Основные промышленные адсорбенты и их свойства

АДСОРБЦИЯ

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсор­бентов определяются природой материала, из которого они из­готовлены, и пористой внутренней структурой (см. гл. 19).

В промышленных адсорбентах основное количество поглощен­ного вещества сорбируется на стенках микропор ( r < 10^-9 м). Роль переходных пор (10^-9< r < 10^-7 м) и макропор (r > 10^-7 м) в ос­новном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или ад­сорбционной, способностью, определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. Величина поглотительной способности зависит от типа адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров от их парциаль­ного давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют рав­новесной активностью.

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные) угли, углеродные волокнистые мате­риалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алю­миния, алюмогели, цеолиты и глинистые породы.

Активные угли, состоящие из множества беспорядочно рас­положенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разде­ления жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, камен­ного угля, костей животных, косточек плодов и др.) с целью удаления летучих. После этого уголь активируют, например про­каливают его при температуре 850-900 °С, что приводит к осво­бождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздула и др. Более однородная структура углей получается при их акти­вации химическими методами: путем их обработки горячими рас­творами солей (например, сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.).

Удельная поверхность активных углей очень высока и состав­ляет 6 • 10⁵ —17 • 10⁵ м²/кг, а их насыпная плотность 200-900 кг/м³. Активные угли применяют в виде частиц неправильной формы размером 1-7 мм, цилиндров диаметром 2-3 мм и высотой 4-6 мм и порошка с размером частиц менее 0,15 мм. Последний вид активных углей применяют для разделения растворов.

К основным недостаткам активных углей относятся их горю­честь и невысокая механическая прочность.

Силикагель-обезвоженный гель кремниевой кислоты (SiO₂-nН₂0)-используют для адсорбции полярных соединений. Его применяют в процессах осушки газов и жидкостей, при раз­делении органических веществ в газовой фазе и в хроматографии. Силикагель получают обработкой раствора силиката натрия (раст­воримое стекло) серной кислотой (иногда хлороводородной) или растворами солей, имеющих кислую реакцию. Образовавшийся гель промывают водой и сушат до конечной влажности 5-7%, так как при такой влажности силикагель обладает наибольшей ад­сорбционной способностью. Удельная поверхность силикагеля со­ставляет 4^.10⁵-7,7^.10⁵ м²/кг, насыпная плотность 400-800 кг/м³. Размер частиц неправильной формы изменяется в довольно ши­роком интервале от 0,2 до 7 мм, а гранулированных (сферической или овальной формы) от 2 до 7 мм.

К достоинствам силикагелей относятся их негорючесть и боль­шая механическая прочность, чем у активных углей. Недостатком силикагелей по сравнению с активными углями является, помимо их более низкой удельной поверхности, резкое снижение погло­тительной способности по отношению к парам органических ве­ществ в присутствии влаги.

По сорбционным свойствам к силикагелю близко примыкают алюмогели, получаемые термической обработкой гидроксида алю­миния [А1(ОН)₃] при температурах 600-1000 °С. Поры полученного сорбента (92% А1₂0₃) имеют диаметр 1-3 нм, удельную поверх­ность 2^.10⁵-4-10⁵ м/кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 кг/м³. Алюмогели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел, применяют в качестве катализаторов и их носителей.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содер­жащими оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры ко­торых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особен­ность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру моле­кулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами.

Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей в виде мелкозернистого порошка.

Особенно широко цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводород­ной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0^.1,5)^.10⁵ м²/кг.

Отметим, что адсорбенты характеризуются еще статической и динамической активностью. Под статической активностью по­нимают количество вещества, поглощенного единицей массы или объема адсорбента от начала адсорбции до установления рав­новесия. Этот вид активности определяют в статических условиях, т. е. без движения смеси газов или раствора. При движении смеси сквозь слой адсорбента через определенный промежуток времени адсорбент перестает полностью поглощать извлекаемый компо­нент, и происходит «проскок» этого компонента с последующим увеличением концентрации компонента в уходящей из слоя смеси вплоть до наступления равновесия. Количество вещества, погло­щенного единицей массы или объема адсорбента до начала про­скока, называют динамической активностью адсорбента. Динами­ческая активность всегда меньше статической, поэтому количество адсорбента определяют по его динамической активности.