Молекулярная адсорбция из растворов на твердых адсорбентах.

Если растворенное вещество - слабый электролит или неэлектролит, то он адсорбируется на поверхности твердого адсорбента в форме молекул. Поэтому между адсорбцией газов и молекулярной адсорбцией из растворов много общего. Отличие заключается в том, что при этом между молекулами растворенного вещества и растворителя возникает конкуренция за возможность взаимодействовать с поверхностью адсорбента.

Количественно величину молекулярной адсорбции (в моль/кг или моль/г) можно оценить по разности исходной и равновесной концентраций растворенного вещества:

(С_о  С_равн)·V

а = 

m

где С₀ - исходная концентрация растворенного вещества, моль/л; С_равн - равновесная концентрация растворенного вещества, моль/л; V - объем раствора, из которого происходит адсорбция, л; m - масса адсорбента, кг.

Молекулярная адсорбция из растворов зависит от следующих факторов: 1) природы адсорбента; 2) природы растворителя; 3) природы растворенного вещества (адсорбата); 4) концентрации растворенного вещества в растворе; 5) температуры.

1. Как и в случае адсорбции газов, влияние природы адсорбента на процесс молекулярной адсорбции из растворов определяется удельной поверхностью адсорбента и его сродством к поглощаемому веществу. Гидрофильные полярные адсорбенты (силикагель, глины, стекла) хорошо поглощают полярные веществ и плохо - неполярные; гидрофобные неполярные адсорбенты (сажа, активированный уголь), напротив, хорошо поглощают неполярные вещества и плохо - полярные. Чем более развита поверхность адсорбента, тем в большей степени протекает молекулярная адсорбция на его поверхности.

2. Чтобы устранить возможную конкуренцию между растворителем и адсорбатом за возможность взаимодействия с адсорбентом, природа растворителя должна сильно отличаться как от природы растворенного вещества, так и от природы адсорбента. Чем хуже данный растворитель смачивает поверхность адсорбента и чем хуже растворяет вещество, тем лучше происходит адсорбция растворенного вещества.

3. Как уже указывалось, природа адсорбата и адсорбента связаны между собой правилом "подобное взаимодействует с подобным". Согласно правилу Шилова, чем больше растворимость вещества в данном растворителе, тем хуже оно адсорбируется на поверхности твердого адсорбента.

В системах полярный растворитель - малополярный адсорбент адсорбция ПАВ подчиняется правилу Дюкло-Траубе. В системах неполярный растворитель - полярный адсорбент выполняется обращенное правило Дюкло-Траубе: с ростом длины углеводородного радикала адсорбция снижается. Это связано с увеличением растворимости ПАВ в неполярных растворителях с ростом длины углеводородной цепочки.

Ребиндер сформулировал правило выравнивания полярностей контактирующих фаз, согласно которому лучше всего адсорбируются те вещества, при адсорбции которых происходит выравнивание полярностей соприкасающихся фаз. Другими словами, на полярных адсорбентах лучше адсорбируются полярные адсорбаты из неполярных растворителей, а на неполярных адсорбентах лучше адсорбируются неполярные адсорбаты из полярных растворителей.

Эффективней всего адсорбируются вещества с дифильной структурой молекулы, т.е. состоящие из полярного и неполярного фрагментов. Адсорбция таких веществ связана с определенной ориентацией этих фрагментов к фазам различной полярности. Так, полярный фрагмент всегда обращен к полярной (гидрофильной) фазе - воде, силикагелю, тогда как неполярный фрагмент - к неполярной (гидрофобной) фазе - активированному углю, маслу (рис.17).

Н₂О Масло

Полярная Неполярная

фаза фаза

Неполярная Полярная

фаза фаза

Активированный уголь Силикагель

Рис.17. Ориентация дифильных молекул растворенного вещества

на поверхности твердого адсорбента

4. Влияние концентрации растворенного вещества на процесс молекулярной адсорбции его из раствора при постоянной температуре описывается уравнением Лэнгмюра.

5. При повышении температуры адсорбция вещества из растворов уменьшается из-за ослабления взаимодействия между поглощаемым веществом и адсорбентом, а также из-за улучшения растворимости вещества в растворителе.

Молекулярная адсорбция из растворов на твердом адсорбенте широко используется в медицинской практике. При отравлениях принимают активированный уголь, адсорбирующий как газы, так и токсичные молекулы из пищеварительной системы. Одна таблетка активированного угля имеет адсорбционную поверхность порядка 100 м². Сорбционная детоксикация крови и лимфы на активированном угле лежит в основе процессов гемо- и лимфосорбции. Молекулярная адсорбция применяется для очистки питьевой воды и сточных вод промышленных предприятий.