11.4. Сорбционные процессы

Наличие несбалансированных сил на поверхности дисперсной фазы определяет наличие взаимодействия таких поверхностей с прилегающими к ним фазами.

Сорбцией(от лат. “sorbeo” – поглощаю) называют любой процесс поглощения одного вещества другим (сорбентом).

В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию. абсорбцию и хемосорбцию.

Адсорбциейназывают изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Другими словами, адсорбция –поглощение поверхностью вещества.

Поверхностная адсорбция играет чрезвычайно важную роль в механизме действия многих катализаторов. Именно на твердых катализаторах адсорбируются молекулы и затем реагируют друг с другом.

Адсорбция газов твердыми телами играет большую роль в процессах газообмена организма с окружающей средой. Сорбция газов и паров на твердых поверхностях используется в системах автономной очистки воздуха (системы жизнеобеспечения в замкнутых пространствах подводных лодок и космических кораблей, а также в противогазах).

Первый противогаз для защиты от ядовитых газов – противогаз Куманта – Зелинского – Авалова– был изобретен в России в годы первой мировой войны, что спасло жизнь русским солдатам.

Инженер Кумантпредложил резиновую маску, к которой прикреплялся сам противогаз. Великий русский химикНиколай Дмитриевич Зелинский предложил в качестве сорбента использовать активированный березовый уголь. А инженерАваловизобрел клапан, облегчающий дыхание в противогазе.

Активированный уголь – чрезвычайно эффективный адсорбент с развитой поверхностью. Установлено, что 50 см³такого угля могут поглотить до 950 см³газообразных веществ.

Однако явление адсорбции кислорода и паров воды каменным углем в условиях затрудненного теплоотвода (больших штабелях) может привести к процессу самовозгорания. Адсорбция – экзотермический процесс, и при определенных условиях выделяющееся тепло может способствовать процессу окисления компонентов угля. Этот факт необходимо учитывать при оценке пожарной опасности технологических процессов хранения и транспортировки угля и других материалов, способных к самовозгоранию.

Абсорбциейназывается такоепоглощение одного вещества другим, которое происходитво всем объемесорбента. Примером такого процесса является растворение газов в жидкостях.

Хемосорбциейназываетсяпоглощениеодного вещества другим, сопровождающеесяхимическими реакциями.

Примером этого процесса может быть поглощение аммиака водой, поглощение углекислого газа оксидом кальция и др. Хемосорбированный слой более устойчив, чем адсорбированный.

На практике встречаются комбинации этих механизмов сорбции.

Хроматографические методы

Явление адсорбции лежит в основе большого класса методов выделения и концентрирования веществ – хроматографических методов.

Любую разновидность хроматографии можно определить как физико-химический метод разделения смесей веществ, основанный на их распределении между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых является неподвижной, а другая – подвижной.

Неподвижная фаза представляет собой поверхностно-активное твердое тело или жидкость, закрепленную на поверхности инертного твердого носителя. Подвижная фаза – газ или жидкость, которые проходят через слой неподвижной фазы.

Метод был открыт в 1903 году Михаилом Семеновичем Цветом, который впервые применил его для разделения пигментов листьев растений. Один из английских ученых оценил открытие Цвета так: "был предложен новый остроумный метод химического анализа, которому предназначено оказать влияние на жизнь человечества и всего живого мира".

В адсорбционной хроматографиипроцесс разделения основан на различии в относительном сродстве соединений к твердому адсорбенту (неподвижная фаза), а подвижной фазой служит жидкость (колоночная адсорбционная или тонкослойная хроматография).

В распределительной хроматографиивещества распределяются между двумя жидкими фазами (жидкостная распределительная хроматография) или между неподвижной жидкой и газовой фазами (газо-жидкостная хроматография).

В жидкостной хроматографиинеподвижная фаза может представлять собой пленку или слой (хроматография на бумаге или тонкослойная хроматография) или может быть диспергирована на объемном носителе (колоночная распределительная хроматография).

В основе ионообменной хроматографиилежит обратимый обмен ионов, содержащихся в растворе, на подвижные ионы ионообменников.

Особняком в ряду хроматографических методов стоит афинная или биоспецифическая хроматография. В ее основе лежит свойство высокомолекулярных и других биологически активных соединений "узнавать" в любой смеси "свои" строго определенные вещества и взаимодействовать с ними. Так, антиген "узнает" антитело, гормон – "свой" рецептор и т.д.

Основные задачи хроматографического анализа:

1. Идентификация нескольких компонентов в одном образце.

2. Удаление соединений, мешающих анализу другим методом.

3. Концентрирование компонента, присутствующего в виде следов в сложной смеси с целью его дальнейшего анализа.

4. Решение специальных задач, например, вопросов химического превращения компонентов (главным образом, токсических) в окружающей среде.