Классификация адсорбентов по особенностям внутренней геометрической структуры

Кроме химической структуры следует учитывать и особенности внутренней геометрической структуры адсорбентов.

С этой точки зрения адсорбенты делятся на две группы:

первая группа  непористые адсорбенты;

вторая группа  пористые адсорбенты, подразделяющиеся на однородно пористые и неоднородно пористые.

Пористые адсорбенты отличаются от непористых наличием системы пор, имеющих характерную структуру. Форма и ширина пор могут быть самыми разными: это могут быть и микроскопические углубления, и бороздки глубиной порядка 1 мкм, и пустоты, диаметр которых близок к диаметру молекулы адсорбируемого соединения.

Структура пустот играет важную роль в адсорбции.

Размеры отверстий пор влияют на массообмен, т.е. на скорость переноса вещества к внутренней поверхности, на которой происходят процессы адсорбции и десорбции, наиболее важные для осуществления процесса газохроматографического разделения.

Независимо от химического состава адсорбента его внутреннюю структуру принято оценивать следующими параметрами:

• геометрическая площадь поверхности стенок пор, приходящихся на 1 грамм адсорбента (удельная поверхность S_а);

• общий объем пор, приходящийся на 1 грамм адсорбента (удельный объем пор V_р);

• средний диаметр пор d₅₀, который определяется как такой диаметр, по отношению к которому поры с меньшим и большим диаметром составляют половину общей пористости;

• распределение пор по величине диаметра (функция распределения dV_p / dd₅₀ ).

Если рассматривать важное для процессов адсорбции на пористых материалах отношение среднего диаметра пор к диаметру молекул разделяемых соединений, то следует отметить две крайние ситуации:

• Средний диаметр пор по порядку величины значительно больше размеров адсорбированной молекулы. В этом случае адсорбционное равновесие устанавливается очень быстро.

• Средний диаметр пор мало отличается от диаметра молекулы.

В этом случае скорость процесса адсорбции зависит от размеров адсорбируемых молекул и формы пор адсорбента. В узких порах адсорбированные молекулы одновременно взаимодействуют с адсорбционными центрами, расположенными на противоположных стенках пор.

Такой подход приводит к делению пористых адсорбентов на три группы:

• микропористые адсорбенты, для которых величина d₅₀ < 3 нм, а S_a > 500 м²/г;

• мезопористые адсорбенты с порами переходного диаметра от 3 до 200 нм;

• макропористые адсорбенты, для которых величина d₅₀ > 200 нм, а S_a < 10 м²/г;

Для того чтобы массообмен проходил достаточно быстро, адсорбент должен быть преимущественно макропористым. В то же время большая удельная поверхность обуславливает высокий коэффициент емкости, а следовательно, и критерий разделения. В этой связи приходится искать оптимальные соотношения между желаемым временем анализа и степенью разделения.

Таким образом, если сформулировать основные требования, которые предъявляются к адсорбентам, то следует отметить следующие:

• высокая химическая, механическая и термическая стабильность;

• адсорбционная активность должна быть известна и должна соответствовать области применения;

• поверхность адсорбента должна быть физически и химически однородна;

• распределение пор по размерам должно быть равномерным;

• свойства адсорбента должны быть легко воспроизводимы;

• адсорбент должен характеризоваться селективностью по отношению к разделяемым соединениям;

• размеры гранул адсорбента должны быть оптимальными для обеспечения высокой скорости диффузии разделяемых веществ и плотности упаковки колонки.