Адсорбція
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 об’ємі рідини чи твердого тіла. А. зумовлюється тими самими міжмолекуляр. силами (вандерваальсові взаємодії, диполь-дипольні взаємодії, водневий зв’язок 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. пов’язують 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 взаємозв’язок зі змінами поверхневого натягу отримали вичерпну інтерпретацію в працях амер. фізика Дж. Ґіббса (1876). Він установив також кількіс. зв’язок 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 об’єму. 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 об’ємного 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 об’ємного заповнення мікропор) розвинули академік М. Дубинін та його школа. Відомі також розширені варіанти матем. опису цієї теорії, що дають можливість, зокрема, розподіляти об’єми 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 пов’язані 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 пов’язані 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. пов’язані 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.
Рекомендована література
- 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.
Завантажити статтю
