Лекция 35. Практическое использование процесса адсорбции и применение его для защиты окружающей среды.

35.1 Избирательность адсорбентов.

35.2 Хроматография.

35.3 Другие области использования адсорбции.

35.4 Применение процесса адсорбции для защиты окружающей среды.

35.1 Избирательность адсорбентов.

Опыт показывает, что различные адсорбенты обладают различной адсорбционной способностью. Но немаловажную роль в этом вопросе имеет и адсорбтив. Следовательно, говоря об адсорбционной способности адсорбента, следует указать и адсорбтив, относительно которого ее определяли. Иными словами, адсорбционная способность одного и того же адсорбента различна по отношению к различным адсорбирующимся веществам. Это свойство адсорбентов называется селективностью.

Избирательность адсорбентов нашла широкое применение для разделения сложных смесей на составные части, при очистке различных веществ от примесей, а также при получении особо чистых продуктов. Все перечисленные процессы основаны на том, что из смеси веществ в первую очередь адсорбируются те компоненты, которые обладают высокой адсорбирующейся способностью, а компоненты, обладающие более низкой адсорбирующейся способностью, адсорбируются после них или практически не адсорбируются.

35.2 Хроматография.

Применять адсорбцию для разделения смесей на компоненты впервые предложил в 1903 г. русский ученый М.С. Цвет (1872-1919). Разработанный им способ разделения смесей был назван хроматографией.

Вначале хроматографию использовали для исследования биологических объектов и растворов, а в 1950-е гг. ее начали успешно применять и для анализа газовых смесей. Высокая чувствительность, скорость, точность и простота хроматографического анализа газов способствовали интенсивному развитию нефтехимии и других отраслей промышленности органических веществ.

Разделение смеси при хроматографическом анализе принципиально выглядит следующим образом. В трубку, равномерно наполненную адсорбентом, с постоянной скоростью подают какой-либо легкий газ (водород, гелий и т.п.). Если с этим потоком газа ввести в трубку смесь, состоящую из веществ, обладающих различной адсорбционной способностью относительно данного адсорбента, то произойдет “растаскивание “ компонентов смеси по длине трубки. Объясняется это тем, что компоненты смеси испытывают в своем движении вдоль трубки различное “тормозящее “ действие адсорбента. Более всего тормозится движение компонента, обладающего наивысшей способностью к адсорбции: скорость продвижение его вдоль трубки с адсорбентом минимальна.

Остальные компоненты, обладающие меньшей способностью к адсорбции, испытывают на себе меньшее тормозящее действие адсорбента и поэтому отделяются от первого компонента, “уходят “ от него вперед. Чем выше способность к адсорбции компонента смеси, тем меньше скорость его перемещения вдоль слоя адсорбента в трубке. По этой причине по истечении некоторого времени введенная смесь разделяется на компоненты.

На рис.7.5 приведена схема действия описанной трубки с адсорбентом при разделении трехкомпонентной смеси (А + В + С), способность к адсорбции компонентов которой различна: Г_А > Г_В> Г_С. С наибольшей скоростью перемещается компонент С, затем следует компонент В и, наконец компонент А. Поэтому к моменту времени τ₁ компонент С полностью отделяется от остальных компонентов, а к моменту времени τ₂ он уже покидает трубку. К тому же моменту времени τ₂ заканчивается разделение компонентов В и А. К моменту времени τ₃ из трубки выносится с потоком компонент В. Последним покидает трубку компонент А.

Рассмотренная трубка с адсорбентом является одним из основных узлов современных хроматографических приборов и называется хроматографической колонкой. Легкий газ, предназначенный для перемещения исследуемой смеси через слой адсорбента в хроматографической колонке, называется газом – носителем или элюентом.

Если на выходе газа из хроматографической колонки установить анализирующий прибор, то по ходу разделения смеси можно идентифицировать (качественно оценить) ее компоненты. Современные приборы позволяют вести непрерывную запись их показаний в течение всего процесса разделения на специальной диаграммной ленте. Диаграмма, полученная таким способом, называется хроматограммой. На рис.7.6 приведена хроматограмма трехкомпонентной смеси. Выход компонента С из хроматографической колонки отмечается на хроматограмме “пиком “ С. Пик В соответствует выходу компонента В, а пик А – компонента А.

Рис.7.5. Схема действия хроматогра- Рис.7.6. Хроматограмма анализа трех-

фической колонки. компонентной смеси.

По хроматограмме можно установить как качественный, так и количественный состав смеси.

Чем длиннее хроматографическая колонка, тем выше ее разделяющая способность. Современные приборы оснащаются многометровыми колонками и позволяют полностью анализировать смесь углеводородов, состоящую из 60-70 компонентов, в течение 1.5-2 ч. Кроме того, сам принцип хроматографического анализа с использованием самопишущих анализаторов позволяет применять электронно-вычислительную технику, что значительно упрощает труд оператора и сокращает время, затрачиваемое на анализ.

35.3. Другие области использования адсорбции.

Адсорбция нашла применение и в других областях деятельности человека. В 1915 г. по предложению академика Н, Д. Зелинского (1861-1953) был изготовлен первый в мире противогаз, принцип действия которого основан на адсорбции отравляющих веществ активным углем.

В химической технологии адсорбцию используют для очистки нефтепродуктов от малых содержаний воды, соединений серы, селена, мышьяка, фосфора и т. п.; для разделения смесей на составляющие их компоненты; для очистки газов и т.д. Благодаря трудам Н. Д. Зелинского и его ученика А. А. Баландина (1898-1967) особое место в химической технологии заняла адсорбция на катализаторах.

Еще до того, как явление адсорбции было изучено подробно, адсорбенты широко применяли в медицинской практике. Так, и в наши дни при пищевых отравлениях успешно используют молоко, капельки жира которого являются довольно активными адсорбентами многих отравляющих веществ. Для этого же более эффективен препарат “Карболен “, в состав которого входит активный уголь.

Недавно группа российских ученых разработала методику применения цеолитов (разновидность ионообменных адсорбентов) в земледелии. Идея ее заключается в использовании высокой адсорбционной способности цеолитов для предотвращения вымывания удобрений дождевыми и грунтовыми водами из культурного слоя почвы. Цеолиты прочно удерживают удобрения и десорбируют их лишь в результате ионного обмена с веществами, выделяемыми корнями растений. Цеолиты, таким образом являются как бы “банком “ удобрений, экономно расходующим их по мере необходимости и не допускающим бесконтрольного вымывания их из почвы. Испытания показали, что при таком использовании срок действия внесенных удобрений увеличивается вдвое.

Важную роль адсорбционные процессы играют при обогащении полезных ископаемых – флотации.

Флотация – метод обогащения руд, а также полезных ископаемых (углей, апатитов, серы, графита), заключающийся в разделении частиц ценного минерала от пустой породы.

Сущность этого процесса заключается в том, что мелкораздробленную руду, содержащую пустую породу, смешивают с водой, к которой добавляют небольшие количества поверхностно-активных веществ, способных избирательно адсорбироваться частицами ценного материала и уменьшать их смачиваемость. Через полученную взвесь продувают в виде пузырьков воздух. Образующаяся при этом пена увлекает вверх не смачиваемые водой частицы ценного минерала. Одновременно смачиваемые водой частицы пустой породы под действием силы тяжести оседают на дно.

Моющее действие мыла и других стиральных препаратов основывается также на процессах адсорбции частиц.

Дата добавления: 2014-01-04