3. Процес адсорбції

Процес адсорбції має багато схожого з процесом абсорбції. Однак адсорбція більш складний процес, так як майже завжди супроводжується деякими паралельними процесами. Крім поглинання сорбтиву поверхнею адсорбента, відбувається проникнення сорбтиву вглиб сорбента, капілярна конденсація та хемосорбція.

Адсорбцією називається процес вибіркового поглинання одного або декількох компонентів з газової, парової або рідкої суміші твердою речовиною - адсорбентом. Речовина, яка поглинається з газу або рідини, називається адсорбтивом, а після її переходу в фазу адсорбента - адсорбатом. Поглинання під час адсорбції здійснюється поверхнею твердого пористого тіла. Розрізняють суто фізичну адсорбцію, за якої молекули речовини, що адсорбується і адсорбенту не вступають у хімічну реакцію, і хемосорбцію, коли між адсорбентом і поглинаючою речовиною виникає хімічний зв'язок. Хемосорбція у процесах харчової технології зустрічається дуже рідко. Процес фізичної адсорбції зворотний, і під час зміни умов процесу можливе виділення поглинутих речовин адсорбентом - десорбція; хемосорбція не завжди буває зворотною. Під час адсорбції водяної пари на поверхні адсорбенту може відбуватися її конденсація. Конденсат заповнює пори адсорбенту, у зв'язку з чим адсорбцію в цьому випадку часто називають капілярною конденсацією.

Явище адсорбції зумовлене силами взаємодії, що виникають між молекулами адсорбтива і адсорбенту на поверхні розділу фаз. Між частинками (атомами, молекулами, іонами) твердого адсорбенту є надто значні сили взаємного зчеплення. Ці сили всередині твердого поглинача взаємно компенсуються і тому не виявляються як адсорбційні. Цілком інший стан у частинок твердого тіла, які знаходяться на межі розділу фаз: з боку молекул твердого тіла на них діють ті ж сили, а аналогічні зв'язки з боку іншої фази відсутні, тобто молекули на поверхні твердого тіла не врівноважені, завдяки чому вони набувають спроможності притягати до себе і утримувати молекули іншої фази. Молекули інших речовин (газу, пари, рідини) створюють на адсорбенті адсорбційний шар.

Сили взаємодії між молекулами адсорбенту і адсорбата залежно від природи цих речовин можуть носити різноманітний характер, але найчастіше вони зв'язані з електростатичними ефектами (сили Ван-дер-Ваальса). Процес адсорбції звичайно супроводжується виділенням значної кількості теплоти. Це вказує на те, що процес адсорбції не є просте осідання молекул газу або рідини на поверхні твердого тіла, а є більш складним процесом, що супроводжується змінами в стані молекул адсорбенту і адсорбтива.

Встановлено, що згідно з основним рівнянням масообміну, кількість речовини, адсорбованої на поверхні твердого адсорбенту, зростає прямо пропорційно величині поверхні контакту. Отже, основна вимога, що подається адсорбенту, полягає в тому, щоб він мав розвинену поверхню.

Матеріальний баланс адсорбції.

Для адсорбції як і для абсорбції можливо застосовувати рівняння матеріального балансу:

V( у_н + у_к) = W(х_к - х_н) = G

де W – кількість сорбенту, яка завантажена в апарат;

х_н - початковий вміст сорбтиву, віднесений до одиниці маси сорбенту;

х_к - кінцевий вміст сорбтиву по закінченні циклу роботи апарату.

Необхідно мати на увазі, що при проведенні процесу адсорбції адсорбент знаходиться найчастіше в нерухомому стані, а газ профільтровується крізь прошарок адсорбенту.

Рушійною силою процесу адсорбції являється різниця між концентраціями сорбтиву в газовій суміші та в газовій фазі, що знаходиться в рівновазі з адсорбентом.

Як і всякий процес сорбції, адсорбція прискорюється при зниженні температури і підвищенні тиску. Під час підвищення температури збільшується амплітуда коливання молекул в адсорбційному шарі, внаслідок чого вони залишають поле притягання адсорбенту і настає десорбція.

