L; адсорбція і л; довкілля КультураНауки-Хімія
Адсорбція - універсальне явище поверхні. Дійсно, будь-яка поверхня складається з атомів, не задовольняючи всіх своїх хімічних зв’язків. Тому ця поверхня має тенденцію заповнювати цю щілину, захоплюючи атоми та молекули, що проходять поруч. Хіміки, що працюють на реагентах дуже високої чистоти, добре знають труднощі, пов’язані з видаленням домішок, адсорбованих на внутрішній поверхні їх збірки.
Вступ
Адсорбована кількість приблизно пропорційна поверхні, що утворюється в контакті з текучим середовищем (газом або рідиною). Певний клас адсорбентних систем відноситься до так званих мікропористих адсорбентів. Вони мають внутрішню пористість, складену таким чином, що може досягати від 300 м 2 .г -1 до 3000 м 2 .г -1. Ці адсорбенти можна досить добре описати як суміш твердої фази та нанорозмірного вакууму; вони складаються з порожнин розміром близько одного нанометра, розподілених у твердій фазі таким чином, що товщина матеріалу, що розділяє дві порожнини, має порядок розміру останньої. Нанометричний розмір порожнин є перевагою в тому, що сили адсорбції посилюються явищем обмеження, яке дозволяє поверненим поверхням один до одного спільно притягувати присутні види. З іншого боку, необхідно задовольнити умову сумісності розмірів між адсорбованою молекулою та доступним обсягом.
Деякі адсорбенти мають поверхню пор, яка додатково функціоналізується гідроксильними групами, що дозволяє утворювати водневі зв’язки, тоді як інші адсорбенти мають іонну структуру, що призводить до присутності в порах напруженого електричного поля.
Фізисорбція та хемосорбція
Ми розрізняємо фізизорбцію, яка зберігає ідентичність адсорбованих молекул, та хемосорбцію, яка призводить до розриву хімічних зв’язків. Енергія, яка вступає в дію під час процесу хемосорбції, більша, ніж енергія, що вводиться в дію під час процесу фізичної адсорбції, тобто ентальпія адсорбції порядку 200 кДж моль -1 проти 30 кДж моль -1. Тому це може призвести до надзвичайно ретельного очищення оброблених рідин (1 ppb)
Сили фізичної сорбції бувають трьох типів:
Сили дисперсії (Ван дер Ваальс, Лондон) все ще присутні.
Полярні сили, що виникають внаслідок присутності електричного поля в мікропорах.
Водневі зв’язки за рахунок гідроксильних або амінних груп.
Взаємодія між адсорбентом і адсорбованою молекулою буде залежати від адекватності властивостей двох сутностей (полярно-полярних, неполярних-неполярних), від молярної маси, від форми молекули.
Силами хемосорбції є сили реакційної здатності поверхонь, що беруть участь в каталітичних процесах, з тією різницею, що сполуки, що утворюються в результаті адсорбції, стабільні при задіяних температурах.
Основні типи «фізичних» адсорбентів
Існує п’ять основних типів «фізичних» адсорбентів: активоване вугілля, цеоліти, глинозем, силікагелі, активовані глини.
Близько 150 000 т. Р. Цеолітів для адсорбції, 400 000 т. Р. -1 активованого вугілля, 75 000 т. Р. -1 активованого глинозему, 400 000 т. Р. -1 глин і 25 000 т. Р. -1 силікагелів.
Активоване вугілля
Активоване вугілля готують шляхом піролізу матеріалу, що містить вуглець, вугілля або рослинний матеріал, в результаті чого деревне вугілля окислюється водяною парою в контрольованих умовах, створюючи мікропористу структуру. Існує кілька сотень якостей активованого вугілля, залежно від попередника та умов переробки. Ми також можемо знайти так звані "хімічні" активовані вугілля, оскільки вони гаряче активуються в присутності хімічних зневоднюючих речовин, фосфорної кислоти або хлориду цинку. Активоване вугілля - це органофільні аморфні адсорбенти. Тому їх структура не є регулярною, на відміну від кристала. Ця аморфна структура призводить до безперервного розподілу розміру пор, розподіл яких (різниця між найменшим та найбільшим значеннями) може досягати декількох порядків.
