Сорбция и катализ

Сорбция — это процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом) независимо от механизма поглощения. Сорбция разделяется на виды: адсорбция, абсорбция, хемосорбция.

Адсорбция — процесс изменения концентрации вещества на границе раздела фаз. Сорбируемое вещество располагается на поверхности сорбента. Абсорбция — процесс поглощения сорбтива всем объемом сорбента, когда извлекаемое вещество проникает в поры сорбента. Если сорбция сопровождается протеканием химических реакций, то она носит название хемосорбция. Некоторые сорбенты имеют в своем составе ионы, способные вступать в обменные реакции с ионами раствора. Это явление называется обменной (или ионообменной) сорбцией.

Практическое значение для очистки воды имеет сорбция на поверхности раздела твердое вещество—раствор. Основой процесса адсорбции является взаимодействие молекул сорбента, обладающих на границе раздела фаз поверхностной энергией, с молекулами адсорбируемых веществ. Чем больше суммарная межфазовая поверхность, тем больше ее поверхностная энергия и количество сорбированных веществ. Сорбция сопровождается уменьшением поверхностной энергии и протекает самопроизвольно.

При адсорбции растворенных веществ на твердых адсорбентах в той или иной степени происходит адсорбция растворителя, т.е. воды. Для уменьшения адсорбции воды применяют гидрофобные сорбенты.

В качестве сорбентов для очистки воды применяют различные пористые материалы: активные угли различных марок, золу, коксовую мелочь, торф, активные глины и т.д. В процессах подготовки воды для питьевых целей используют в основном активные угли.

Активность сорбента характеризуется количеством извлекаемого вещества в расчете на 1 м3 или на 1 кг сорбента; кроме того, она связана со структурой сорбента. Различают, в частности, угли крупнопористые, мелкопористые и смешанные. Поры подразделяются на макропоры размером 0,1—2 мкм, переходные поры размером 0,004—0,1 мкм и микропоры размером менее 0,004 мкм. Считается, что макропоры и переходные поры задерживают вещества в малом количестве и в основном играют роль транспортных каналов. Таким образом, сорбционная емкость углей определяется наличием в них микропор. Из активированных углей отечественных марок наибольшей емкостью микропор обладают угли СКТ, наименьшей — КАД молотый.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции. Изотерма сорбции — это кривая зависимости количества поглощенного вещества в расчете на единицу (объема или массы) сорбента от концентрации сорбируемого вещества в растворе.

Кривая сорбции

С — концентрация раствора; Г — количество сорбируемого вещества на массовую единицу сорбента

Сорбция газов твердым сорбентом описывается изотермой Лэнгмюра, имеющей вид:

Г = Г Кс/(1 + Кс)

где Г и Г — количество адсорбированного вещества соответственно в момент времени t и предельно возможное, характерное для данного сорбента и условий процесса, моль/см2; К — константа равновесия адсорбционного процесса, выраженная через отношение скоростей прямого и обратного процессов, т.е. сорбции и десорбции; с — концентрация сорбтива в растворе, моль/л.

В силу общности кинетических представлений действие уравнения распространяется и на процесс сорбции твердым сорбентом веществ из раствора.

В уравнении К и Г — константы. Если величина с мала, то Кс « 1, тогда Г = кГ, т.е. наблюдается линейная зависимость адсорбции от концентрации сорбируемого вещества. При другом граничном условии, когда Кс » 1, уравнение сводится к предельному значению Г = Г. Физически это означает, что свободной поверхности, доступной сорбции, нет, и дальнейшее увеличение концентрации извлекаемого вещества не имеет смысла.

Кроме теории Лэнгмюра разработан еще ряд теорий, описывающих закономерности сорбции различного вида, в частности теория трех авторов — Брунауэра, Эммета и Теллера (сокращенно БЭТ), отражающая возможность полимолекулярной адсорбции.

Для адсорбции из растворов широко применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:

Г = Кс1/n

где К и n — эмпирические константы.

Уравнение хорошо согласуется с экспериментальными данными в обширной области средних концентраций, но дает отклонения при малых и больших концентрациях раствора, для которых более приемлемо уравнение Лэнгмюра, хотя строго говоря, к интересующему нас случаю сорбции примесей из воды теория Лэнгмюра должна применяться с осторожностью.

Сорбция является одним из наиболее эффективных методов извлечения из воды растворенных веществ, чаще всего органического происхождения. Нередки случаи, в особенности при очистке сточных вод, когда сорбируемое вещество утилизируется, что в значительной степени снижает эксплуатационные затраты на обработку воды.

При подготовке питьевой воды сорбционные процессы применяют для устранения запахов и привкусов воды.

Адсорбция является стадией гетерогенного катализа. Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость реакции, а изменение скорости реакции с помощью катализаторов называется катализом.

Различают гомогенный и гетерогенный катализы. При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют одну фазу. Явления гомогенного катализа обычно объясняются теорией промежуточных соединений. Схематически это можно представить так: А + В = АВ (реакция протекает медленно). Катализатор К разбивает процесс на две стадии: А + К = АК (протекает быстро); АК + В = АВ + К (протекает быстро).

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор — разные фазы. Катализатором чаще всего является твердое тело, на поверхности которого различают активные центры, места с наибольшей декомпенсированностью молекулярных сил. На активных центрах собираются молекулы реагирующих веществ, их концентрация в этих местах становится выше, чем в общей массе, в результате чего изменяется скорость реакции в соответствии с законом действующих масс.

Необходимо упомянуть еще об одном важном аспекте действия катализаторов. Существует понятие — энергия активации реакции. Чтобы реакция прошла самопроизвольно, необходимо чтобы энергия исходных продуктов А + В была выше, чем конечных продуктов реакции С + D, и, кроме того, молекулы веществ А и В должны перейти энергетический барьер реакции Е.

Схема изменения свободной энергии реагирующей системы

Под действием катализатора у адсорбированных молекул. ослабляются связи между атомами; связи делаются более реакционноспособными. В этом случае, как и в гомогенном катализе, в присутствии катализатора требуется меньшая энергия активации (пунктирная линия. Таким образом, действие катализаторов сводится к снижению высоты энергетического барьера.

www.ovode.net 2011