Даниловская Л. П. / Лекция 7. Адсорбация из растворов

Лекция 7 КХ21

Тема лекции: « Адсорбция из растворов на твердых адсорбентах»

В зависимости от природы адсорбтива различают: молекулярную, ионную и ионообменную адсорбцию из растворов на твердых адсорбентах.

(Адсорбтивом называют вещество, молекулы которого могут адсорбироваться на поверхности адсорбента).

Молекулярная адсорбция ─ адсорбция из растворов неэлектролитов или слабых электролитов. В этих случаях растворенные вещества адсорбируются на поверхности твердого адсорбента в виде молекул. Активные центры на поверхности адсорбента в той или иной степени заняты молекулами растворителя. Поэтому растворенное вещество может адсорбироваться, только вытесняя с поверхности молекулы растворителя. Таким образом, адсорбтив и растворитель являются конкурентами при адсорбции. А растворитель адсорбируется тем хуже, чем больше его поверхностное натяжение. Поэтому при адсорбции из полярных, например, водных растворов применяют гидрофобный неполярный адсорбент, например, активированный уголь. При адсорбции из неполярных растворителей (углеводородов) используют гидрофильный полярный адсорбент, например, силикагель. При этом подтверждается экспериментальное правило: неполярные твердые тела лучше адсорбируют неполярные адсорбтивы и наоборот, т. е. «подобное адсорбируется на подобном».

Важным фактором молекулярной адсорбции является соотношение размеров пор адсорбента и размеров молекул растворенного вещества. Так, адсорбция уменьшается, если крупные молекулы не могут попасть в узкие поры адсорбента.

Далее, для крупнопористых адсорбентов установлено, в частности:

• С увеличением молярной массы растворенного вещества его адсорбционная способность возрастает;

• Непредельные органические соединения адсорбируются лучше, чем предельные.

• Адсорбционная способность предельных органических кислот увеличивается в 3 ─ 3,5 раза при удлинении углеводородной цепи на одно звено.

Ионная адсорбция ─ адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов, то есть заряженных частиц. Поэтому адсорбция сопровождается образованием двойного электрического слоя. Адсорбция является избирательной, т. е. на каждом данном адсорбенте катионы и анионы адсорбируются неодинаково. Чем более полярным является адсорбент, тем лучше он адсорбирует ионы из водных растворов. На активных центрах, несущих положительный заряд, адсорбируются анионы, а на отрицательных − катионы. На адсорбцию ионов большое влияние оказывает величина радиуса иона. Чем больше радиус иона при одинаковом заряде, тем лучше он адсорбируется. В соответствии с этим ионы можно расположить в ряды по возрастающей способности к адсорбции. Такие ряды называют лиотропными рядами:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ <Rb⁺ <Cs⁺

Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺< Ba²⁺

Cl⁻ < Br⁻ < NO₃⁻ < J⁻ <NCS⁻

В направлении стрелки адсорбционная способность ионов возрастает.

Чем больше заряд иона, тем он сильнее притягивается противоположно заряженной поверхностью твердого тела, тем сильнее адсорбция.

K⁺ << Ca²⁺ << Al³⁺ <<Th⁴⁺

Происходит усиление адсорбции слева направо.

Особый интерес представляет адсорбция ионов поверхностью кристалла, в состав которого входят такие же или родственные ионы. На кристаллической поверхности преимущественно будут адсорбироваться те ионы, которые имеют общую с данной поверхностью атомную группировку (или изоморфную с ней). Например, на поверхности кристаллов иодида серебра nAgJ, полученных из растворов AgNO₃ и KJ, будут адсорбироваться из раствора ионы Ag⁺ или J⁻ (а также ионы Cl⁻, Br⁻), но не будут адсорбироваться ионы NO₃⁻ или K⁺.

Адсорбция как метод очистки сточных вод.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от:

фенолов, гербецидов, пестицидов, ПАВ, красителей и других растворенных органических токсичных веществ.

Очистка воды может быть регенеративной, т.е. с извлечением загрязняющего вещества из адсорбента и его утилизацией. При деструктивной очистке извлекаемое из сточной воды вещество уничтожается вместе с адсорбентом.

Адсорбенты: - используют активные угли, а также некоторые отходы производства – золу, шлаки, опилки. Эти адсорбенты должны слабо взаимодействовать с полярными молекулами воды и сильно притягивать и удерживать молекулы загрязнителей, которыми являются малополярные органические вещества.

Минеральные адсорбенты – глина, силикагели, алюмогели, гидроксиды металлов (т.е., полярные вещества) для этой цели не эффективны.

Процесс адсорбционной очистки ведут либо при интенсивном перемешивании сточной воды с адсорбентом в специальной емкости, либо при фильтровании сточной воды через слой адсорбента.

