Глава 16. Адсорбция, экстрагирование и ионный обмен

16.1. Общие сведения

Адсорбциейназывается процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой, парогазовой или жидкой смеси твердым поглотителем, называемымадсорбентом. В данном разделе будет рассматриваться адсорбция из газовой фазы, однако все рассуждения и соотношения, за исключением (16.2а), применимы для адсорбции из жидкой смеси.

Адсорбируемое вещество, находящееся в газе, называется адсорбтивом, а после его перехода в фазу адсорбентаадсорбатом.

Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится возможным обратный процесс выделения поглощенных веществ из адсорбента в газовую фазу (десорбция) или жидкую (экстрагирование).

Адсорбция применяется главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация извлекаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

В промышленности процессы адсорбции используются при очистке и осушке газов с целью удаления ненужных примесей или при извлечении ценных компонентов из газовой смеси, например, рекуперация летучих растворителей.

Способность твердых тел поглощать вещества из газовой фазы объясняется особыми свойствами молекул поверхности твердого тела. Их силовые поля в противоположность силовым полям молекул, расположенных в объеме твердого тела в окружении других молекул, не уравновешены, в результате чего возникает сила, направленная к поверхности твердого тела (сила притяжения). Под действием этой силы и происходит притяжение молекул из газовой фазы. В зависимости от природы сил, действующих на поверхности твердого тела, различают физическую и химическую адсорбцию. Последнюю, обычно, называют хемосорбцией. Как разновидность хемосорбции может рассматриватьсяионный обмен(ионообмен), заключающийся в обмене ионами между твердой фазой и раствором электролита.

Физическая адсорбция происходит под действием сил взаимного притяжения молекул газа молекулами на поверхности твердого тела вандерваальсовскимисилами. Действие вандервальсовских сил проявляется на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул газа. Поэтому при физической адсорбции на поверхности адсорбента обычно удерживается несколько слоев молекул поглощаемого вещества.

При химической адсорбции, или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного газа и поверхностными молекулами адсорбента возникает химическая связь.

Важнейшими характеристиками адсорбента являются поглотительная способностьиселективность. Под поглотительной способностью понимается количество вещества, которое может быть поглощено единицей массы или объема адсорбента, а под селективностьюизбирательная способность поглощения целевых компонентов (или компонента) из разделяемой газовой смеси.

16.2. Виды адсорбентов и их характеристики

В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по радиусу капиллярные каналы поры, которые условно могут быть разделены намакропоры(более 10^-7м),переходныепоры (10^-9 10^-7м),микропоры(r< 10^-9м). Характер процесса адсорбции определяется размером пор.

Удельная поверхность макропор относительно мала, поэтому на их поверхности (стенках) адсорбируется небольшое количество вещества. Макропоры играют, в основном, роль транспортных каналов для адсорбируемых молекул газа.

На поверхности переходных пор, размеры которых значительно больше размеров адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции образуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слоев толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в несколько молекул (полимолекулярная адсорбция).

Размеры микропор приближаются к размерам адсорбируемых молекул, и адсорбция в микропорах приводит к заполнению их объема. Вследствие этого говорить об образовании слоев поглощенного вещества на поверхности микропор не имеет смысла. Обычно микропоры пересекаются макро- и переходными порами, что сокращает путь, проходимый адсорбируемыми молекулами, и приводит к ускорению адсорбции.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной способностью, определяемой концентрацией поглощенного вещества в единице массы или объема адсорбента. Поглотительная способность адсорбента по отношению к данному веществу зависит от температуры и давления, при которых производится адсорбция, а также от концентрации поглощаемого вещества в газе. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента называется его равновесной или статической активностью. В промышленности в качестве адсорбентов применяются, главным образом, активные угли и минеральные адсорбенты (силикагели, цеолиты и др).

Активные угли.Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углесодержащих веществ (дерево, костей и др.) целью удаления легколетучих компонентов и активирования полученных углей для повышения их пористости. Удельная поверхность активных углей колеблется от 600 до 1700 м²/г. Активные угли применяются в основном для поглощения органических веществ. Недостатком активных углей является их горючесть; в воздухе они возгораются при температуре около 300С.

Силикагели.Это минеральный адсорбент, представляющий собой высушенный гель кремневой кислоты. Силикагели отличаются однородностью и узким распределением пор. Удельная поверхность силикагеля изменяется от 400 до 770 м²/г. Силикагели применяются главным образом для осушки газов. Поглотительная способность силикагелей по отношению к парам органических веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных углей.

Цеолиты. Эти адсорбенты являются природными или синтетическими минералами (алюмосиликаты щелочных металлов). В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Эти цеолиты проявляют молекулярно-ситовое действие, которое заключается в их способности не поглощать молекулы, диаметр которых больше диаметра пор. Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и их часто используют для глубокой осушки газов, содержащих небольшие количества влаги.