2.3.2. Адсорбция из растворов

Адсорбция на границах раздела твердое тело-жидкость имеет место в пластах, содержащих нефть, на твердых частицах буровых растворов и цементов. Жидкая фаза редко бывает чистой. Она состоит из собственной

жидкости, а также растворенных в ней молекул или ионов других веществ.

Адсорбция из растворов в основном походит на адсорбцию газов и паров. Однако она осложняется наличием растворителя, который также может адсорбироваться твердым телом. Поэтому адсорбция растворенных веществ меньше адсорбции газов и идет медленнее. Это объясняется тем, что убыль концентрации в слое, прилегающем к поверхности адсорбента, восполняется за счет диффузии, которая в жидкостях протекает медленнее, чем в газах. С повышением температуры величина адсорбции из растворов падает в меньшей степени, чем в случае адсорбции газов.

На границе твердое тело - раствор различают два вида адсорбции: молекулярную адсорбцию неэлектролитов (или слабых электролитов) и адсорбцию электролитов.

2.3.2.1. Молекулярная адсорбция

Молекулярная адсорбция из разбавленных растворов подчиняется уравнениям Лэнгмюра (20) и Фрейндлиха (21), в которых парциальное давление заменено равновесной концентрацией растворенного вещества:

r r

^вс _;

_МАКС ^{1  вс}

r    с^{1/ n}

(24)

Адсорбция на твердых поверхностях из растворов зависит от характера смачивания поверхности растворителем. Это является результатом конкуренции за центры адсорбции на поверхности адсорбента молекул растворенного вещества и молекул растворителя. Если растворитель хорошо смачивает поверхность твердого тела, следовательно, он сильно понижает поверхностное натяжение на границе с твердой фазой, поэтому происходит преимущественная адсорбция молекул растворителя. Если же растворитель плохо смачивает твердую поверхность, то молекулы растворителя на ней почти не адсорбируются, и на поверхности остается достаточно места для адсорбции растворенного вещества.

Все неполярные гидрофобные вещества (уголь, парафин) лучше адсорбируют поверхностно-активные вещества из водных растворов и слабо из неполярных из малополярных жидкостей. Гидрофильные вещества (силикагель, глины) лучше адсорбируют ПАВ из неполярных или слабо полярных жидкостей. Поэтому они применяются для очистки различных

фракций нефтей и нефтепродуктов.

Адсорбция ПАВ на твердой поверхности изменяет ее природу, Так, если гидрофильную поверхность обработать водным раствором ПАВ, то его молекулы ориентируются полярными группами к поверхности, а углеводородными радикалами в воздух. Если адсорбционное взаимодействие достаточно прочно, то поверхность вещества приобретает гидрофобные свойства. Капля воды на такой поверхности образует тупой угол, т.е. поверхность не смачивается водой (рис. 19).

Рис. 19. Гидрофобизация поверхности

Адсорбция ПАВ из водных растворов зависит от их природы. С увеличением длины углеводородного радикала адсорбируемость ПАВ на твердой поверхности различна: из водных растворов на гидрофобных адсорбентах растет в соответствии с правилом Траубе, из неполярных растворителей на гидрофильных адсорбентах падает (обращение правила Траубе).

Большое значение для адсорбции имеет соответствие поперечного сечения пор адсорбента и молекул адсорбтива. С увеличением размера молекул адсорбтива адсорбция на адсорбентах с узкими порами падает.

В конечном счете адсорбция из растворов на твердых поверхностях зависит от природы адсорбента, адсорбтива и растворителя. Эта зависимость определяется правилом уравнивания полярности П.А. Ребиндера:

Вещество С может адсорбироваться на поверхности раздела фаз А и В,

если оно в результате своего присутствия в поверхностном слое будет уравнивать полярности этих фаз.

Полярность характеризуется диэлектрической проницаемостью .

Следовательно, адсорбция С будет идти при соблюдении условия ε_А > _С > ε_В или ε_А < _С < ε_В.

Из правила Ребиндера вытекает: 1) чем больше разность полярности

между растворимым веществом и раствором, т.е. чем меньше растворимость

растворенного вещества, тем лучше оно адсорбируется; 2) чем ближе по своей природе адсорбент к растворителю, тем меньше адсорбируется растворенное вещество из этого растворителя. Выравнивание полярностей фаз (адсорбента и растворителя) происходит при определенной ориентации молекул ПАВ на межфазной границе (рис. 20).

а) уголь б) глина

Рис. 20. Ориентация молекул ПАВ на границе твердое тело-раствор:

а - неполярный адсорбент - полярный растворитель;

б - полярный адсорбент - неполярный растворитель.