Процесс адсорбции складывается из трех стадий: а) – перенос загрязняющего вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента; б) – собственно адсорбционный процесс – «втягивание или поглощение»; в) – перенос загрязняющего вещества внутрь зерен адсорбента. Лимитирующей стадией является стадия а) или в).

Скорость адсорбции зависит от концентрации, от полярности и размеров молекул поглощаемых примесей, от температуры воды, а также от свойств адсорбента. Оптимальную скорость процесса очистки устанавливают экспериментально, определяя периодически величину концентрации загрязнителя в сточной воде. Эффективность очистки достигает 80 – 95 %.

Поглотительную способность адсорбента можно охарактеризовать как «количество примеси, поглощаемой единицей массы адсорбента» по формуле: Г = (с₀ – с_к) х (V : m) где: V – объем раствора сточной воды; m – масса используемого адсорбента; с₀ и с_к – концентрация молекул примеси в растворе до и после очистки, соответственно. (В формуле: х – знак умножения). Величину с_к сравнивают с ПДК – предельно допустимой концентрацией загрязняющего вещества и принимают решение о возможности (или невозможности) сброса сточных вод в окружающий водоем.

Очистка воды сорбцией имеет высокую стоимость, т.к. дороги и сами адсорбенты, и методы их регенерации.

Для регенерации активированного угля адсорбированные загрязняющие вещества извлекают десорбцией – для этого уголь обрабатывают перегретым водяным паром (t = 200 – 300⁰C) или инертным газом (t = 120 – 140⁰C). После десорбции пары конденсируют и загрязняющее вещество извлекают из конденсата. Термическую регенерацию проводят также в печах (700 – 800⁰) в бескислородной среде, используя смесь продуктов горения газа и водяной пар. При этом теряется до 20% адсорбента. Существуют и другие виды регенерации адсорбентов.

Рассмотрим, как применяется в быту ионная адсорбция.

Широкое распространение получили фильтры доочистки водопроводной воды в домашних условиях. Используют устройства различных марок. Самое простое устройство известно под названием «фильтр – кувшин». Имеющиеся в продаже сменные фильтрующие модули рассчитаны на определенный объем воды. Их регенерация невыгодна, поэтому замене модули (фильтры) не подлежат, их выбрасывают.

Фильтр «Аквафор Кристалл»

Тип картриджа для воды: картридж с адсорбентами - активированным кокосовым углем и ионнообменным волокном Aqualen.

Фильтр для питьевой воды Аквафор Кристалл — универсальный фильтр для глубокой очистки питьевой воды. Удаляет из водопроводной воды хлор, тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды и другие загрязнители. Компактный корпус, легкая замена модулей.

Водоочиститель Аквафор Трио обеспечивает исключительное качество очистки воды за счет многоступенчатой фильтрации. Вода последовательно проходит через три фильтрующих модуля, изготовленных по технологии карбонблок и содержащих активированный уголь и уникальные волокна Аквален, что позволяет особенно эффективно очищать воду от весьма токсичных катионов тяжелых металлов и органических примесей.

Фильтр удаляет также загрязнения: - активный хлор, хлориды, сульфаты -100% - катионы - кальций, магний, железо, марганец -100% - нитраты -50% - органические примеси -100%

Три ступени очистки (предварительная, глубокая, финишная): последовательно фильтруя водопроводную воду, на выходе получают глубоко очищенную питьевую воду.

Обратите внимание, сменные модули фильтров содержат два адсорбента:

- кокосовый уголь, он адсорбирует токсичные ионы;

- волокна Аквален, в них происходит ионообменная адсорбция ионов (см. следующую лекцию).

Контрольные вопросы к лекции 7 КХ21 на тему: «Адсорбция из растворов на твердых адсорбентах»

1. Назовите виды адсорбции из растворов на твердых адсорбентах.

2. В каком виде растворенные вещества адсорбируются на поверхности твердого адсорбента при молекулярной адсорбции? Может ли происходить молекулярная адсорбция растворенного вещества в растворах сильных электролитов?

3. Назовите факторы, от которых зависит результат молекулярной адсорбции.

4. Какие особенности имеет ионная адсорбция? В растворах каких электролитов она происходит?

5. Как влияют величина радиуса иона и его заряд на адсорбционную способность иона? (См. лиотропные ряды).

6. Опишите кратко, как используют адсорбцию для очистки сточных вод от токсичных веществ: - какие адсорбенты используют; - как происходит процесс очистки, - факторы, влияющие на ее скорость, - что такое поглотительная способность адсорбента, - как регенерируют адсорбенты?

7. Какие адсорбенты входят в состав фильтров Аквафор? В чем состоит роль кокосового угля? Назовите примеси, удаляемые при доочистке водопроводной воды.