У харчовій промисловості і громадському харчуванні адсорбція застосовується для таких процесів:

- очистка дифузійного соку і цукрових сиропів у цукровому виробництві;

- освітлення пива у пивоварному виробництві, вина - у виноробстві, фруктових соків - у консервному;

- очистка води, спирту, горілки, коньяку в спиртовому і лікеро-горілчаному виробництвах;

- очистка сиропів у крохмало-паточному виробництві;

- знебарвлення (назване відбілюванням) жирів у масло-жировому виробництві;

- під час рафінування рослинних олій;

• під час осушення та очищення газів, стічних вод та інших відходів

виробництва.

Адсорбенти - це капілярно-пористі речовини, що мають розвинену поверхню, здатну .поглинати й утримувати певні компоненти із навколишнього середовища. Адсорбція зумовлюється силами молекулярного притягання. Всередині об'єму твердого тіла ці сили взаємно зрівноважуються. На поверхні тіла молекули мають нескомпенсовані сили, завдяки яким притягують із навколишнього середовища й утримують молекули інших речовин.

Нескомпенсовані сили напрямлені всередину і на поверхні твердих тіл зумовлюють існування поверхневого натягу. Адсорбція поверхнею твердих тіл молекул інших речовин частково компенсує поверхневі сили і зменшує поверхневий натяг, тобто вільну поверхневу енергію системи. Вивільнення частини поверхневої енергії спричинює теплові ефекти, тому адсорбційні процеси екзотермічні.

Адсорбенти, що використовуються у харчових виробництвах, повинні мати наступні основні властивості:

- вибірність (селективність) - спроможність поглинати тільки той компонент, що необхідно виділиш або усунути з суміші;

- максимальну адсорбційну ємність (активність);

- спроможність гранично десорбуватися, необхідну для регенерації адсорбенту;

- здібність володіти хімічною інертність за підношенням до речовин, які поглинаються;

- достатню міцність гранул, низьку вартість.

Вибірність адсорбенту і його адсорбційна ємність залежать від природи і побудови молекул адсорбенту і адсорбтива. При цьому особливо важливу роль відіграє величина питомої поверхні (поверхня одиниці паси або об'єму адсорбенту) і розміри пор адсорбенту, які значною мірою зв'язані між собою: чим менше розмір пор, тим більше питома позерки я адсорбенту і, відповідно, його активність.

Як адсорбенти використовують тверді дрібнозернисті матеріали, що мають розвинену пористу структуру, виражену селективність і велику адсорбційну ємність (активність). Під активністю розуміють кількість адсорбтиву, що поглинається одиницею поверхні (або маси) адсорбенту. Адсорбенти мають бути дешевими, механічно міцними, не вступати в хімічні реакції з речовинами, що поглинаються, і добре піддаватися багаторазовій регенерації, не руйнуючись і не втрачаючи своїх властивостей.

Пори сорбенту с розвиненою поверхнею мають бути тонкими і сполучатися між собою і з зовнішнім середовищем. За розмірами пори адсорбентів поділяють на три типи: макропори, перехідні та мікропори.

Адсорбентами можуть бути кристалічні речовини і висушені гелі. Гелі утворюються внаслідок згущення (концентрування) колоїдних розчинів, при якому колоїдні частинки зближуються, вступають у взаємодію й утворюють досить стійкі просторові структури — решітки. Висушені гелі мають ділянки з нескомпенсованими полями і проявляють здатність до адсорбції газів і парів, а також до набрякання при зануренні в рідину або її пару — тим більшу, чим еластичніша сітка гелю.

На харчових виробництвах застосовують багато адсорбентів. Найбільше розповсюдження отримали активоване вугілля, целюлозна маса, силікагель

Силікагелі та алюмогелі одержують термічним і хімічним обробленням відповідно діоксиду кремнію і гідроксиду алюмінію. Гель кремнієвої кислоти (силікагель) має мілкозернисту структуру з величиною зерен від 0,2 до 7 мм. Він володіє високою адсорбційною здатністю, що не поступається адсорбційній здатності активованого вугілля. Силікагель використовують, як правило, для сушіння газів. Переваги силікагелів - низька температура десорбції (100...200 °С), негорючість, міцність і низька собівартість.

Аналогічні властивості мають алюмогелі, але їхня активність дещо нижча, ніж силікагелів.

