Адсорбція

Визначення і загальна характеристика

АДСО́РБЦІЯ (від лат. ad — на, при і sorbeo — по­глинаю) — концентрува­н­ня і до­статньо міцне утримува­н­ня речовин (адсорбатів, адсорбтивів) із газової фази чи роз­чинів на поверх­ні твердих тіл (адсорбентів) або на межі поділу (поверх­ні) рідин. А. є окремим випадком ширшого поня­т­тя — сорбція, яке охоплює також абсорбцію — по­глина­н­ня речовин в обʼємі рідини чи твердого тіла. А. зумовлюється тими самими між­молекуляр. силами (вандерваальсові взаємодії, диполь-дипольні взаємодії, водневий звʼязок та ін.), що діють у рідинах чи твердих тілах. Нескомпенсованість цих сил на межі поділу, тобто наявність силового поля на поверх­ні, і є причиною А. Роз­різняють фіз. А., при якій молекули зберігають свою індивідуальність, і хемосорбцію, тобто утворе­н­ня поверх­невих сполук між речовиною, що адсорбується, та поверх­нею адсорбенту. Фіз. А. — процес оборотний і, як правило, су­проводжується виділе­н­ням тепла. А. зменшується при під­вищен­ні температури (десорбція) та збільшується зі зро­ста­н­ням парціального тиску адсорбату чи під­вище­н­ням його концентрації в роз­чині. Хемосорбція ж, навпаки, зро­стає з під­вище­н­ням т-ри; при цьому хемосорбовані молекули втрачають свою індивідуальність.

Зародже­н­ня наук. ро­зумі­н­ня явища А. повʼязують із першими публікаціями швед. хіміка К. Шеєле (1773) та італ. абата Ф. Фонтана (1777) про явище по­глина­н­ня газів деревним вугі­л­лям. Процес А. з роз­чинів на дерев. вугіл­лі вперше описав 1785 рос. фармацевт Т. Ловіц. Він за­стосував на практиці А. з роз­чинів для знебарвле­н­ня фармацевт. препаратів, а також очище­н­ня горілки і питної води. На­ступні дослідже­н­ня Н. Сосюра (1814) адсорбції газів, а також роз­роблені Р. Острейком на поч. 20 ст. в Німеч­чині технології отрима­н­ня активов. вугі­л­ля з кістк. борошна, деревини і торфу були покладені в основу організації його виробництва в деяких країнах і за­провадже­н­ня в процесах очище­н­ня цукр. сиропів та горілки, а також у медицині як антидоту при отруєн­ні й лікуван­ні багатьох захворювань. Наук. термін «А.» в сучас. ро­зумін­ні за­провадив 1881 Х. Кайзер. Термін «активоване вугі­л­ля» за­пропонував 1915 проф. М. Зелінський, який був також ініціатором робіт щодо створе­н­ня протигаза з активов. вугі­л­лям для очище­н­ня повітря від бо­йових отруйних речовин. Найбільший внесок у науку про А. в 20 ст. зробили амер. вчені І. Ленґмюр, Т. Гілл, англ. лорд Кельвін, Ф. Лондон, Дж. Макбен та Д. Еверетт, нім. Г. Фрейндліх та Е. Гек­кель, гол­ланд. Дж. де Бур, угор. М. Поляні та С. Брунауер, рос. М. Цвєт, М. Шилов, М. Дубинін та А. Кисельов. Явище А. на поверх­ні рідин і його взаємозвʼязок зі змінами поверх­невого натягу отримали вичерпну інтер­претацію в працях амер. фізика Дж. Ґіб­бса (1876). Він установив також кількіс. звʼязок між зміною поверхн. натягу та величиною А. роз­чинених речовин на межі поділу газ–рідина чи рідина– рідина.

Найсут­тєвішою характеристикою адсорбентів є величина їхньої питомої поверх­ні, тобто внутр. поверх­ні їхніх пор в одиниці їхньої ваги або обʼєму. Поширений спосіб ви­значе­н­ня питомої поверх­ні ґрунтується на аналізі ізотерм фіз. А. азоту, аргону та ін. газів і парів за допомогою за­пропонованого Брунауером, Ем­метом і Тел­лером у 1938 рівня­н­ня полімолекулярної А. (метод БЕТ). У най­дрібнішому різновиді пор роз­міром декілька ангстрем (у т. зв. щілиноподібних мікропорах, характерних перед­усім для вуглецевих адсорбентів) енергія А. різко зро­стає завдяки накла­дан­ню адсорбц. потенціалів протилежних стінок. У цьому випадку А. газів і парів протікає шляхом обʼємного заповне­н­ня пор, тобто без поперед. формува­н­ня моношару. Іншими словами, у випадку мікропор молекуляр. роз­міру поня­т­тя геом. поверх­ні пор втрачає суть. Фіз.-хім. об­ґрунтува­н­ня і матем. опис цього явища (теорія обʼємного заповне­н­ня мікропор) роз­винули академік М. Дубинін та його школа. Ві­домі також роз­ширені варіанти матем. опису цієї теорії, що дають можливість, зокрема, роз­поділяти обʼєми щілиноподіб. мікропор за їх роз­мірами (рівня­н­ня Дубиніна–Стеклі). Однорідно-мікропористі сорбенти (цеоліти, деякі різновиди активов. вугі­л­ля) проявляють молекулярно-ситовий ефект, що широко використовується при роз­поділі парів та газів, напр., для одержа­н­ня кисню й азоту з повітря із викори­ста­н­ням техніки короткоциклової сорбції. Явище А. дуже поширене в природі, техніці, повсякден. житті людей. Воно має виняткове значе­н­ня в біол. системах. Перші етапи взаємодії ферментів із субстратами, функціонува­н­ня біол. мем­бран, процеси всмоктува­н­ня із кишкового тракту без­посередньо повʼязані з явищем А. Жит­тєдіяльність мікроорганізмів у ґрунтах та дон­них від­кладах, процеси живле­н­ня рослин та пере­ходу пестицидів в овочі та фрукти залежать від сорбц. здатності ґрунту. Винятково важлива роль А. в каталізі, очищен­ні речовин та хромато­графії, тобто у від­критому ботаніком М. Цвєтом явищі роз­діле­н­ня речовин на шарі адсорбенту. Фарбува­н­ня тканин, вакуумна техніка, осуше­н­ня та очище­н­ня природ. газу без­посередньо повʼязані з сорбц. процесами.

