Адсорбция. Адсорбент и адсорбат.

Поглъщането на едни вещества от други представлява съвкупност от процеси известни под общото название сорбция. Когато сорбционните процеси касаят хетерогенна система съставена от две вещества в различно агрегатно състояние (твърдо/газообразно, твърдо/течно или течно/газообразно) могат да се наблюдават два вида явления – абсорбция и адсорбция.

Течностите и газовете носят общото название флуиди. Явлението, при което молекулите на даден флуид проникват в целия обем на твърдото тяло или течността се нарича абсорбция. Абсорбцията е възможна благодарение на процеса дифузия. Веществото, което поглъща флуидните молекули се нарича абсорбент. Флуидът, чиито молекули биват погълнати от абсорбента, се назовава абсорбат. Абсорбция може да се наблюдава и на твърди частици от течност, какъвто е примерът с очистване на въздуха от запрашаване по време на дъжд.

Не винаги частиците на едната фаза проникват в другата. Явлението, при което молекулите на флуида се задържат на повърхността на твърдото тяло или течността се нарича адсорбция. На адсорбцията може да се гледа като на частен случай на абсорбция.

Веществото, което задържа на повърхността си други вещества, носи названието адсорбент. Веществото, което ще се адсорбира, се нарича адсорбтив, а когато е адсорбирано – адсорбат. Количеството на адсорбирано вещество в един квадраден сантиметър повърхостен слой се нарича повърхностна концентрация.

Състоянието на системата, при което за единица време от повърхността на адсорбента се адсорбират толкова частици, колкото се и десорбират, се нарича адсорбционно равновесие. В този случай системата се намира в термодинамично равновесие.

Всяко изменение в концентрациите на кой да е компонент в една от двете фази води до нарушаването на адсорбционното равновесие. Подобен е ефектът и при промяната на температурата на цялата система. Обикновено при температурно повишаване се наблюдава десорбция – процес противоположен на адсорбцията.

Механизми на адсорбция

От това дали се образуват химични връзки или не между частиците на адсорбента и адсорбата, зависи каква е адсорбцията. Тя бива съответно химична или физична.

Физичната адсорбция е резултат от електромагнитните сили на привличане между частиците на двете фази, притежаващи различни електрични заряди. Обратният процес на десорбция е в следствие увеличаване на силите на отблъскване между частиците.

Във вътрешността на адсорбента, изграждащите го частици са обградени изцяло от други подобни на тях частици, които компенсират силовите им полета и ги уравновесяват. На повърхността обаче електростатичните полета са само частично компенсирани. Това създава условия за привличане и задържане на заредени частици от адсорбата.

Грапавите адсорбенти имат по-голяма адсорбционна способност от гладките. Причината е, че притежават многократно по-голяма повърхост и следователно повече частици с некомпенсирани електростатични полета.

Допънително, на наноскопично ниво, пиковете в повърхността на грапавия адсорбент съдържат почти необградени частици. Те на практика са с толкова голяма адсорбционна способност, че формират адсорбционни центрове. Пример за физична адсорбция е адсорбирането на хлор от активен въглен във филтъра на противогаз.

Химичната адсорбция (хемисорбция) е взаимодействие, при което между частиците на адсорбента и адсорбата се образуват химични връзки и се формира повърхностен хемисорбционен комплекс.

Разликата между химичната адсорбция и химичната реакция е, че адсорбентът се пасивира (става нереактивоспособен) от образувалия се повърхностен хемисорбционен комплекс и частиците на адсорбата не навлизат във вътрешността на адсорбента, за да протече реакцията докрай. Процесът на пасивиране на метали с техни оксиди се използва за предпазването им от корозия.

Адсорбционно равновесие и фактори, влияещи върху него

Когато системата е в адсорбционно равновесие, т.е. скоростите на процесите адсорбция и десорбция са се изравнили, то може да бъде нарушено и изместено в посока на единия процес. Това е възможно да стане посредством изменение на някои от факторите концентрация, температура и налягане.

Когато увеличим концентрацията на адсорбента, равновесието се измества в посока на процеса адсорбция. Под увеличаване концентрацията на адсорбента се има предвид повишаване на неговата адсорбционна повърност, чрез добавяне на нови количества, защото само граничните повърхности на двете фази влизат във взаимодействие при адсорбирането. Увеличаване на граничната повърхност може да стане и посредством раздробяване ако адсорбента е твърдо вещество. Равновесието отново ще се измести в посока на адсорбцията.

