распределяющей фазе снижается до достаточно низкой величины, после чего и ведет­ся глубокая доочистка газа, жидкости методом адсорбции.

Адсорбция используется для очистки газовых (жидких) сме­сей от нежелательной примеси или для выделения этой приме­си в качестве целевого продукта; оптимальной является реали­зация совместно обеих целей, т. е. приближение технологии к безотходной.

Особенностью процесса адсорбции является его избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из парогазовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов. А затем в других условиях производить их десорбцию, т. е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.

Благодаря селективности поглощения различных компонентов адсорбция является одним из эффективных про­цессов разделения. Вместе с тем она составляет одну из стадий проведения гетерогенной химической реакции – каталити­ческой или некаталитической. В тех случаях, когда сама реак­ция идет быстро, а пропускная способность адсорбционно-десорбционной стадии мала, адсорбция (или десорбция) может выступать в роли лимитирующей стадии процесса химического превращения в целом.

После осуществления адсорбции, как правило, производят десорбцию поглощенного компонента. Это позволяет вновь использовать освобож­денный от компонента адсорбент. Промышленные адсорбенты чаще всего очень дороги, так что одноразовое их использование экономи­чески невыгодно, иногда — просто недопустимо. После де­сорбции обычно необходимо провести активацию адсорбента, чтобы восстановить его адсорбционные свойства. Стадии де­сорбции и активации адсорбента составляют регенерацию. После регенерации адсорбент готов к повторному исполь­зованию.

Адсорбция широко применяется в химической технологии:

– для осушки газов и их очистки с выделением ценных компонентов;

– для извлечения (регенерации) растворителей из газовых (паровых) или жидких смесей;

– для осветления растворов;

– для очистки газовых выбросов и сточных вод;

– в аналитических целях (например, методы хроматографии основаны на сорбционных эффектах), а также для других слу­чаев.