Особенности адсорбции на поверхности твердых тел

АДСОРБЦИЯ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

Г л а в а 6

Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость. Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее количественные и качественные характеристики, т.е. механизм адсорбции.

Несмотря на разнообразие адсорбционных процессов, они всегда связаны с особой структурой твердой поверхности, и, в частности, с пористостью адсорбента.

Твердые поверхности и качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело – газ (Т–Г) и твердое тело – жидкость (Т–Ж).

В отличие от поверхности жидкости поверхность твердых тел геометрически и энергетически неоднородна (см. параграф 2.2) — твердые адсорбенты могут иметь поры. Одной из основных характеристик подобных адсорбентов является пористость П, она равна отношению суммарного объема пор Vпк общему объему адсорбента Vоб, т.е. П = Vп/Vоб. В зависимости от пористости твердые адсорбенты делятся на две группы: непористые и пористые.

Поверхность раздела фаз у непористых адсорбентов соответствует контуру твердого тела. У пористых адсорбентов эта поверхность значительно больше за счет наличия пор. Часто пористые адсорбенты применяют в виде порошков. Адсорбция на порошкообразных адсорбентах определяется их удельной поверхностью, которая рассчитывается по формуле (1.1). Удельная поверхность пористых порошкообразных адсорбентов значительно превышает удельную поверхность непористых адсорбентов в большей степени зависит от поверхности пор, чем от поверхности, определяющей контур частиц. Например, адсорбируемая на твердой поверхности молекула азота занимает площадь 0,162 нм². Для адсорбции 55 мл азота при нормальных условиях в виде мономолекулярного слоя площадь поверхности твердого непористого тела должна составлять 239 м². Для адсорбции этого же количества азота потребуется всего 0,5 г активированного угля, являющегося пористым порошкообразным адсорбентом. Характеристика непористых и пористых порошкообразных адсорбентов приведена в табл. 6.1.

Т а б л и ц а 6.1

Характеристика адсорбентов

Пористые адсорбенты могут иметь поры различного размера (рис 6.1). В зависимости от размера пор адсорбенты делятся на микропористые, мезопористые или переходнопористые, а также на макропористые. Диаметр микропор соизмерим с размерами молекул.

Пористость не только резко повышает удельную поверхность адсорбента, но и влияет на механизм адсорбции.

Адсорбция на микропористых адсорбентах заключается в объемном заполнении пространства пор, а адсорбция на мезопористых адсорбентах – в капиллярной конденсации паров адсорбата. Адсорбционная емкость микропор определяется не только их удельной поверхностью, но и объемом самих микропор.

Значительная часть дисперсных систем и их продуктов можно отнести к непористым адсорбентам. К ним, в частности, относятся цемент и бетон и изделия из них. Удельная поверхность сахара-песка и сахарной пудры не превышает 500 м²/кг; согласно классификации, приведенной в табл. 6.1, их можно отнести к непористым адсорбентам. Крупы, например рис, пшено, гречка, некоторые сорта растворимого кофе и другие сыпучие пищевые массы относятся к непористым адсорбентам.

Часть непорошкообразных и порошкообразных дисперсных систем является макропористыми адсорбентами. К ним относятся ткани, асбест, древесина и некоторые пищевые массы: хлеб, сухари, макароны, пастила, зефир и др. Мука является макропористым порошкообразным адсорбентом. Так, удельная поверхность различных сортов пшеничной муки лежит в пределах (0,06 – 0,27)10³м²/кг.

В промышленности применяют микро- и мезопористые адсорбенты на основе минеральных веществ и угольных материалов.

Минеральные мезопористые адсорбенты используют для осветления и стабилизации полупродуктов фруктово-ягодных соков, растительных масел, питьевой и технической воды, в качестве осушителей продуктов и для других целей. К минеральным относятся глинистые адсорбенты – бентониты различного класса с разбухающими кристаллическими решетками: монтмориллонит, каолин, палыгорскит, гидрослюда и др. Если бентонитовые глины подвергнуть активации, то их адсорбционная способность увеличивается. Удельная поверхность и размеры пор глин соответствуют поверхности мезопор. Так, например, некоторые глинистые адсорбенты, применяемые в промышленности, имеют удельную поверхность (1,5 – 4,0)10⁵м²/кг.

Кремнеземистые породы природных глин (диатомиты, опоки и трепелы), которые принадлежат к группе алюмосиликатов (Al₂O₃+ SiО₂) щелочных и щелочноземельных металлов, также относятся к мезопористым адсорбентам, их используют в виде суспензий, нанесенных на фильтрующую основу, обычно ткань. Фильтрующие адсорбенты подобного типа применяют для очистки растворов и сиропов от взвесей, коллоидных и желеобразных веществ в сахарной, пивоваренной промышленности и при производстве соков, для обесцвечивания сахарных и глюкозных сиропов. При помощи глин в процессе рафинации жиров осуществляется их очистка от свободных жирных кислот и красящих веществ.

К микропористым минеральным порошкообразным адсорбентам относятся цеолиты, которые представляют собой щелочные (Na, К) и щелочноземельные (Са, Mg) алюмосиликаты и характеризуются общей формулой Me_nAl_xSi_y(Н₂О)_z, где Me – ион металла. Цеолиты могут быть природные и синтетические. Наибольшее значение цеолиты приобретают в процессе осушки газов и воздуха, а также при очистке различных жидких продуктов.

Угольные микропористые адсорбенты получают высокотемпературной обработкой без доступа воздуха различных ископаемых углей, древесины, торфа и других веществ, богатых углеродом. После дополнительной обработки паром или инертными газами для очистки пор и введения добавок, способствующих адсорбции, получают активированные угли. За счет пористости активированного угля его удельная поверхность увеличивается на три порядка и превышает 4∙10⁵м²/кг, а объем его пор – 0,5∙10^–2м³/кг (0,5 см³/г). Активированный уголь, который используется в медицинских целях, выпускается в виде таблеток массой 0,25 г, в одной такой таблетке реализуется поверхность около 100 м². Угольные адсорбенты широко используются в различных отраслях промышленности. Существуют более 1000 различных марок адсорбентов на основе активированных углей, свыше 200 из них применяются в пищевой промышленности.