Адсорбенты: виды и применение

Адсорбент — высокодисперсный материал натурального или синтетического происхождения, для которого характерна большая удельная поверхность. Именно она поглощает жидкости и газы, задерживая их в порах и каналах. Обычно в технике адсорбцией называют впитывание веществ поверхностью твердого тела.

Адсорбирующие свойства материалов зависят от температуры, влажности, количества пор, а также от удельной поверхности (поверхностной площади адсорбента весом 1 г). Эти показатели сильно отличаются у пористых и непористых веществ. В первом случае удельная поверхность составляет до 1000 кв. м/г. Такими характеристиками обладают активированный уголь, силикагель, алюмосиликатные катализаторы и др. К непористым адсорбентам относят частицы сажи, измельченные кристаллы, аэросил и т.д. Их удельная поверхность составляет от 1 до 500 кв. м/г.

Виды адсорбентов

Адсорбция – концентрирование веществ на поверхности раздела фаз и в порах твердого вещества. В промышленности наиболее востребованы такие поглотители:

·         активированный уголь;

·         цеолиты (водные алюмосиликаты натрия и кальция);

·         силикагели (высушенный гель, полученный при подкислении силикатных растворов щелочных металлов);

·         оксид алюминия и др.

Наиболее эффективные адсорбенты газов – цеолиты, иначе называемые молекулярно-ситовыми поглотителями. Размер их пор минимален по сравнению с другими адсорбирующими веществами, а наименование «молекулярное сито» обусловлено малым диаметром окон, которые связывают полости (он соизмерим с диаметром молекул газа). Такая особенности цеолитов дает возможность разделять газообразные вещества и растворы с разными размерами частиц.

Применение

На промышленных предприятиях адсорбцию производят с помощью особых устройств – адсорберов. Они осушают газы (удаляют из них молекулы водяного пара и т.д.), очищают воду и органические жидкости, удаляют вредные и ценные отходы производства из растворов. Адсорбенты воздуха востребованы при осушении воздушного потока и подготовки рабочего воздуха для пневматических установок. На методике адсорбции основаны современные технологии разделения. Их используют повсеместно, в том числе в случаях, если методы перегонки или мембранной очистки невыгодны или малоэффективны.

Промышленные адсорбенты – твердые вещества с большой удельной поверхностью – востребованы при очистке газов и жидкостей от нежелательных примесей. Но существуют и другие сферы применения, такие как:

·         производство противогазов с использованием активированного угля;

·         наполнение полимеров;

·         хромота графическое разделение смесей;

·         осветление и обесцвечивание растворов, нефтепродуктов, глюкозы, фармацевтических препаратов и т.д.

Очистка и сбор нефти – еще один вариант применения указанных веществ. Для этих целей подходят синтетические адсорбенты нефтепродуктов, такие как сухая полиуретановая пена. Всего 28 кг этого вещества способны поглотить до тонны нефти. Преимуществом пены является легкость транспортировки и изготовления. Всего два компонента необходимо для ее производства, и их можно безопасно перевозить на любых судах. В ходе реакции между веществами объем смеси возрастает в 100 раз. А после впитывания нефтепродуктов собрать шарики адсорбента можно неводом или сетями с мелкими ячейками. Материал подходит для многократного применения.

Разновидности адсорбции

Процессы делят на два вида:

·         физическая адсорбция (физосорбция) – обратимый процесс, обусловленный силами взаимного притяжения молекул (он неспецифичен и неизбирателен, поэтому индивидуальные свойства впитываемого вещества и поглотителя неважны);

·         химическая адсорбция (хемосорбция) – поглощение веществ из окружающей среды, сопровождаемое образованием новых химических соединений (процесс имеет высокую химическую специфичность, а энергия связи достигает 1–10 эВ, из-за чего выделяется большое количество тепла).

Физическая адсорбция основана на силах Ван-дер-Ваальса – на межмолекулярном взаимодействии с энергий от 10 до 20 кДж/моль. Поэтому происходит электростатическое притяжение частиц вещества с адсорбентом. В случае химической адсорбции молекулы поглощаемого вещества вступают в химическую реакцию с адсорбирующим материалов. Для этого процесса характерен активационный барьер, поэтому ускорить процесс впитывания можно при повышении температуры. Процесс хемосорбции преимущественно необратим, поскольку электронная структура поверхности материалов значительно изменяется.

Особенности технологического процесса

Для очистки и разделения веществ используют колонные аппараты, наполненные адсорбентами. Процесс очищения цикличен: сначала слой поглотителя насыщается загрязнителями, сторонними примесями, газами, после чего его регенерируют и снова используют. Процесс производят непрерывно или по мере необходимости, применяя несколько аппаратов. Для повышения эффективности разделения дополнительно используют особые реагенты и регуляторы. Эффективность флотации также повышают, подбирая уровень водородного показателя pH, изменяя плотность растворов и пульп, а также нагревая или пропаривая их.

Чтобы разделить газовые смеси с последующим выделением азота, кислорода, водорода, этилена и прочих высококонцентрированных веществ (в пределах 95–99,9 %) применяют установки КЦА (короткоцикловой адсорбции). Такое оборудование способно разделить любые газообразные смеси, подходит для извлечения азота из воздуха с помощью углеродных адсорбентов с молекулярно-ситовыми свойствами.

Технологический процесс адсорбции состоит из таких этапов:

·         подача газовой смеси в адсорбер под действием высокого давления и при высокой температура окружающего воздуха;

·         поглощение компонентов, которые легко поддаются извлечению, с помощью адсорбентов;

·         поступление молекул, плохо или вовсе не поддающихся адсорбции, в аппарат для разделения газовой смеси;

·         поглощение газа до достижения равновесия между десорбцией (высвобождением вещества через поверхность) и адсорбцией;

·         регенерация адсорбирующего материала для удаления поглощенных компонентов с поверхности.

Регенерировать адсорбенты, высвободив поглощенные вещества, поможет резкий сброс давления или нагрев.

Адсорбенты для очистки газов и нефтепродуктов востребованы в промышленности. С их помощью производят рекуперацию летучих растворителей, выделяют и очищают мономеры в процессе изготовления каучука, пластмассы, синтетических смол. В ходе очистки нефтепродуктов происходит удаление компонентов, ухудшающих эксплуатационные свойства масел и топлива.

С помощью адсорбентов очищают дистилляты, продукты перегонки нефти: бензин, керосин, мазут. Адсорбция позволяет извлечь из нефтепродуктов азотные и сернистые соединения, неуглеводородные компоненты (асфальто-смолистые вещества), а также нафтено-ароматические и твердые углеводороды. Применение адсорбирующих веществ в процессе разделения и очистки позволило детально изучить и анализировать состав нефти, влияние отдельных компонентов на ее характеристики и на продукты, получаемые из нее.