Найбільше застосовують для адсорбції активоване вугілля, яке отримують шляхом спеціальної обробки деревного вугілля. Активоване вугілля отримують із органічної сировини різних видів (кам'яного вугілля, деревини, тирси, відходів шкіряного, паперового, м'ясного виробництв) сухою перегонкою і подальшою активацією парою або хімічними реагентами, що забезпечують утворення тонкої структури матеріалу. В наслідок цієї обробки вугілля набуває пористу структуру, що обумовлює величезну питому поверхню. Встановлено, що питома поверхня 1г активованого вугілля складає від 600 до 1700 м². Така поверхня визначає поглинаючу здатність активованого вугілля. Його використовують у вигляді гранул розміром 1...7 мм або порошку з розмірами частинок не менше ніж 0,15 мм..

Активоване вугілля має нерівномірну пористу структуру і здатне адсорбувати речовини з різною молекулярною масою. Воно має досить високу адсорбційну ємність і добре регенерується, що дає змогу багаторазово використовувати його, але при всьому цьому активне вугілля належить до найдорожчих сорбентів. Недоліком його є горючість у повітряному середовищі (загоряється при 300 °С).

Активоване вугілля використовується в лікеро-горілчаній промисловості для очистки горілчано - спіртових розчинів, буряково – цукровому та рафінадному виробництві для обезбарвлення цукрових сиропів. Для цієї ж мети в рафінадному та крохмало – паточному виробництвах використовується кістяне вугілля, яке отримують з обезжирених кісток крупних тварин шляхом прокалювання кісток в ретортах без доступу повітря. Костяне вугілля складається з пористого мінерального скелета. Поверхня пор покрита тонким шаром карбону, який має величезну адсорбуючу поверхню.

Целюлозна маса використовується для освітлення пива, її адсорбційна здатність в десятки раз менше адсорбційної здатності активованого вугілля.

Цеоліти - найцікавіші за своїми властивостями природні й синтетичні сорбенти з тонкими порами в кристалічній структурі. Адсорбенти з однієї і тієї самої речовини з однаковою питомою поверхнею можуть відрізнятися

адсорбційними властивостями залежно від характеру пористості. Із зменшенням діаметра пор кількість речовини, що адсорбується, може помітно знижуватись, доходячи до нуля, оскільки тонкі пори можуть виявитися недоступними для великих молекул.

Цеоліти належать до адсорбентів з дуже тонкими порами, розміри яких сумірні з розмірами молекул, і виконують роль молекулярних сит, що використовуються для розподілу молекул за розмірами. В сухому стані цеоліти застосовують як адсорбенти, що добре поглинають із газової (парової) фази несиметричні молекули (Н₂О, СО₂) і молекули органічних речовин із кратними зв'язками (етилен, ацетилен тощо).

При зануренні у воду цеоліти набухають і утворюють особливу псевдо-фазу із сприятливими для проведення процесів іонного обміну властивостями, виступаючи в ролі іонітів. Адсорбенти - це тверді пористі речовини, а іоніти, хоча зовні і здаються твердими речовинами, за своїми фізико-хімічними властивостями в набухлому стані являють собою специфічну псевдофазу, яка одночасно характеризується властивостями твердих тіл і рідин.

4. Апарати для проведення сорбцій них процесів

Розглянемо роботу насадкового адсорберу. Газ подається в нижній частині апарату. Рідина, яка стікає по насадці, зміщується до стінок газовим потоком, який йде знизу, що погіршує контакт між фазами. Для усунення цього небажаного явища під решітками 3 розташовується конус 4, що спрямовує стікаючу рідину до центру нижче розташованого шару насадки.

А бсорбер з механічним перемішуванням, що інколи називається скрубером, складається з валу 1, на який насаджено ряд дисків 2 з металевої сітки. У нижній частині абсорберу є піддон 4, згори вал з дисками закривається кожухом 3. У піддон 4 підводиться і підводиться рідина, у кожусі 3 с штуцера для підведення і відведення газу. Рідина і газ рухаються й апараті протитечією. Під час обертання валу рідина підбирається з нижньої частини і розбризкується сітками, внаслідок чого досягаються значний розвиток поверхні, добрий контакт між фазами і, отже, ефективна робота апарата. Проте механічні абсорбери складні за конструкцією і в експлуатації, вимагають підвищеної витрати енергії.