Лекция 34. Типы адсорбции

При адсорбции одновременно происходит как физическое, так и химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбтивом. В зависимости от того, какой вид взаимодействия преобладает, различают физическую и химическую адсорбции.

Обычно указанные виды взаимодействия в разной мере проявляются на различных этапах процесса адсорбции. Так, при адсорбции газов поверхностями твердых тел на начальном этапе процесса в основном участвуют химические силы взаимодействия. Например, поглощение оксида углерода (11) и кислорода активными углями при низком давлении сопровождается образованием химических связей между молекулами адсорбтива и поверхностью адсорбента (см. рис. 7.1.) При этом выделяется значительное количество теплоты.

На более поздних этапах процесса адсорбции (при высоких давлениях газов) химические силы “насыщаются “ и в действие вступают физические силы (вандерваальсовы). На данном этапе адсорбция напоминает конденсацию газов, которая в силовом поле поверхности адсорбента протекает гораздо легче, чем в его отсутствии. Предполагается, что физическая адсорбция – основная причина полимолекулярности адсорбции при высоких давлениях и концентрациях адсорбтива. Мономолекулярная адсорбция заканчивается при низких давлениях и концентрациях адсорбтива и объясняется насыщением химических сил взаимодействия.

В отдельных случаях химические силы взаимодействия преобладают над физическими настолько, что адсорбция практически полностью протекает под действием первых. В таких случаях ее называют химической адсорбцией или хемосорбцией.

Хемосорбция подобна химической реакции и обычно сопровождается образованием поверхностных соединений. Например, адсорбция оксида углевода (IV) на гашеной извести ведет к образованию на ее поверхности тонкого слоя карбоната кальция:

СО_{2 (г.)} + Сa (OH)_{2 (кр.)} = СаСО_{3 (кр.)} + Н₂О _(г.)

Подобное происходит и при адсорбции оксида серы (IV) натронной известью (смесь NaOH и Ca (OH)₂).

Для хемосорбции характерен значительный тепловой эффект, соизмеримый с теплотами химических процессов, чем она заметно отличается от физической адсорбции.

При адсорбции из растворов наряду с нейтральными частицами поглощаются и ионы; такой процесс называется ионной адсорбцией. По своей природе она близка к хемосорбции. Характерная особенность ее – избирательность (селективность), подчиняющаяся правилу Панета-Фаянса:

на поверхности твердого тела предпочтительней адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку или образовывать с ионами, входящими в состав его кристаллической решетки, наиболее трудно растворимые соединения.

Значительный практический интерес представляет ионообменная адсорбция, при которой более адсорбционно-активные ионы вытесняют с поверхности адсорбента менее адсорбционно-активные. В результате протекания такого процесса в раствор вместо адсорбировавшихся катионов (анионов) переходит эквивалентное количество десорбировавшихся (вытесненных) с поверхности адсорбента ионов соответствующего знака заряда.

Адсорбенты, способные к ионному обмену, называют ионитами. Они встречаются в природе (некоторые силикаты и т. п.), а также изготавливаются искусственно (сульфоугли и т. п.) или синтезируются (ионообменные смолы и т. п.).

Иониты, способные к катионному обмену, называют катионитами, а к анионному обмену – анионитами. Большое практическое значение имеют катиониты, способные обменивать катионы, содержащиеся в растворах, на ионы водорода

Катионит (Н⁺) + Катион (р.) → Катионит (Катион) + Н⁺ (р.)

а также аниониты, способные обменивать анионы, содержащиеся в растворах, на ионы гидроксила:

Анионит (ОН^-) + Анион (р.) → Анионит (Анион) + ОН^- (р.)

Из описанных свойств ионитов следует, что пропуская воду, содержащую растворенные соли, последовательно через катиониты и аниониты, можно достичь практически полного обессоливания ее, не прибегая для этого к дистилляции.

Процесс ионитной очистки воды можно схематически описать следующими уравнениями:

катионитная очистка –

Катионит (Н⁺)₂ + Ме²⁺ (р.) → Катионит (Ме²⁺) + 2Н⁺ (р.)

анионитная очистка –

Анионит (ОН^-)₂ + Ан^2- (р.) → Анионит (Ан^2-) + 2ОН^- (р.)

где Ме²⁺ и Ан²⁺ - катион двухвалентного металла (Mg²⁺, Са²⁺ и т.п.) и двухвалентный анион (SO₄^2-, CO₃^2- и т.п.).

Отработанные катиониты легко регенерируются обработкой их растворами сильных кислот (2-3% НСI или H₂SO₄):

Катионит (Ме²⁺) + 2HCI (р.) → Катионит (Н⁺)₂ + МеCI₂ (р.)

Подобным же образом регенерируются отработанные аниониты обработкой их растворами оснований (5% NaOH или КОН):

Анионит (Ан^2-) + 2NaOH (р.) → Анионит (ОН^-)₂ + Na₂Ан (р.)

Регенерированные иониты снова пригодны к использованию.

Иониты нашли широкое применение во многих отраслях науки и техники: для водоподготовки, очистки сточных вод, приготовления питьевой воды из морской, при извлечении редких элементов из растворов, при крашении тканей, в сельском хозяйстве, в медицине и т. д.

Дата добавления: 2014-01-04