Характеристика свойств промышленных адсорбентов

Адсорбция является одним из наиболее эффективных методов очистки отходящих газов от летучих органических и неорганических соединений (пары воды, летучие растворители, красители, хлор и др.).

Адсорбция – это самопроизвольный процесс поглощения (концентрирования) веществ из газовой фазы или воды (адсорбат) поверхностью твердого поглотителя (адсорбента). Различают физическую и активированную (химическую) адсорбцию.

Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия адсорбируемых молекул с поверхностью адсорбента.

Активированная адсорбция сопровождается образованием поверхностных соединений молекул поглощаемых веществ с адсорбентом. На практике часто протекают одновременно физическая и активированная адсорбция.

В качестве адсорбентов для очистки и осушки газов можно использовать мелкодисперсные твердые пористые вещества, обладающие развитой поверхностью.

В настоящее время промышленность производит различные типы адсорбентов. Для очистки газов применяют пористые адсорбенты: силикагели, цеолиты, алюмогели, активные угли (АУ) различных марок, характеризующиеся высокой адсорбционной способностью и сравнительно легко регенерируемые.

Адсорбционная емкость материала (А) – количество поглотившегося вещества единицей массы сорбента (моль/г, г/г, г/кг) – зависит от природы и пористой структуры сорбентов, а также физико-химических свойств извлекаемых веществ.

На основе механизмов адсорбционных и капиллярных явлений поры сорбентов классифицированы на микропоры с эквивалентным радиусом пор r = 0,6–0,7 нм, супермикропоры r = 0,7–1,6 нм, мезопоры с r > 1,6 – 100–200 нм и макропоры r > 200 нм.

Основными характеристиками промышленных адсорбентов являются параметры пористой структуры (объемы микро-, мезо- и макропор, см³/г), распределение объема пор по размерам, насыпная плотность г/см³, механическая прочность, диаметр зерен, которые зависят от свойств исходного сырья, условий получения.

Активированные угли (АУ) принадлежат к группе графитовых тел и представляют собой разновидность микрокристаллического углерода. Графитовые кристаллы состоят из плоскостей, образованных конденсированными ароматическими кольцами, но типичная для графита ориентация отдельных плоскостей нарушена, часть слоев беспорядочно сдвинуты относительно друг друга. Кроме того, АУ содержит до 2/3 аморфного углерода и гетероатомы, например кислород. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, обуславливает необычную пористую структуру АУ.

В АУ представлены две разновидности микропор: щелевидные микропоры в кристаллитах углерода и межкристаллитные микропоры, которые в первом приближении можно аппроксимировать цилиндрической формой. Совокупность микропор этих двух типов образуют зоны микропористости, протяженность которых составляет 10–60 нм. Суммарный объем щелей между микропористыми зонами является объемом мезопор для единицы массы сорбента.

Пористая структура АУ оказывает превалирующее влияние на протекание сорбционных процессов и зависит, главным образом, от свойств исходного сырья, условий карбонизации и активации.

Промышленность выпускает широкий ассортимент АУ из различных видов сырья с известными физико-химическими и физико-механическими свойствами: фракционный состав, объемный вес ρ, механическая прочность П_р, зольность, рН водной вытяжки, а также сорбционными характеристиками: параметрами пористой структуры (V _ми, V_мe, V_мa), распределением объема пор по размерам dV/dr.

Обычно для всех промышленных марок АУ на долю макропор из общего объема пор 1 г АУ приходится от 0,2 до 0,5 см³/г, мезопор – 0,02–0,1 см³/г, микропор – 0,12–0,6 см³/г. Промышленность выпускает широкий ассортимент АУ с различной пористой структурой. Для очистки газов при низком содержании загрязняющих веществ применяют марки АУ с развитой микропористой структурой (объем микропор 0,3–0,6 см³/г).

Для рекуперации летучих растворителей, когда парциальное давление адсорбата близко к давлению его насыщенных паров, применяются АУ с развитым объемом переходных и макропор (рекуперационные угли). Высокая активность этих углей обусловлена капиллярной конденсацией загрязняющих веществ в переходных и макропорах.

В настоящее время АУ получают из всех видов углеродсодержащего сырья: каменный и бурый угли, древесина, торф, лигнин, отходы полимерных материалов, фруктовые косточки и скорлупа орехов.

Силикагель представляет собой гель кремниевой кислоты. Это сорбент с высокоразвитой пористой структурой, скелет которого состоит их тетраэдрических группировок - SiO₄^-, поверхность которого содержит гидроксильные группы, что обуславливает высокую адсорбционную и ионообменную активность материала. Высушенный силикагель способен адсорбировать воду и другие полярные соединения, а также соединения, образующие водородные связи с гидроксильными ионами. Неполярные соединения способны адсорбироваться в микропорах силикагеля за счет сил дисперсионного взаимодействия.

Цеолиты алюмосиликатные адсорбенты кристаллической структуры, в которых часть ионов кремния заменена ионами алюминия, вследствие чего кристаллическая решетка обладает некоторым избыточным отрицательным зарядом, который компенсируется различными катионами. Характерной особенностью цеолитов является наличие пустот между элементами, образующими кристаллическую решетку, что создает особую микропористую структуру сорбента.