Міністерство охорони здоровя України Лубенське медичне училище

Адсорбція дуже поширене явище, яке використовується у хімічній, металургійній, харчовій промисловості при очищенні, розділенні і концентруванні рідинних і газових середовищ. Адсорбція – мимовільне концентрування речовини на поверхні поділу фаз. Речовина, яка адсорбує на своїй поверхні іншу речовину носить назву адсорбента; речовина, яка адсорбується з обєму має назву адсорбтив; ця ж речовина, яка вже адсорбувалася називається адсорбатом. Тобто для адсорбованої речовини використовують терміни адсорбтив (до адсорбції) та адсорбат (після адсорбції). Частка молекули з поверхні може перейти знову в обєм. Процес зворотний адсорбції є десорбція.

Адсорбцію виражають у абсолютних та надлишкових величинах. Абсолютна адсорбція (А) - це кількість адсорбату на одиницю поверхні адсорбенту, що дорівнює добутку концентрації адсорбату у поверхневому шарі і товщині цього шару : Надлишок адсорбату у поверхневому шарі порівняно з його кількістю в обємної фазі характеризує надлишкову чи гіббсовську адсорбцію, яка показує на скільки збільшилася концентрація адсорбата внаслідок адсорбції, де - рівноважна концентрація адсорбата в обємі. Якщо, то Г=А. Адсорбція відноситься до поверхневих явищ і проходить мимовільно. Концентрування речовини на поверхні поділу фаз відбувається до досягнення рівноваги між процесами адсорбції та десорбції, тобто до досягнення dG=0. Практично це відповідає рівності хімічних потенціалів адсорбенту і адсорбтиву. Таким чином, адсорбцію можна визначити як процес вирівнювання хімічного потенціалу, який призводить до змінення концентрації компонентів на межі поділу фаз порівняно з їх концентрацією в обємі. У випадку адсорбції одного компонента це рівняння називають фундаментальним рівнянням адсорбції Гіббса. Залежність між адсорбцією, концентрацією ПАР та зміною поверхневого натягу виражається рівнянням Гіббса, де - зміна поверхневого натягу, яка відповідає зміні концентрації ; - поверхнева активність; R - універсальна газова стала; T - температура.

Залежно від природи адсорбційних сил розрізняють фізичну та хімічну адсорбції. При фізичній адсорбції взаємодія адсорбенту та адсорбату здійснюється за рахунок сил Ван-дер- Ваальса та водневих звязків. Молекули адсорбату зберігають свої індивідуальні властивості. Фізична адсорбція зворотня, малоспецифічна, нелокалізована і зменшується зі збільшенням температури. При хімічній адсорбції (хемосорбції) молекули адсорбату утворюють з адсорбентом поверхневі хімічні сполуки. Хемосорбція незворотня, специфічна та локалізована. Теоретично адсорбція на сучасному рівні розроблена Брунауером, Емметом, Теллером (теорія БЕТ). Вона враховує наявність активних центрів адсорбції і можливість утворення декількох шарів адсорбату. Залежно від агрегатного стану адсорбенту і адсорбтиву розрізняють адсорбцію на межі твердого тіла та газу (Т-Г); рідини і газу (Р-Г); рідини і ПАР (Р-Р); твердого тіла і рідини (Т-Р). Ван-дер-Ваальс

Адсорбція на межі рідина – газ (Р-Г) На межі поділу рідина-газ (вода-повітря) можуть мимовільно адсорбуватися молекули поверхнево-актиних речовин (ПАР), що формують межеві адсорбційні шари, які радикально змінюють властивості поверхні поділу фаз та дисперсних систем. Речовини, які зменшують поверхневий натяг чистих розчинників і концентруються на поверхні поділу фаз, мають назву поверхнево-активних речовин (ПАР). До них належать органічні кислоти, спирти, аміни, сульфопохідні, синтетичні миючі засоби, мила, білки тощо. Молекула ПАР дифільна і має полярну та неполярну частини. Полярна частина гідрофільна і сприяє розчиненню ПАР у воді, а неполярна частина гідрофобна і сприяє розчиненню ПАР у неполярних розчинниках. При розчиненні ПАР у воді поверхневий натяг зменшується (поверхневий натяг 0,005 M розчину стеарату натрію приблизно ). При додаванні ПАР у рідину взаємодія їх з диполем води (розчинника) слабкіша, ніж взаємодія між молекулами води, і молекули ПАР виштовхуються в поверхневий шар, де концентруються. Підвищення концентрації ПАР приводить до зниження поверхневого натягу, що можна виразити ізотермою поверхневого натягу (малюнок). – Ізотерми поверхневого натягу (а) і адсорбції (б): 1 – для поверхнево-активних речовин; 2 – для поверхнево-інактивних речовин; 3 – для речовин, які не впливають на поверхневий натяг; - поверхневий натяг чистого розчинника.

