4.5. Значение и практическое применение адсорбции

Явления адсорбции широко распространены в природе.

С. А. Щукарев с сотрудниками показали, что процесс об­разования содо­вых и глауберовых озер, источников и в целом химический состав природ­ных вод и вод минеральных источников обусловливаются не только растворе­нием солей близлежаших горных пород, но и в сильной степени за­висят от процесса обмена ионов. Обмен ионов имеет существенное зна­чение при образовании лечебных грязей (как известно, к обмену ионами способны многие природные и ис­кусственно полученные вещества, например глауконит, пермутиты, бен­тониты, глины, силикагель, озерные и морские илы, стекла, цеолиты и др).

Согласно заключению Гольдшмидта, процессы обмена ионов щелочных металлов имеют исключительное значение для бaланca этих металлов в земной коре и в воде океанов.

Заметную роль играет ионная адсорбция в образовании рудных место­рож­дений, а также при добыче и переработке полезных ископаемых.

Гидротермальные воды выносят ионы тяжелых металлов из глубинных зон земной коры в поверхностные зоны. Здесь ионы тяжелых металлов, обладая более высокой адсорбционной способностью, чем ионы легких металлов, поглощаются алюмосиликатными породами, образуя вторичные месторождения.

По обшей технологической схеме переработки горные породы проходят различные производственные этапы – обогащение, технологическую пере­работку концентратов и др. При прохождении этих этапов существенное значение имеют так называемые вспомогательные процессы - транспорт, подготовка и очистка производственной воды, воздуха и т.д.

Следует отметить, что начиная с первичной выемки руды, которая осу-ществляется механическими способами (с применением современных горно-добывающих комбайнов и экскаваторов), значительный вклад вносят процессы, связанные с адсорбционными явлениями (рис. 4.27). Роль их с развитием техники постоянно возрастает. Это обусловлено увеличением доли добывае­мых ископаемых, которые находятся в измельченном состоянии. Естественно, что при этом свойства материала опре­де­­­ляются в большей мере поверхностными явлениями (например, процессами пылеобразования, смачивания, поглощения газов и т.д.). Рациональное осуществление процессов обогащения углей и руд и их последующего брикетирования должно основываться на знании закономер­ностей поверхностных явлений.

При бурении горных пород и выполнении последующих операций подго­товки руды (угля) к обогащению и брикетированию широко используется эффект академика П.А. Ребиндера - адсорбционное понижение прочности твердых тел.

Открытию этого эффекта предшествовало создание им одного из новых научных направлений - физико-химической механики, в котором выво­дятся зависимости прочности твердых тел от протекающих в них поверхностных явлений.

Суть эффекта в том, что при адсорбции поверхностно-активных веществ на твердом теле уменьшается его сопротивление упругим и пластическим деформациям, а также механическому разрушению. Как и в случае жид­костей, адсорбция понижает поверхностное натяжение твердых тел и поэтому уменьшает энергетические затраты, необходимые для разрушения.

Разрушение твердого тела начинается с образования микротрещин, где оно особенно эффективно облегчается адсорбцией веществ из окружающей среды. Кроме того, адсорбированные вещества относительно быстро диф­фундируют по поверхности микротрещин, которые непрерывно расширяются под влиянием приложенных напряжений.

Так, за счет адсорбционного понижения прочности скорость бурения горных пород повышается примерно на 60 %. При этом благоприятствующим фактором является то, что минералы, из которых состоят горные породы, пронизаны тончайшими трещинами. Кстати, к числу веществ, понижающих прочность горных пород, относится вода, которая уменьшает твердость известняка на 27 %, а кварцита - на 22 %.

рис. 4.27. на весь лист

Независимо от работ, связанных с эффектом П.А. Ребиндера, Б.В. Дерягин и И. И. Абрикосова показали, что жидкость, проникающая в тончайшие зазоры между соприкасавшимися поверхностями, оказывает на них расклинивающее действие (давление). Это расклинивающее дав­ление может зависеть не только от толщины слоя, но и от скорости ус­тановления равновесия, диффузии и других факторов.

Значительный интерес представляет возможность понижения твердости пород путем введения (при мокром способе бурения) соответствующих добавок, понижающих твердость (называемых понизителями твердости). У разных пород понижение твердости достигается применением различных добавок. Так, для кварцевых алюмосиликатов такими добавками являются вещества, содержащие ионы Nа⁺, С1^-, А1³⁺ и др., для карбонатных пород (известняки, мергели и др.) – ионы Na⁺, Cl^-, SO₃^2-, Mg²⁺, Ca²⁺ и др.

Понизителями твердости могут быть хлориды натрия, магния и алюминия, сода, едкий натр, а также такие адсорбирующиеся вещества, как мыло, нафтеновые кислоты, технические продукты, содержащие углеводы, и т.д.

Таким образом, добавки поверхностно-активных веществ в среду, окружающую горную породу, приводят к существенному понижению ее твердости. Важно, что количества этих веществ, необходимые для получения такого эффекта, достаточно малы (табл.4.1).

Адсорбционное понижение твердости тел может быть использовано и при ме­ха­нической обработке металлов (сверлении, фрезеровании, поли­ровке и т.п.).

В почвax имеет место адсорбция растворенных веществ из природных вод.

На основе представлений об обменной адсорбции получило развитие учение К.К. Гедройца о поглощающем комплексе, имеющее важное зна­чение для разрешения проблемы повышения плодородия почвы. Он установил, что поглощение иона почвой сопровождается выхо­дом из нее другого иона в эквивалентном количестве. Носителем обмен­ной адсорбции в почве, согласно Гедройцу, является поглощающий комп­лекс, т.е. та часть почвы, которая с химической стороны представляет смесь нерастворимых в воде алюмосиликатных и органоминеральных соеди­нений, а с физической - характеризуется высокой степенью дисперсности и большой величиной суммарной поверхности. Гедройц доказал, что в таком обмене участвуют только катионы, причем обменная способность их тем выше, чем больше валентность, в пределах же ионов одной валентно­сти - чем больше атомная масса.

Измерения, проведенные Гедройцем, показали, что величина условной емкости обмена g ¹⁶⁾ в известной мере характеризует агротехническую ценность почвы. Так, для бедных почв (подзол, суглинки) g составляет всего 0,05-0,2; для каштановых - 0,3-0,4; для чернозема - 0,6-0,8 г-экв/кг. Однако существенна не только количественная, но и качественная характеристика обменного комплекса. Например, торфяные почвы обладают большой емкостью (0,6 -1,0 г-экв/кг), однако в отличие от чернозема, где противоионами являются в основном Са²⁺ и Mg ²⁺ ионы, торф содержит в обменном комплексе главным образом ион Н⁺. Этот ион не представляет агрохимической ценности, поскольку растения вырабатывают eго сами в процессе жизнедеятельности. Поэтому торф нуждается в обогащении солевыми катионами, что достигается известкованием почв и обработкой их аммиачной водой.

Таблица 4.1.