книги из ГПНТБ / Глущенко В.Ю. Введение в физическую адсорбцию учеб. пособие

7

Re отрицая суиествования поверхностна* окислов,

электрохимическая теория объясняет, например, аниоиообменные свойотва "основного" угля с позиций так называемого кислород­ ного газового электрода. При обычной температуре углерод об­ разует с кислородом промежуточные окислы типа О давшие при взаимодействии о водой гидроксильные ионы:

Далее:

я раствор электролита подщелачивается. Если "основной" уголь нейтрализует кислоту по схеме:

то "кислый" уголь, определяемый в рамках электрохимической

теории как водородный электрод, нейтрализует основания:

Cj~.2 K+-* 2 Х а + 20Н"-------— С“1 2 »1а.+ * 2 Н20

вероятно, адсорбционные, электрохимические и ионо­ обменные свойства углеродных тел правильнее рассматривать комплексно. Структура активного угля является промежуточной между графитом и оажей, упорядоченной менее, чем другие угле­ родные тела. Поэтому активный уголь содержит отдельные эле­ менты обеих структур.

9

Дру#им примером адоорбентов аморфно f структуры являвт-

ся пористые стёкла, получаемые обычно обр боткой кислотами специальных сортов стёкол. В результате ул ичения отдельных

компонентов #раэую тся поры размером от десятков до несколь-

о

ких тысяч А,

Адсорбенты корпускулярной (глобулярной) СТРУКТУРЫ.

Типичным примером таких адсорбентов являются силика­

Удельная поверхность адсорбентов такого типа определяется в основном размерами глобул; для оиликагелей она колеблется примерно от 100 vP/ г (малоактивные силикагели) до 700-800

10

u^/r (высокоактивные силикагели). Химическая пркрода поверх­ ности онликагеля более проста, чей химия поверхности угля.

В принципе, на поверхности силикагеля возможны только два ти­ па поверхноотиых функциональных групп(рис.б):

Алюмосилякагели я алюмогели также является адсорбентами кор­ пускулярной структуры.

п

Адсорбенты кристаллимвюй отргкттрн.

Тяпичный пример таких адсорбентов - пористые кристаллы.

Среда иях инте^сны цеолиты - структуры, построенные из чвре­ душихся тетраэдров AtOj^ и 0^ (заряд последнего нейтрали­ зован катионоы) и обладающие иодектлярно-оивовым действием.

Вероятно, этот ыаоо адоорбентов изучается в последнее время наиболее интенсигно. Интерес становится легко объяснимым и по­ нятным, стоит обратиться к рис.7 (взятому из [5] ) .

Рис .7 . Модели решётки (а) и полости (б) пористых кристаллов цеолитов типа А.

Самая характерная особенность таких адоорбентов - наличие пор

(каналов, окон) отлого определённых размеров, что н позволяет попользовать их как своеобразные молевуляршые скта. Успели в синтезе нх позволили уже сейчас получить большой ( и всё воз­ раставший) ассортимент цеолитов целевого назначения. Например,

цеолит типа А строго избирательно поглоиает молекулы н-гвклана из смеои с его изомером, так как эффективный' диаметр окна.

12

О

вехуиего в большую полость, составляет 1-5 А. Оша доотуп-

ян ХМ Излвкул н-гекоана и яедоступны для молекул язо­ невеяна. Чрезвычайно высокоэффективной оказывается очастка няогох орГаначеоках веществ от следов вода, особенно цеоли­ тами, еоявряаетни б полостях "свободные* катвоны jla.+,

C a+1 * другЯе. Примеры можно продолжать, то втнх пул доМаточяб, чтобы оценить важность прнмеяеняя цеоли-

тоа в совреместой техяаке.

ЙМВММФ.

К пржродяын оорбентам отвосятся пржродяые натериа-

лы, без дополжатблыюй обработки обладавшие больаой погло­

тательной опособвооты» по отнопению ж парам, жядкостям ж растворённым вваеотвам (глинистые мякералы, прародине цео-

лати, активные меля, «садки типа бокситов, торф, лжглнт,

гумус я Другое). Яоклотятелыюе многообраэме генетичаокях особенностей означает я крайне разнообразную структуру пру-

родяях ворбентов. Термин сорбент в отновеяжя мнотях мкн*.-

ральннх я органических образований употребляется здесь ае олгчайяо (вместо термина адоорбеат): адсорбция имя паров я жидкостей осложняется яалокеняем ряда сорбщгонных процессор с набухаетеи скелета к коллоидно-химических процессов, на-

врявер, коагуляцией. Исследование природных сорбентов -

задача многотрудная; даже оильно неоднородный активный уголь - обмкт более простой. :

Остановимся только на одном типе природных сорбен­ тов - глинистых минералах'. Наибольшее значение open них Ямевт столанит, палыгорокнт, монтмориллонит, вермикулит,

галлувзят.

.15

единиц сближает их с цеолитами, с другой,-известная "эллас-

тичностьи кристаллической решётки делает слоистые минералы пригодными для поглощения молекул больших размеров. Природ­ ные глинистые минералы, содержащие гидроксильные группы,

способны, как активные угли и силикагели, к ионному обмену.

Знакомство с основными типами адсорбентов (сорбентов)

можно закончить замечанием о том, что поверхность большин­

ства нэ ник в энергетическом смысле не является однородной.

Наличие поверхностных групп, обладающих отчётливо выражен­

ными функциональными свойствами, обычно осложняет обработку опытных данных. Полезно помнить, что часто требуется вно­ сить коррективы в нх трактовку исходя из особенностей конкретной системы адсорбат-адсорбент.

II . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫ МЕТОДЫ^,5,4.1.

Основной задачей исследований адсорбции является

должен быть уверен, что он имеет дело с поверхностью, также

16

изучить адсорбции одного вещее (на в присутствии некоторых количеств указанных веществ, предварительное удаление их с поверхности обязательно. Таким образом, первой стадией иссле­ дования адоорбцни является подготовка адсорбента.

Удаление газов и паров - обычно веоьма трудное дело особенно если эту операцию приходится выполнять продолжитель­ ным откачиванием при высоких температурах. Пористые адсорбен­ ты подвержены процессу спекания, ведущему к необратимому из­ менению структуры и адсорбционных овойотв, иногда - практичес ки к полной потере их. Для различных веществ температура, при которой начинается этот нежелательный процесс, различна.

Поэтому в каждом конкретном случае задач/ нужно реш ать в за­ висимости от того, на какие вопросы должен дать ответ экспе­ римент. Вели опыты проводятся на химически модифицированной поверхности, последнюю предварительно очищают от реагентов и продуктов их взаимодействия. В растворах - это тщательная отмывка (обычно веществом, в среде которого предполагается изучать адсорбцию растворённых веществ), контроль за pH

фильтрата и т .д .

х

Исследовать химическую природу поверхности* можно многими методами, но ни один из них не является универсаль­ ным. Поэтому надёжные данные могут быть получены только при использовании комплекса методов. Так как ПФГ обладают свой­ ствами, близкими к тем, которые имеют группы соответствующей природы в индивидуальных химических соединениях, при изуче­ нии поверхности не без успеха широко применяются свецифичег-

I Методы исследования пористой структуры адсорбентов будут рассмотрены в одном из следующих разделов.