Поверхнева активність ПАР одного гемологічного ряду збільшується в 3 – 3,5 раза при збільшенні вуглеводневого радикала на одну групу (правило Дюкло-Траубе). Дія правила обмежена кількістю атомів Карбону у молекулі. Збільшення кількості атомів Карбону приводить до зменшення поверхневого натягу, але не в такій залежності. Зниження поверхневого натягу внаслідок адсорбції ПАР на межі поділу рідина-газ визначають за рівнянням Шишьковського, де a, b - емпірічні коефіцієнти. Зниження поверхневого натягу внаслідок адсорбції можна визначити за рівнянням Фрумкіна Залежність між адсорбцією, концентрацією ПАР та зміною поверхневого натягу виражає фундаментальне рівняння Гіббса, Виходячи з експериментальних даних, на основі рівняння Гіббса будують ізотерму адсорбції (малюнок). Малюнок– Ізотерма адсорбції поверхнево-активної речовини: 1 – чистий розчинник; 2 – ненасичений мономолекулярний шар ПАР; 3 – насичений мономолекулярний шар ПАР

Гранична адсорбція – це адсорбція у момент утворення моношару адсорбату, складеного із молекул ПАР. У цей час адсорбція зростає і залишається постійною, оскільки поверхневий шар повністю заповнений (процес динамічний). Доведено, що 1 площі адсорбційного моношару вміщує одну і ту саму мінімальну кількість ПАР одного гомологічного ряду, тому можна розрахувати площину однієї молекули, яку вона займає у моношарі де - число Авогадро, яке дорівнює. Товщина моношару залежить від довжини неполярної гідрофобної частини. Товщину моношару визначають за формулою де М - молекулярна маса ПАР; - густина. Граничну адсорбцію, використовуючи рівняння Ленгмюра, визначають експериментально-графічним методом (мал.) чи Малюнок – Графічне визначення У координатах «С/Г С» рівняння Ленгмюра описується прямою. Тангенс кута цієї прямої є величина обернена гранічній адсорбції, відрізок який відсікається на осі ординат характеризує величину. Далі знаходять чисельне значення b, яке характеризує сталу рівноваги процесів адсорбції і десорбції і повязана з поверхневою активністю.

Адсорбція на твердих поверхнях Характерною особливістю твердих поверхонь є пористись. Тверді поверхні використовують для адсорбції газів (Т-Г) або рідин (Т-Р). Адсорбція газів і рідин залежить від структури адсорбенту. У практиці застосовують різні сорбенти, найбільш поширені активоване вугілля і силікагель. Одна з основних характеристик адсорбентів – пористість (П), яка дорівнює відношенню сумарного обєму пор до загального обєму адсорбенту, тобто. Залежно від пористості тверді адсорбенти ділять на непористі (питома поверхня (1-500 м 2 /кг) і пористі. Пористі ділять: макропористі, діаметр пор нм, питома поверхня (0,5- 2)·10 3 м 2 /кг; мезопористі, діаметр пор 1,2-4 нм, питома поверхня 4·10 5 м 2 /кг; мікропористі, діаметр пор нм, питома поверхня 4·10 5 м 2 /кг.

До макропористих адсорбентів відносять хліб, макарони, муку. До мезопористих адсорбентів відносять бентоніти: каолін, монтморилоніт гідроксиду. До них належать також кремнеземисті породи природних глин (трепел, діатомит, опок), які відносять до групи алюмосилікатів, лужних та лужно-земельних металів. До мікропористих адсорбентів відносять цеоліти, які являють собою лужні та лужно-земельні алюміносилікати загальної формули. Циоліти є природні та синтетичні. Найкращим мікропористим адсорбентом є активоване вугілля та силікагель. Активоване вугілля використовується для поглинання отруйних речовин, які потрапили до організму; при шлункових захворюваннях; для поглинання надлишку газів, що накопичуються у кишечнику; деяких алергій. Застосовують у вигляді карболену – 1 таблетка карболену масою 0,25г має активну поверхню приблизно 100. Існує більш 1000 різних марок адсорбентів на основі активованого вугілля. Активоване вугілля гідрофобне (неполярне) і не змочується водою; залежно від марки (сировини та методу термічної обробки) має питому поверхню До гідрофобних адсорбентів відносять також тальк, графіт, парафін. Малюнок– Будова адсорбційного шару молекул ПАР: а – неполярне тіло (активоване вугілля) – полярна рідина; б – полярне тіло (сіликагель) – неполярна рідина (бензен)

Адсорбція на мікропорисних адсорбентах відбувається за рахунок обємного заповнення простору пор; адсорбція на мезопористих адсорбентах (d = 1,2 - 4,0 нм) являє собою капілярну конденсацію парів адсорбату. Адсорбція газів на твердому адсорбенті описується теорією мономолекулярної адсорбції Ленгмюра: на поверхні адсорбенту утворюється моношар і адсорбовані молекули локалізовані, при цьому вони мають однакову енергію; адсорбція відбувається не на всій поверхні, а тільки на активних центрах, які мають некомпенсовані міжмолекулярні сили. Кожний активний центр утримує одну адсорбовану молекулу; адсорбційний процес перебуває в динамічній рівновазі зі зворотним процесом (десорбцією); мономолекулярна адсорбція відбувається за рахунок фізичної адсорбції при невеликих тисках і температурах, а також внаслідок хемосорбції. Графічно мономолекулярна теорія адсорбції зображується ізотермою мономолекурної адсорбції Ізотерма мономолекулярної адсорбції: І – ділянка ізотерми, яка відповідає рівнянню Генрі; ІІ – ділянка ізотерми, яка відповідає рівнянню Фрейдліха; ІІІ – ділянка ізотерми, яка відповідає рівнянню Ленгмюра Математично мономолекулярна теорія адсорбції Ленгмюра описується рівнянням Ленгмюра абоабо