5.2. Промышленные адсорбенты

Промышленные адсорбенты должны удовлетворять различным требованиям:

иметь большую адсорбционную способность (поглощать большие количества адсорбтива при малой концентрации в газовой или жидкой фазах); обладать высокой селективностью; быть химически инертными по отношению к компонентам смеси; иметь высокую механическую прочность; обладать способностью к регенерации; иметь низкую стоимость.

В промышленной практике наиболее широкое применение нашли следующие типы адсорбентов: активные (активированные) угли, силикагели, алюмогели и цеолиты (молекулярная сита), которые отличаются друг от друга как адсорбционными свойствами, так и размерами гранул и плотностью.

Пористые адсорбенты могут иметь макропоры, переходные поры и микропоры.

Макропоры имеют средние радиусы в пределах 1 000–2 000 (1 =10^-10 м) и удельную поверхность (0,52) м²/г. Малая величина удельной поверхности, свидетельствует о том, что макропоры не играют заметной роли в величине адсорбции. Они выполняют роль транспортных каналов.

Переходные поры со средними радиусами от 15–16 до 1 000–2 000 , удельной поверхностью 400 м²/г. Переходные поры заполняются полностью при достаточно высоких парциальных давлениях пара сорбируемого компонента.

Микропоры имеют средние размеры радиусов ниже 15-16 . По размерам поры соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Удельный объем микропор составляет примерно 0,2–0,6 см³/г.

Основная роль при адсорбции компонента в малых концентрациях принадлежит микропорам, объем которых отражает предельный объем адсорбционного пространства – одного из основных параметров пористой структуры адсорбента.

Активные угли содержат все разновидности пор. Изготавливаются из древесины, торфа, каменного угля, скорлупы орехов, косточек плодов, а также костей животных путем обугливания в нейтральной среде при t = 600–900 ⁰С (без доступа воздуха). Активируют водяным паром и смесью двуокиси углерода с водяным паром и кислородом воздуха. Нагревательный исход сырья в токе пара или смеси газов при 800–900 ⁰С позволяет получить уголь хорошего качества.

Активирование можно осуществлять также пропитыванием угля-сырья неорганическими растворами хлорида цинка, фосфорной кислотой. Затем активные угли гранулируют, получают цилиндры диаметром 1–3 мм и длиной 3–6 мм.

Активные угли значительно лучше поглощают пары органических веществ, чем пары воды, поэтому их используют для рекуперации летучих растворителей. Недостаток – горючесть.

Силикагели и алюмогели. Негорючие. Силикагели изготавливаются из геля кремниевой кислоты. Гель в свою очередь получают действием серной или соляной кислоты на раствор силиката натрия. Выделяющийся гель (SiO₂nH₂O) промывают водой, а затем просушивают при t = 100–150 ⁰C до влажности 5–7 %. После сушки силикагель представляет собой твердую стекловидную или матовую массу с высокой пористостью. Последние стадии – прокалка при 800 ⁰С, затем дробление. Силикагели используют в виде зерен размером 0,2–7 мм для осушки газовых и жидких потоков, минеральных масел, керосина, сырого бензина и т. п., а также в качестве носителей катализаторов. Существенное преимущество алюмогелей по сравнению с силикагелями – стойкость к воздействию жидкости. Алюмогель способен поглощать от 4 до 10 % воды от собственного веса. Кроме того, алюмогель используют для улавливания углеводородных примесей из воздуха, извлечения фтора из различных сред. Десорбцию паров воды из алюмогелей проводят горячим воздухом при t = 150–250 ⁰C.

Цеолиты – новый тип адсорбентов, представляет собой мелкие пористые кристаллы природных или синтетических минералов цеолитов, в которых размеры входных «окон» (отверстий) в большие полости близки к размерам поглощенных молекул. Одни молекулы из смеси веществ могут пройти в эти «окна» и адсорбенты в кристаллах цеолитов, другие, более крупные молекулы остаются в носителе.

Эффективное применение синтетических цеолитов возможно, например, для глубокой осушки газов, реактивных топлив, трансформаторных масел, для выделения этилена и пропилена из газов коксования, газов нефтепереработки, для повышения октанового числа бензинов и т. д. Исключительно высокая осушительная способность цеолитов (в области малых концентраций) обуславливает целесообразное их использование в завершающей стадии после осушки силикагелем и алюмогелем.