Характеристики твердых адсорбентов. Правила подбора

(выбора) адсорбентов

Углеродные сорбенты получают из всевозможного сырья, которое при определенных условиях может давать твердый углеродный остаток – ископаемых углей, торфа, древесины, ореховой скорлупы, фруктовых косточек и животных костей.

Лучшими считаются угли, полученные из скорлупы кокосовых орехов и абрикосовых косточек.

Углеродные сорбенты используют в различной форме: в виде порошка с размером частиц до 0,8 мм, гранул более крупного размера, пленок, волокон тканей.

Для повышения адсорбционной способности углеродных сорбентов их дополнительно активируют, выдерживая при повышенной температуре в присутствии паров воды и углекислого газа. В процессе активации выгорает смола, заполняющая поры углей, удельная поверхность адсорбента, а, следовательно, и его адсорбционная способность, возрастают.

Удельная поверхность активированного угля, включая поверхность всех его пор, может достигать 1000 м²/г.

Применение:

– очистка воды, пищевых масс;

– очистки и разделения газов;

– в хроматографии, в медицине. Так, например, углеродные гемосорбенты применяют для очистки крови у больных, а энтеросорбенты - внутрь в целях очистки организма от вредных веществ и микробов.

Цеолиты(в переводе с греческого «кипящий камень» из-за способности вспучиваться при нагревании) – природные и синтетические алюмосиликатные материалы. Кристаллическая структура их образована тетраэдрами [SiO₄]^4– и [AlO₄]^5–, объединенными общими вершинами в трехмерный каркас, пронизанный полостями и каналами, в которых находятся молекулы воды и катионы металлов I, II групп.

Цеолиты проявляют адсорбционные свойства после удаления воды из их полостей (при нагревании). Цеолиты различных марок имеют строго определенный размер входов в полости и каналы. Поэтому их называют еще «молекулярными ситами» за способность сорбировать лишь определенные компоненты.

Используются для выделения и очистки углеводородов нефти; очистки, осушки и разделения газов (в т.ч. воздуха); осушки фреонов; извлечения радиоактивных элементов.

Силикагельполучают высушиванием студня поликремниевой кислоты; по химическому составу – это SiO₂. Товарный силикагель выпускают в виде зёрен или шаровидных гранул; удельная поверхность составляет ~ 500 м²/г.

Силикагели используют для поглощения паров воды и органических растворителей, адсорбционной очистки неполярных жидкостей, в газовой и жидкостной хроматографии для разделения спиртов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др. Крупнопористые силикагели применяются как носители катализаторов.

Бентониты, или бентонитовые глины (от названия месторождения Бентон, США) – тонкодисперсные глины, состоящие на 60-70 % из минералов группы монтмориллонита (Al₂O₃∙4SiO₂∙H₂O).

Применение:

– в пищевой промышленности – для осветления и стабилизации виноматериалов и вин, и частично фруктовых соков, для очистки растительных масел;

– в биотехнологии – для очистки белков, ферментов;

– в косметологии.

Твердые адсорбенты делятся на две группы:

1) пористые;

2) непористые.

Пористость адсорбента определяется отношением суммарного объема пор V_п к общему объему адсорбента V_адс

П = V_п/ V_адс.

В зависимости от поперечного размера пор пористые адсорбенты подразделяются на микропористые (< 2 нм), мезопористые (2-50 нм) и макропористые (> 50 нм).

Различают полярные (гидрофильные) и неполярные (гидрофобные) адсорбенты.

Полярные (хорошо смачиваются водой) – силикагель, цеолиты, глины, пористое стекло; неполярные (водой не смачиваются) – активированный уголь, графит, тальк, парафин.

Правила подбора адсорбентов

1. При выборе адсорбента необходимо определить тип адсорбируемого вещества (полярное, неполярное, ПАВ) и среды, из которой производится адсорбция. Полярные вещества хорошо адсорбируются на полярных адсорбентах, неполярные – на неполярных.

Дифильные молекулы ПАВ могут адсорбироваться на любом адсорбенте. При этом они ориентируются своими полярными группами в полярную среду, неполярными – в неполярную.

Для адсорбции из водных растворов применяют неполярные адсорбенты, в противном случае будет сорбироваться растворитель – вода. Наоборот, если адсорбируемое вещество находится в неполярной среде, применяют полярный адсорбент.

Образовавшийся адсорбционный слой может изменить характер поверхности. Например, адсорбция дифильных молекул из водного раствора приводит к гидрофилизации поверхности угля, вследствие чего уголь приобретает способность смачиваться водой.

Правило Ребиндера (правило уравнивания полярностей): вещество может адсорбироваться на поверхности раздела фаз, если его присутствие в межфазном слое уменьшает разность полярностей этих фаз в зоне их контакта.

2. При выборе адсорбента необходимо учитывать размеры молекул адсорбтива: диаметр пор должен превышать диаметр молекул.