Като цяло адсорбцията е екзотермичен процес съпроводен с отделяне на топлина. При повишаване на температурата се повишава и кинетичната енергия на частиците включително и тази на адсорбираните. В следствие на това се наблюдава десорбция при физически адсорбираните вещества. При хемисорбцията обаче в началото се забелязва увеличаване броя на адсорбираните частици. Ако получения хемисорбционен комплекс е термично нестабилен, тогава при по-нататъшно нагряване също започва да се наблюдава активна десорбция.

Увеличаването на концентрацията на адсорбата при газовете може да стане чрез повишаване на налягането. Зависимостта на адсорбцията в този случай може да се представи с криви наречени адсорбционни изотерми.

Изотерми описващи адсорбцията

Адсорбционна изотерма на Фройндлих

Първите изследвания на адсорбцията са направени върху системата твърдо тяло – газ. Фройндлих предлага емпирично (практически изведено) уравнение съответстващо на линейните адсорбционни изотерми. Изотерма е линия описваща термодинамичен процес при постоянна температура. Адсорбционните изотерми служат, за да се види зависимостта на адсорбцията при повишаване на налягането и запазване на температурата.

a=kP^x

В уравнението на Фройндлих k – е константа, която е числено равна на адсорбираното количество при равновесно парциално налягане (P=1). Степента х – е константа и се нарича адсорбционен показател (стойности от 0,1 до 1). Р – е налягането на адсорбата. Недостатък на уравнението на Фройндлих е, че при нарастване на налягането се достига до област на насищане, в която а вече не зависи от Р.

Адсорбционна изотерма на Лангмюр

Лангмюр извежда своята изотерма кинетично с допускането, че активните центрове на адсорбцията са еднакви, адсорбираните частици не взаимодействат помежду си и образуват само един адсорбционен слой. Тук k и В са константи, а Р е налягането на адсорбата.

a=kP/(B+P)

Всъщност нещата не са толкова прости, но засега ще се ограничим дотук. С постоянното увеличаване на налягането се достига до насищане на адсорбционните центрове на адсорбента. Това означава, че се отчита максимално адсорбирано вещество.

Адсорбционна изотерма на Брунауер, Емет и Телър (БЕТ)

БЕТ изотермата е развитие на тази на Лангмюр, която отразява факта, че в действителност адсорбираните частици на граничната повърхност не са само в един слой. БЕТ изотермата е по-подходяща за описването на физичната адсорбция, а изотермата на Лангмюр за химичната адсорбция.

Приложение на адсорбцията

Вече стана дума за използването на адсорбцията в противогазния филтър за пречистване на въздуха. Но сорбционните явления се използват и на промишлено ниво за очистване на индустриалните газове. Също така намират приложение в масообменните процеси в химичната индустрия. Багренето на платовете в текстилното производство се основава на химическата адсорбция. Пасивирането на метали с оксиди е сходен процес, който служи за защитата им от корозия.

Пациентите жертви на натравяне, често получават промивка с активен въглен в спешното отделение, като целта е да се адсорбират част от токсичните вещества в храносмилателния тракт. Въздушните филтри на автомобилите използват адсорбция, за да предпазят двигателите с вътрешно горене от онечистванията във въздуха, който постъпва в горивните им камери.

Адсорбция на електролити

Пречистването на вода от замърсявания с помощта на филтър от пясък, чакъл и въглен също се базира на адсорбционните процеси. Но това филтруване не може да я очисти ефективно от разтворените соли, защото техните частици са йони, а не молекули. Йонната адсорбция обикновено се осъществява от адсорбенти с йонен кристален строеж. Тя може да бъде избирателна или йонообменна.

При избирателната адсорбция в разтвор на електролит, в който има неразтворимо кристално вещество (утайка) в ролята на адсорбент, към повърхността му ще се адсорбират разтворените йони, които са сходни с тези на адсорбента. Според правилото Панет-Фаянс-Песков, адсорбират се йоните, които могат да доизграждат кристалната решетка на утайката.

При йоннообменната адсорбция, йони от разтвора заменят йони с едноименни заряди от повърхността на адсорбента, които съответно десорбират в разтворителя.