Роз­виток багатьох «високих технологій» у хім., фармацевт., харч. виробництвах, у гід­ро­металургії тощо функціонува­н­ня систем екол. захисту вод. і повітр. басейнів також ґрунтується на за­стосуван­ні сорбентів. Сорбц. технології лежать в основі усуне­н­ня шкідл. домішок, запахів та присмаку з питної води, обробле­н­ня побут. та пром. від­ходів. У харчової промисловості використовують активов. вугі­л­ля та мінерал. сорбенти (глини) для знебарвле­н­ня та очище­н­ня цукр. сиропів, крохмал. патоки й фрукт. соків, рідких жирів і рослин. олій, очище­н­ня та поліпше­н­ня смакових якостей горілки, вин та пива, створе­н­ня регульованих газових середовищ в овоче­сховищах, для сигаретних фільтрів, у холодильниках і системах на­громадже­н­ня тепла і т. д. Активно роз­робляються спец. мікропористі різновиди вуглецевих сорбентів для балонів з природ. газом та воднем, що заповнюються при невисокому тиску і будуть використовуватися на автомоб. транс­порті.

В Україні становле­н­ня та роз­виток досліджень А. повʼязані з Ін­ститутом фіз. хімії НАНУ. На поч. 30-х рр. 20 ст. спів­роб. цього ін­ституту М. Поляков за­пропонував ідею формува­н­ня пористості силікагелів за допомогою органіч. формувачів, тобто фактично перед­бачив напрям, який нині активно роз­вивається в А., — темплатний синтез та ім­принтинг селектив. сорбентів та каталізаторів. І. Не­ймарк, учень М. Полякова, екс­периментально дослідив закономірності поро­утворе­н­ня в неорган. гелях; першим в Україні і СРСР роз­робив синтет. цеоліти. Дослідж. хімії поверх­ні, іонооб­мін., електрохім. та сорбц. властивостей активов. вугі­л­ля і силікагелів здійснили Д. Стражеско та І. Тарковська. Сорбц. властивості природ. мінерал. сорбентів України всебічно висвітлені в працях Ф. Овчаренка та Ю. Тарасевича. К. Махорін роз­робив технології отрима­н­ня активов. вугі­л­ля з антрацитів України та їх викори­ста­н­ня для очище­н­ня пром. стоків. В. Стрелко за­пропонував молекулярні механізми формува­н­ня пористості неорган. сорбентів та іонооб­мін­ників, об­ґрунтував уявле­н­ня про синтет. вугі­л­ля як про новий різновид вуглецевих сорбентів, роз­робив методи й технології синтезу та організував виробництво вуглецевих мед. сорбентів для очище­н­ня крові (гемосорбентів) та при­йому всередину (ентеросорбентів). Дедалі більшого значе­н­ня набувають сорбенти в медицині — як універ. засоби детоксикації організму при лікуван­ні отруєнь і широкого спектра захворювань. Найбільше пошире­н­ня в сорбц. технологіях отримали активов. вугі­л­ля, силікагелі, оксиди алюмінію, природні мінерал. сорбенти та синтет. цеоліти. Синтезовано нові різновиди цих матеріалів, напр., мезопористі цеоліти, активов. вугі­л­ля з молекулярно-ситовими властивостями, комбіновані вуглець-мінеральні сорбенти — їх усебічно досліджують. Обсяги виробництва цих матеріалів у роз­винених країнах досягають десятків та сотень тис. т. В Україні пита­н­нями А. за­ймається Ін­ститут сорбції та про­блем ендо­екології НАНУ, який роз­робляє сорбенти для екології, медицини й тонких хім. технологій.

Літ.: Природные минеральные сорбенты. К., 1960; Дубинин М. М. Адсорбция и пористость. Москва, 1972; Тарасевич Ю. И., Овчаренко Ф. Д. Адсорбция на глинистых минералах. К., 1975; Николаев В. Г., Стрелко В. В. Гемосорбция на активирован­ных углях. К., 1979; Кельцев Н. В. Основы адсорбцион­ной техники. Москва, 1984; Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверх­ность, пористость / Пер. с англ. Москва, 1984; Не­ймарк И. Е. Пористые сорбенты в народном хозяйстве. К., 1986; Слинякова И. Б., Денисова Т. И. Кремни­йорганические адсорбенты. К., 1988; Фенелонов В. Б. Пористый углерод. Новосибирск, 1995; Фесенко Е. А. Адсорбция органических веществ и их смесей из водных ра­створов на гидрофобных и гидрофильных полимерных сорбентах. К., 1996; Цыкало А. Л., Куценко Г. Д. Физическая адсорбция. О., 1997; Праці 1-го Західноукраїнського симпозіуму з адсорбції та хромато­графії (м. Львів, 12–15 трав. 1997 р.). Л., 1997; Роль электро­статических взаимодействий в адсорбции на поверх­ности твердых оксидов. К., 1999.

В. В. Стрелко

Завантажити статтю