Адсорбция из растворов на твердых адсорбентах

В зависимости от природы адсорбтива различают: молекулярную, ионную адсорбцию и адсорбцию коллоидных частиц.

Молекулярная адсорбция ─ адсорбция из растворов неэлектролитов или слабых электролитов. В этих случаях растворенные вещества адсорбируются на поверхности твердого адсорбента в виде молекул. Активные центры на поверхности адсорбента в той или иной степени заняты молекулами растворителя. Поэтому растворенное вещество может адсорбироваться, только вытесняя с поверхности молекулы растворителя. Таким образом, адсорбтив и растворитель являются конкурентами при адсорбции. А растворитель адсорбируется тем хуже, чем больше его поверхностное натяжение. Поэтому при адсорбции из полярных, например, водных растворов применяют гидрофобный неполярный адсорбент, например, активированный уголь. При адсорбции из неполярных растворителей (углеводородов) используют гидрофильный полярный адсорбент, например, силикагель. При этом подтверждается экспериментальное правило: неполярные твердые тела лучше адсорбируют неполярные адсорбтивы и наоборот, т. е. «подобное адсорбируется на подобном».

Важным фактором является соотношение размеров пор адсорбента и молекул растворенного вещества. Так, адсорбция уменьшается, если крупные молекулы не могут попасть в узкие поры адсорбента. Далее, для крупнопористых адсорбентов установлено, в частности:

• С увеличением молярной массы растворенного вещества его адсорбционная способность возрастает;

• Непредельные органические соединения адсорбируются лучше, чем предельные.

• Адсорбционная способность предельных органических кислот увеличивается в 3 ─ 3,5 раза при удлинении углеводородной цепи на одно звено.

Ионная адсорбция ─ адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов, то есть заряженных частиц. Поэтому адсорбция сопровождается образованием двойного электрического слоя. Адсорбция является избирательной, т. е. на каждом данном адсорбенте катионы и анионы адсорбируются неодинаково. Чем более полярным является адсорбент, тем лучше он адсорбирует ионы из водных растворов. На активных центрах, несущих положительный заряд, адсорбируются анионы, на отрицательных − катионы. На адсорбцию ионов большое влияние оказывает величина радиуса иона. Чем больше радиус иона при одинаковом заряде, тем лучше он адсорбируется. В соответствии с этим ионы можно расположить в ряды по возрастающей способности к адсорбции. Такие ряды называют лиотропными рядами:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ <Rb⁺ <Cs⁺

Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺< Ba²⁺

Cl⁻ < Br⁻ < NO₃⁻ < J⁻ <NCS⁻

В направлении стрелки адсорбционная способность ионов возрастает. Чем больше заряд иона, тем он сильнее притягивается противоположно заряженной поверхностью твердого тела, тем сильнее адсорбция.

K⁺ << Ca²⁺ << Al³⁺ <<Th⁴⁺

Усиление адсорбции слева направо.

Особый интерес представляет адсорбция ионов поверхностью кристалла, в состав которого входят такие же или родственные ионы. На кристаллической поверхности преимущественно будут адсорбироваться те ионы, которые имеют общую с данной поверхностью атомную группировку (или изоморфную с ней). Например, на поверхности кристаллов иодида серебра nAgJ, полученных из растворов AgNO₃ и KJ, будут адсорбироваться из раствора ионы Ag⁺ или J⁻ (а также ионы Cl⁻, Br⁻),но не будут адсорбироваться ионы NO₃⁻ или K⁺.

Ионообменная адсорбция ─ это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора. Вещества, проявляющие способность к ионному обмену, называются ионитами. Они представляют собой твердые полиэлектролиты, у которых ионы одного знака заряда закреплены на твердой матрице, а ионы противоположного знака заряда способны переходить в раствор и заменяться на другие ионы того же знака заряда. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор, различают катиониты и аниониты. При ионном обмене у катионитов в раствор переходят катионы, которые затем могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе. Если катионит условно обозначить формулой Rⁿ⁻nKt₁⁺, то ионный обмен можно представить уравнением:

Rⁿ⁻nKt₁⁺ + nKt₂⁺ Rⁿ⁻nKt₂⁺ + nKt₁⁺

где Kt₁⁺ и Kt₂⁺ ─ катионы, участвующие в ионном обмене.

Анионит можно обозначить формулой Rⁿ⁺nA₁⁻, тогда анионный обмен представляет уравнение:

Rⁿ⁺nA₁⁻ +nA₂^─ Rⁿ⁺nA₂⁻ + nA₁⁻

где A₁⁻ и A₂⁻ ─ анионы, участвующие в ионном обмене.

Широкое распространение получили иониты на основе органических смол ─ синтетические ионообменные смолы. Их преимущества ─ высокие механическая прочность и химическая стойкость, а также большая сорбционная емкость. Размеры зерен ионитов находятся в пределах от 0,25 до 2,0 мм.