Адсорбенты

АДСОРБЕНТЫ, искусственные и природные тела с развитой поверхностью, которая хорошо поглощает (адсорбирует) вещества из газов и растворов, окружающих А. Адсорбционные свойства А. зависят от химического состава и физического состояния поверхности, от характера пористости и удельной поверхности (поверхности, приходящейся на 1 г вещества). Непористые А. (молотые кристаллы, мелкокристаллические осадки, частицы дымов, сажи, аэросил) имеют удельные поверхности приблизительно от 1 м2/г до 500 м2/г. Удельная поверхность пористых А. (силикагелей, алюмогелей, алюмо-силикатных катализаторов, активных углей) достигает 1000 м2/г. Непористые высокодисперсные А. получают главным образом при термическом разложении или неполном сгорании углеводородов (получение саж), при сжигании элементоорганических или галогенных соединений (получение высокодисперсного кремнезёма - аэросила). Пористые А. получают следующими способами: 1) создавая сети пор в грубодисперсных твёрдых телах химическим воздействием; 2) приготавливая гели из коллоидных растворов - золей; при высушивании таких гелей из зазоров между коллоидными частицами удаляется растворитель и вследствие этого получаемый материал обладает развитой системой пор; 3) синтезируя пористые кристаллы типа цеолитов, приобретающие особенно большое значение как катализаторы, А. и молекулярные сита. А. получают также термическим разложением карбонатов, оксалатов, гидроокисей, некоторых полимеров, молекулярной возгонкой твёрдых тел в вакууме и другими способами.
А. применяют как носители в катализе, как наполнители для полимеров, для хроматографического разделения смесей, в противогазах, в медицине (см. Адсорбирующие средства в медицине), в нефтехимии для очистки нефтепродуктов и газов, а также в высоковакуумной технике для сорбционных насосов.

Адсорбенты, высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей. Наиболее важные А.:

• активированный уголь,

• цеолиты,

• силикагели,

• алюмосиликагели,

• сажа,

• оксиды и гидроксиды некоторых металлов (главным образом алюминия),

• губчатые металлы,

• природные минералы,

• глины (бентонит).

А. применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, для разделения спиртов, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.

Широкое применение А. находят в установках по разделению воздуха — так называемых азотных генераторах и кислородных генераторах. Помимо этого адсобционные установки применяются и при выделении водорода — водородные генераторы. 

А., используемый в промышленности — это А. с высокоразвитой поверхностью. Для понимания важности этого свойства необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие в ходе газоразделения.

Другое определение адсорбции — поверхностное явление, проявляющееся во взаимодействии двух сопряженных фаз. Фаза, представляющая поверхность, называется адсорбентом. Вторая фаза, представляющая собой газ, называется объемной фазой или адсорбированной, а обычно адсорбатом. Образование адсорбированной фазы связано с ломкой приповерхностных слоев объемной фазы, которое сопровождается выделением теплоты. Рассмотрим более подробно образование адсорбированной фазы.

Внешний слой твердого тела является обедненным, за счет отсутствия родственных связей. В результате поверхностные молекулы А. взаимодействуют с молекулами сопряженной объемной фазы, удерживая их на поверхности, то есть адсорбируя. Силы межмолекулярного взаимодействия, обуславливающие адсорбцию, называют силами ван-дер-Вальса. На расстоянии порядка полутора диаметров молекул находится потенциальная «яма» — максимум результирующей силы притяжения, в которой над поверхностью располагается молекула адсорбата. Совокупность таких молекул образует первый слой адсорбата. Дальнейшие слои практически не образуются за счет экранирования сил притяжения первым слоем. Кроме физических сил взаимодействия существуют химические, но обычно в понятие «адсорбция» не вкладывают смысл химического взаимодействия и этот процесс называют поверхностной химической реакцией. Из-за отсутствия чётких границ между физическими и химическими взаимодействиями имеет место область промежуточных взаимодействий, называемая хемосорбцией. Различить эти три явления можно по теплоте, сопровождающей взаимодействие. Эта концепция описывается уравнением Ленгмюра, которое во взаимосвязи с температурой, представляют изотермы сорбции. Согласно уравнению Ленгмюра величина адсорбции в основном определяется природой взаимодействия молекул и емкостью первого слоя. Управление ими положено в основу синтеза промышленных адсорбентов. Величина адсорбции промышленных адсорбентов составляет до 50 % от массы самого адсорбента и в первую очередь она связана с развитой поверхностью определяющей емкость первого слоя. Наиболее эффективный путь увеличения удельной поверхности — это предельно возможное уменьшение размера единичных пор в твердом теле. Например, при уменьшении размера пор от 1 мм до 1 нанометра (нм) удельная поверхность твердого тела возрастает в миллион раз. Поры размером на уровне1 нм соизмеримы с радиусом молекул многих веществ (0,1 — 0,5 нм) и поэтому являются предельными с точки зрения физического существования твердой фазы. Поры на уровне 1 нм называются микропорами. Реальные твердые сорбенты наряду с микропорами имеют и более крупные образования — мезо- и макропоры, выполняющие в основном роль транспортных артерий, подводящих за счет диффузии вещество из объемной фазы к микроструктурам.

Самым старым промышленным А. является активный уголь, синтезированный в начале 20 — го века, и используемый во многих процессах . Вторым крупным синтетическим А. , появившимся на рынке в 20 — х годах прошлого века, стал селикагель. Третью группу представляют цеолиты (алюминосиликаты легких металлов), самые молодые из промышленных А. Варьируя виды сырья, условия обработки и синтеза получают А. с разной степенью развития пор. Но всегда существует оптимум в зависимости от целевого назначения использования, поскольку размер пор должен быть минимально таким, чтобы адсорбирующиеся молекулы могли в них проникнуть, а с другой чем меньше поры, тем больше наложение сил противоположных стенок и сильнее адсорбция, а значит соответственно десорбция. Характерной особенностью цеолитов является то, что они имеют очень однородный размер пор, причем такой величины (около 1 нм), что исключают адсорбцию в них тех или иных веществ. Цеолиты имеют только такие поры и получили второе название — молекулярные сита. Долгое время эта исключительность была характерна только для них. Но в результате интенсивных работ в создании новых промышленных адсорбентов появились углеродные молекулярные сита и селикагелевые молекулярные сита с высокой однородностью пор.

Промышленные А. выпускаются в виде гранул, шариков и прессованных элементов специальной формы,. Их наружная поверхность составляет лишь малую долю общей поверхности, формирующейся в основном за счет внутренних пор. Площадь их поверхности пор составляет несколько сотен квадратных метров на грамм А.