Адсорбент — виды, свойства, применение¶
Адсорбент — это твёрдое или жидкие вещество, обладающее способностью удерживать на своей поверхности молекулы, ионы или газы из окружающей среды (газовой или жидкой фазы) за счёт поверхностных сил. Процесс поглощения адсорбентом называется адсорбцией, а вещество, которое адсорбируется, — адсорбатом. Адсорбенты широко применяются в промышленности, медицине, экологии и повседневной жизни — от очистки воды и газов до лечения отравлений.
¶Принцип действия
Адсорбция происходит на поверхности адсорбента из-за неравномерного распределения силового поля на границе фаз. Атомы и молекулы на поверхности твёрдого тела испытывают неполное взаимодействие с соседями, в отличие от атомов в объёме. Это приводит к возникновению свободной поверхностной энергии, которую адсорбент стремится уменьшить, захватывая молекулы из окружающей среды.
Различают физическую и химическую адсорбцию:
- Физическая адсорбция — молекулы удерживаются силами Ван-дер-Ваальса; процесс обратим, сопровождается небольшим выделением тепла.
- Химическая адсорбция — молекулы образуют химические связи с поверхностью; процесс необратим, энергия взаимодействия выше.
¶Основные свойства
Ключевые характеристики адсорбентов:
| Свойство | Описание |
|---|---|
| Удельная поверхность | Площадь поверхности на единицу массы (м²/г); чем она выше, тем больше ёмкость адсорбента |
| Пористость | Наличие пор различного размера (микро-, мезо-, макропоры) |
| Ёмкость | Максимальное количество адсорбата, которое может удержать адсорбент |
| Селективность | Способность избирательно поглощать определённые вещества |
Адсорбенты с развитой пористой структурой обладают огромной удельной поверхностью. У активированного угля она может достигать 500–1500 м²/г, что объясняет его высокую эффективность.
¶Виды адсорбентов
¶Углеродные адсорбенты
Активированный уголь — наиболее распространённый адсорбент. Изготавливается из древесины, каменного угля, кокосовой скорлупы, нефтяного кокса и других материалов путём карбонизации с последующей активацией. Применяется для очистки воды, воздуха, в медицине при отравлениях, в газовой промышленности.
Углеродные волокна и нанотрубки — обладают высокой удельной поверхностью и селективностью; используются в перспективных исследованиях.
¶Кремнезёмные адсорбенты
Кремнегель (силикагель) — аморфный диоксид кремния с пористой структурой. Хорошо поглощает воду, применяется в качестве осушителя, в хроматографии, для хранения чувствительных к влаге веществ. Индикаторный силикагель содержит хлорид кобальта, меняющий цвет при насыщении влагой.
¶Алюмосиликатные адсорбенты
Цеолиты — природные и синтетические алюмосиликаты с регулярной пористой структурой. Используются в каталитических процессах, для очистки газов, в качестве ионообменников. Синтетические цеолиты (молекулярные сита) способны разделять молекулы по размеру.
Активная окись алюминия (глинозём) — применяется в нефтегазовой промышленности для осушения газов.
¶Оксидные адсорбенты
Оксид алюминия, оксид кремния, оксид железа — используются в лабораторной практике и промышленной химии.
¶Минеральные адсорбенты
Бентонит, каолин, тальк — природные глины, применяются в медицине (каолин входит в состав противодиарейных средств), пищевой промышленности, металлургии.
Аттапульгит — природный алюмомагнезиальный силикат, используется в фармации как адсорбирующее средство.
¶Применение
¶Медицина
Адсорбенты применяются при острых отравлениях, интоксикациях, вздутии живота. Наиболее известные лекарственные адсорбенты:
- Активированный уголь — принимается внутрь при пищевых отравлениях, аллергиях, метеоризме.
- Смектит (Смекта) — алюмосиликат, применяемый при диарее.
- Полисорб — коллоидный диоксид кремния.
- Энтеросгель — кремнийорганический сорбент (метилкремниевая кислота).
- Полифепан — лигнин, получаемый из древесины.
- Фильтрум — лигнин.
¶Промышленность
- Очистка питьевой и сточных вод.
- Очистка и осушение промышленных газов.
- Разделение смесей газов и жидкостей.
- Катализ (цеолиты в нефтепереработке).
- Очистка спирта, масел, жиров.
¶Бытовое применение
Адсорбенты входят в состав фильтров для воды, осушителей воздуха, упаковок-поглотителей влаги, противогазов и респираторов.
¶Выбор адсорбента
При выборе адсорбента учитывают:
- Химическую природу адсорбируемого вещества (полярные и неполярные молекулы адсорбируются по-разному).
- Требуемую ёмкость и скорость адсорбции.
- Условия процесса (температура, давление, pH среды).
- Возможность регенерации — восстановления адсорбента промывкой, нагреванием или иным способом.
¶Отличие от сорбента
Термин «сорбент» шире и включает как адсорбцию (поверхностное поглощение), так и абсорбцию (поглощение всем объёмом вещества). Абсорбенты, например, растворяют поглощаемое вещество в своём объёме. В бытовой и даже научной речи термины часто используются как синонимы.
¶Историческая справка
Свойство угля поглощать запахи и вредные вещества было известно ещё в Древнем Египте. В XVIII веке ученые начали систематически изучать адсорбцию. В 1773 году немецкий химик Карл Вильгельм Шееле показал, что активированный уголь поглощает газы. В XIX веке адсорбция стала предметом промышленного применения — в частности, в сахарном производстве для очистки соков.
Источники:
- Берк С. Адсорбция // Большая медицинская энциклопедия.
- Фомин Н. А., Чекалин М. А. Адсорбция // Химическая энциклопедия.
- Киселёв В. Ф. Адсорбция // Успехи химии.
- Дубинин М. М. Адсорбция и пористость // Издательство «Наука».
- Грегг С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность и пористость. — М.: Мир.