Цеоліти
Цеоліти - це мікропористі кристалізовані алюмосилікати загальної формули (AlO2M, nSiO2), де M найчастіше являє собою лужний або лужноземельний метал і n≥1. Існує понад 100 видів цеолітів, що відрізняються за значенням n та кристалографічною структурою. Наявність катіонів у мікропорах генерує електричні поля порядку 1010 В. м -1, що робить ці тіла потужними полярними адсорбентами.
Активований глинозем
Активовані оксиди алюмінію отримують термічним термолізом тригідроксиду алюмінію Al (OH) 3, в результаті чого отримують продукт приблизного складу Al2O3, 0,5 H2O, який має пористу структуру, що виникає в результаті відходу молекул води. Поверхня пор покрита групами Al-OH, і адсорбція переважно відбувається за допомогою водневого зв'язку. Активовані глиноземи - це аморфні, середньополярні та гідрофільні адсорбенти.
Силікагелі
Силікагелі готують із Si (OH) 4 у водній фазі, одержуваної підкисленням силікату натрію, або із золі кремнезему (суспензія у рідині, такі як вода, мікрочастинки (20-100 нм), звані міцелами, оскільки вони занадто малі для осідання), або гідролізом алкокси-силану. Отриманий розчин рідини не полімеризується довго, що призводить до утворення гелю, який зберігає свою пухку структуру після промивання та сушіння. Групи Si-OH ведуть до водневих зв’язків. Існує два типи силікагелів: мікропористий, досить гідрофільний та макропористий, універсальний, які відрізняються розміром пір, як випливає з назви.
Активовані глини
Активовані глини - це алюмосилікати з неочищеною формулою, подібною до цеолітів, але з іншою кристалічною структурою. Це натуральні продукти, які в основному використовуються для сушіння.
Процеси адсорбції
"Фізичні" процеси адсорбції дуже корисні для газового відділення та очищення газів і рідин.
Активоване вугілля та меншою мірою макропористий силікагелі дуже добре адсорбують такі органічні сполуки, як алкани та алкени, кислоти та інші оксигенати. Тому їх можна використовувати для очищення газів і рідин, зокрема на нафтопереробних та нафтохімічних виробництвах або в харчовій промисловості.
Цеоліти мають властивість відокремлювати погано конденсуються гази (O2, N2, Ar, CH4) на основі їх властивостей поляризованості та дипольного або квадрупольного електричного моменту. Завдяки своїй кристалічній структурі вони мають добре організовані розміри та орієнтацію, і, таким чином, можуть служити молекулярними ситами для розділення молекул відповідно до їх розміру та форми.
Глинозем та мікропористі силікагелі є хорошими зневоднюючими агентами, оскільки вони утримують воду досить сильною, щоб вона повністю адсорбувалась, і все ж можуть регенеруватися за допомогою помірного нагрівання.
Критеріями ефективності адсорбенту є:
Адсорбційна здатність утримуваних компонентів.
Селективність між компонентами, що адсорбуються, та компонентами, що проходять.
Десорбируемость (здатність до десорбції при прийнятних умовах температури і тиску) утримуваних компонентів, які повинні бути відновлені при насиченні адсорбенту.
Залежно від характеру та умов обробки використовуються три типи "фізичних" процесів адсорбції:
Процеси зміни тиску (PSA) для газів. У цьому випадку адсорбція здійснюється при високому тиску, а десорбція відбувається шляхом зниження тиску.
Процеси зміни температур (TSA) для газів і рідин. Десорбція здійснюється шляхом підвищення температури і промивання рідини.
Процеси втрати заряду. Адсорбент видаляється після насичення.
Вибір процесу полягає у концентрації компонента, що підлягає видаленню, його спорідненості щодо адсорбенту, тиску газу та, звичайно, природі рідини, що підлягає обробці.
«Хімічні» адсорбенти можна або усунути, або, скоріше, регенерувати дією хімічної обробки, яка повертає адсорбенту його початкові властивості. Наприклад, адсорбент, що містить металеву мідь, може бути використаний для усунення слідів діоксиду, який він буде захоплювати утворюючи оксид CuO, який сам регенерується під дією розведеного в азоті дигідроду з утворенням води.
Критеріями ефективності процесу є:
Продуктивність, тобто кількість обробленої рідини на одиницю маси адсорбенту.
Вихід, тобто частка виробленого чистого газу в загальній кількості обробленого газу.
Споживана енергія на одиницю об’єму виробленого чистого газу.