Адсорбция ‒ это процесс, протекающий у поверхности раздела двух фаз, где происходит накопление молекул вещества. Обратная операция называется десорбцией.
При пропускании жидкостей, газов, различных смесей и растворов через твёрдый носитель происходит поглощение адсорбентом заданного компонента (адсорбата). Адсорбция ‒ это процесс, протекающий у поверхности раздела двух фаз, где происходит накопление молекул вещества. Обратная операция называется десорбцией.
К основным промышленным адсорбентам относятся активные угли, цеолиты, силикагели, ионообменные смолы, которые при необходимости восстанавливают и активируют. Активацию осуществляют путём увеличения адсорбционной поверхности механически или химически. Регенерация является необходимой операцией для возвращения адсорбенту поглотительной способности и может происходить несколькими способами:
- нагрев адсорбента выше температуры кипения адсорбата;
- вакуумирование;
- продувание инертными газами;
- вытеснение поглощенного вещества при помощи водяного пара;
- прочее.
Твердые пористые тела с развитой поверхностью синтетического происхождения активнее, но дороже природных, применяются в виде гранул, таблеток или порошков. Размер зёрен варьируется от долей до нескольких миллиметров. Микропоры имеют радиус до 2х10-9 м, а макропоры — около 2х10-7 метра.
Виды адсорбции: физическая (обратимая), где между адсорбированным и адсорбирующим веществом действуют водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, и химическая (необратимая), где между ними происходит химическое взаимодействие. При этом эти явления не всегда чётко разделяются. Так, при низких температурах О2 на металлах адсорбируется по физическому принципу, а при нагреве действуют уже законы химической адсорбции. Существуют различные теоретические обоснования этих процессов (например, теория Ленгмюра, Поляни).
Области применения
Где применяется адсорбция:
- получение из атмосферного воздуха азота и кислорода;
- улавливание и рекуперация паров бензина, нефти, ароматических соединений;
- извлечение вредных примесей;
- разделение спиртов;
- переработка нефти;
- осушка газов;
- работа противогазов;
- удаление разлагаемых примесей из источников грунтовых вод;
- концентрирование особо ценных веществ;
- освобождение воды от металлических и неметаллических органических примесей;
- проведение исследований с помощью хроматографических приборов;
- очистка стоков, отходов, промышленных выбросов, при этом нежелательные молекулы поглощаются, а объёмная фаза очищается.
Применение адсорбции неразрывно связано с химической, пищевой, полиграфической промышленностью, металлургией, медициной и фармацевтикой. Не обходится без этого метода очистка нефтепродуктов, производство красителей, полимеров, полупроводников. Адсорбенты используются в установках разделения воздуха, в азотных и кислородных генераторах.
При получении кислорода в промышленных масштабах адсорбционный метод пока проигрывает криогенному ввиду низкого качества и концентрации получаемого газа. При этом установки КБА применяются достаточно широко и характеризуются возможностью автоматизации процесса, простым монтажом и обслуживанием, безопасностью, компактностью, низкими эксплуатационными расходами, быстрым запуском в работу и экономичностью. При размещении отсутствуют особые требования к помещению. Общая схема кислородной системы с использованием адсорбционной технологии:
- подача сжатого воздуха в ресивер для предварительной очистки;
- поступление потока в воздухоразделительный блок с адсорберами, которые периодически находятся в стадии поглощения или регенерации;
- направление кислорода в кислородный ресивер;
- отправка потребителю с последующим дожатием и заправкой в баллоны.
Холодная адсорбция
Принцип работы
Физические процессы протекают при пониженных температурах, при этом электронная структура молекул адсорбата остаётся неизменной, они обладают поверхностной подвижностью. Причиной захвата служат силы межмолекулярного притяжения, не зависящие от природы вещества. Сорбция протекает с выделением тепла. При этом физическая составляющая энергии определяется индукционным, ориентационным и дисперсионным эффектами.
Факторы, влияющие на эффективность
- понижение температуры, стабилизирующее положение молекул сорбата;
- повышение давления, способствующее концентрирации;
- увеличение пористости и поверхностной площади сорбента.
Примеры адсорбции
- удержание газов (Н2, СН4) с целью их сохранности в порах сорбентов;
- разделение углеводородных газов;
- фильтрация воздуха для очистки и удаления неприятных запахов;
- подготовка природного газа.
Медицинский концентратор кислорода работает в цикличном режиме по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции. Через адсорберы, заполненные цеолитом, проходит сжатый воздух. При этом происходит адсорбирование азота, углекислоты, влаги и обогащение потока кислородом.
Горячая адсорбция
Как работает
Хемосорбция протекает при более высоких температурах, её можно рассматривать как химическую реакцию между адсорбирующим и адсорбируемым веществами, протекающую в поверхностном слое. Явление носит специфический характер и происходит только в случае, если молекулы адсорбента вступают в реакцию с частицами поверхности. Хемосорбция ‒ это локализованный процесс, требует энергии активации от 40 до 120 кДж/моль, протекает медленнее, чем физическая и в большей мере зависит от рода поверхности.
Что влияет на продуктивность
- активация молекул за счёт роста температурных показателей;
- обеспечение полного протекания хемосробции из-за увеличения времени контакта реагентов;
- чёткий подбор химического состава взаимодействующих веществ.
Где применяется
- химические превращения, происходящие в присутствии катализаторов на химпроизводствах;
- удаление вредных компонентов из промышленных выбросов в отходящих газовых потоках.
Вакуумная адсорбция
Что положено в основу работы
Использование вакуума позволяет не только молекулам вещества адсорбироваться на границе раздела фаз, но и увеличивает площадь контакта.
От чего зависит эффективность
- чем полнее разряжение, тем выше производительность;
- подбор оптимальных температурных параметров;
- использование высокопористых материалов.
Примеры использования
- рекуперация паров углеводородов;
- выпуск электронных устройств;
- развитие вакуумных технологий;
- создание стерильных условий для медицинской техники.
Разработан способ получения кислорода, водорода, углекислого газа и азота из потока воздуха при помощи вакуумной адсорбции в адсорбционных установках с использованием молекулярных сит цеолитов.
Выбор подходящего типа адсорбции
Если речь идёт о физических взаимодействиях адсорбента и адсорбата при низких температурах, то используется холодная адсорбция, при пониженном давлении ‒ вакуумная. Протекание хемосорбции при нагреве говорит о горячей сорбции. В качестве приоритетных факторов рассматривают следующие:
- допустимые границы температуры и давления;
- энергозатраты;
- восприимчивость к влаге;
- сложность оснащения оборудованием;
- назначение;
- экономическая целесообразность.
Успех адсорбции также зависит от характеристик сорбента, который должен соответствовать следующим критериям:
- избирательность;
- максимальная поглотительная способность;
- возможность быстрой десорбции и восстановления;
- прочность, устойчивость к разрушению;
- инертность к материалам аппаратуры.
Заключение
Адсорбция ‒ это широко распространённый способ получения, очистки и концентрирования различных веществ, который способствует внедрению безотходных производств и их экологической безопасности. Выбор адсорбционного метода зависит в первую очередь от производственных задач и конкретных технологий, непосредственно влияет на результативность производственного процесса.
