Вопрос 67 (адсорбция и абсорбция)

Для разделения однородных и неоднородных систем используют сорбционные процессы, основанные на явлении сорбции. Сорбция – любой процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом). В зависимости от механизма поглощения различают абсорбцию, десорбцию, адсорбцию. Абсорбция – процесс поглощения одного вещества другим во всем объеме сорбента. Примером может служить растворение газов в жидкостях. Поглощаемое вещество в этом процессе называют абсорбатом, а поглощающее абсорбентом.

Обратный процесс – выделение сорбата из сорбента называется десорбцией. Если между веществами происходит химическое взаимодействие, то процесс называется хемосорбцией. Процессы абсорбции широко распространены в пищевой и химической промышленности. Так, при получении важных химических продуктов (соляной, серной кислоты и др.) процесс абсорбции является основной технологической стадией производства.

В пищевой промышленности углекислым газом насыщают безалкогольные напитки, пиво и некоторые сорта вин. В спиртовом и винодельческом производствах из газов, выделяемых при брожении, улавливают спиртовые пары путем поглощения их водой.

В крахмальном производстве полученный из сернистого газа раствор используют для замочки кукурузы, а в свеклосахарном производстве сахарный раствор обрабатывают углекислым газом, а затем полученный сироп – сернистым газом. Растворимость газов в жидкостях зависит от свойств газа и жидкости, от температуры и парционального давления растворяющегося газа (компонента) в газовой смеси. Абсорбция осуществляется в массообменных аппаратах, в которых абсорбент и абсорбат приводят в тесный контакт.

Основные типы абсорберов по конструктивным принципам следующие: поверхностные, барботажные (колокольные и тарелочные), пленочные (каскадные, трубчатые, насадочные), механические, распылительные.

Адсорбция – процесс избирательного выделения одного или нескольких компонентов из газовой, парогазовой или жидкой смеси и концентрирования их на поверхности твердого пористого тела (адсорбента), поглощаемое вещество называется адсорбтивом, оно же в концентрированном виде на поверхности адсорбента – адсорбатом.

Процессы адсорбции являются избирательными и обратимыми. Это значит, что каждый поглотитель обладает способностью поглощать лишь определенные вещества и не поглощает (или почти не поглощает) другие вещества, содержащиеся в газовой смеси или растворе. Поглощенное же вещество всегда может быть выделено из поглотителя путем десорбции. Для того чтобы процесс был эффективным, активная поверхность адсорбента должна быть велика.

В пищевых производствах наиболее распространенными адсорбентами являются активные угли, силикагели (гель кремниевой кислоты), алюмогели (гидроокись алюминия), цеолиты, глины и другие природные адсорбенты.

Активные угли получают при сухой перегонке углесодержащих веществ (дерево, торф, кости и др.) при последующем прокаливании углей при температурах свыше +900 °С.

В спиртовом и ликеро-водочном производствах используют активные угли растительного происхождения (березовый БАУ, буковый). Их применяют для извлечения из сортировки (смесь спирта с водой) и спирта-ректификата альдегидов, сложных эфиров, кетонов, карбоновых кислот и высокомолекулярных веществ (сивушных масел). Уголь извлекает глюкозу и фруктозу из некоторых сортов водки.

Активный уголь используют для осветления пива и фруктовых соков. Для обесцвечивания сахарных сиропов применяют активный уголь, полученный на базе костяного угля. Мелкозернистым углем деколар обесцвечивают сахарные сиропы, коньяки, вина, фруктовые соки, эфирные масла, желатин. В ряде случаев одновременно с обесцвечиванием происходит удаление запаха, привкуса, коллоидных и других примесей.

Силикагель используют в основном для поглощения влаги (например, для осушения газов), а также для осветления пива и фруктовых соков. Достоинствами силикагелей является негорючесть и большая механическая прочность в сравнении с активными углями.

В промышленности применяют цеолиты (природные или синтетические минералы) – алюмосиликаты натрия, калия, магния, кальция. Используют в основном искусственно приготовленные цеолиты. Они характеризуются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и применяются для глубокой осушки газов перед ожижением.

В качестве адсорбентов используют иониты (аниониты и катеониты) - глинистые минералы, ископаемые угли, плавленые цеолиты, ионообменные смолы. Иониты необходимы для извлечения малых количеств веществ, растворимых в воде, при получении чистой обессоленной воды и др.

Глинистые материалы применяют в основном для очистки различных жидких сред от примесей. В пищевой промышленности ими осветляют вина, пиво, фруктовые соки, рафинированные растительные масла, воду и др. Для осветления пива используют бентонитовые глины, для осветления и стабилизации вин, ускорения срока созревания и выдержки – натриевый бентонит.

Процессы адсорбции проводятся в аппаратах периодического действия (с неподвижным зернистым адсорбентом) и аппаратах с движущимся или кипящим (псевдоожиженным) слоем адсорбента. Наибольшее распространение имеют адсорберы с неподвижным слоем поглотителя.

Для обработки жидких систем с целью их обесцвечивания применяют адсорбционные колонны, фильтры и смесители.

Изотерма адсорбции (англ. adsorption isotherm) — зависимость количества адсорбированного вещества (величины адсорбции) от парциального давления этого вещества в газовой фазе (или концентрации раствора) при постоянной температуре.

Описание

Экспериментальные изотермы адсорбции являются наиболее распространенным способом описания адсорбционных явлений. Методы получения адсорбционных данных для построения изотерм адсорбции основаны на измерении количества газа (жидкости), удаленного из газовой (жидкой) фазы при адсорбции, а также на различных способах определения количества адсорбата (адсорбированное вещество) на поверхности адсорбента (адсорбирующее вещество), например, волюметрический метод, гравиметрический метод и др.

Различают шесть основных типов изотерм адсорбции (см. рис.). Тип I характерен для микропористых твердых тел с относительно малой долей внешней поверхности. Тип II указывает на полимолекулярную адсорбцию на непористых или макропористых адсорбентах. Тип III характерен для непористых сорбентов с малой энергией взаимодействия адсорбент-адсорбат. Типы IV и V аналогичны типам II и III, но для пористых адсорбентов. Изотермы типа VI характерны для непористых адсорбентов с однородной поверхностью.

Изотермы адсорбции используются для расчета удельной поверхности материалов, среднего размера пор или среднего размера нанесенных частиц, распределения пор или частиц по размерам.

Существует несколько методов математического выражения изотерм адсорбции, различающихся моделями, использованными для описания процесса адсорбции. При малых степенях покрытия поверхности адсорбатом для однородной поверхности уравнение изотермы адсорбции имеет вид уравнения Генри: a = Kp, где a — величина адсорбции, p — давление газа, K — константа. При средних степенях покрытия может быть применено эмпирическое уравнение Фрейндлиха: a = kpn, где k и n — константы.

Строгая теория изотермы адсорбции была предложена И. Ленгмюром для модели монослойной адсорбции на однородной поверхности, в которой можно пренебречь силами притяжения между молекулами адсорбата и их подвижностью вдоль поверхности. Уравнение изотермы Ленгмюра имеет вид: a = ambp/(1 + bp), где b — адсорбционный коэффициент, зависящий от энергии адсорбции и температуры; am — емкость монослоя.

Дальнейшее развитие теории состояло в исключении того или иного допущения, использованного Ленгмюром. Так, С. Брунауэром, П. Эмметом и Э. Теллером была предложена теория полимолекулярной адсорбции (метод БЭТ); Т. Хилл и Я. де Бур разработали теорию, учитывающую взаимодействие между адсорбированными молекулами.