Основные виды пористых адсорбентов

Активные угли. Самое широкое применение в промышленности нашли активные угли. Они в основном состоят из углерода. Их получают из различного органического сырья: торфа, различных видов углей, дерева и продуктов его переработки, отходов кожевенной промышленности, костей, скорлупы кокосовых и других орехов, из косточек плодов. Производится более 90 марок активных углей.

Активные угли как промышленные адсорбенты имеют ряд особенностей, определяемых характером их поверхности и пористой структуры. Поверхность кристаллитов углерода электронейтральна, и адсорбция определяется дисперсионными силами взаимодействия. Структура углей представлена совокупностью пор всех размеров, а адсорбционная емкость и скорость адсорбции зависит от содержания микропор в единице массы или объема. В активных углях микропоры в кристаллитах углерода щелевидные, межкристаллитные микропоры напоминают цилиндры. Объем микропор 0,25..0,45 см³/г при общем объеме пор 0,6..0,8 см³/г при размере зерна от 1 до 3 мм и насыпной плотности сорбента 0,4..0,5 г/см³. Адсорбционная способность углей, например, по гептану 16..26 г/100 г угля. Это ориентировочные характеристики, а конкретные данные различных марок углей приведены в справочной литературе. В последние годы все более широкое применение находят волокнистые углеродные адсорбенты, отличающиеся повышенной удельной поверхностью.

Активные угли – практически единственный гидрофобный тип промышленных адсорбентов. Насыщение углей водой проходит в течение нескольких месяцев. Это предопределило его применение при очистке сточных вод, влажных газов. Влажность среды отрицательно влияет на процессы очистки газов при низких концентрациях поглощаемых компонентов. Отрицательная особенность активных углей – горючесть: на воздухе окисление углей начинается при температурах около 250 ^оС. Для уменьшения горючести к активным углям добавляют до 5 % силикагеля, получая таким образом силикарбоновые угли.

Силикагели. Минеральные адсорбенты с хорошо развитой пористостью. Это твердые прозрачные или матовые зерна, бесцветные или светло-коричневые. Выпускаются в виде шариков, таблеток или гранул неправильной формы с размером от 0,1 до 7 мм. Силикагели получают на основе диоксида кремния. По своей природе силикагель является гидратированным аморфным кремнеземом (SiO₂·nH₂O) – реакционноcпособное соединение переменного состава. Процесс поликонденсации приводит к образованию частиц коллоидных размеров с формой близкой к сфере и диаметром 2..20 нм. При высушивании гидрогеля кремниевой кислоты структурная сетка из связанных между собой сферических частичек сохраняется, т.е. имеется жесткий кремнекислотный каркас. Поры такого каркаса рассматриваются как зазоры между частичками, а их размеры зависят от размера частичек и плотности их упаковки. Химические и адсорбционные свойства силикагелей определяются в большой мере наличием на поверхности силанольных групп ≡Si-OH. Основные преимущества силикагелей: низкая температура регенерации (110..200⁰С), возможность синтеза силикагелей с различной структурой, высокая механическая прочность, низкая стоимость.

Алюмогели. Термически стабильные адсорбенты на основе различных модификаций оксида алюминия, получаемых прокаливанием гидроксидов алюминия. Структура оксида алюминия определяется типом исходного сырья, остаточным содержанием воды, температурой прокаливания, наличием примесей щелочных и щелочноземельных металлов. Первичные кристаллические частицы размером 3..8 нм упакованы так, что поры, образуемые ими, имеют или щелевидную, или бутылкообразную форму. Используют для осушки газов, очистки масел, консервации приборов, очистки газовых и жидкостных потоков от фторсодержащих соединений.

Цеолиты. Это алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных или щелочноземельных металлов. Отличаются строго регулярной структурой пор, которые в обычных условиях заполнены молекулами воды. При нагревании вода удаляется, отсюда название цеолит – "кипящий камень". Общая химическая формула цеолитов Ме_2/n×Al₂O₃× x SiO₂× y H₂O. В качестве катионов в природных цеолитах обычно встречаются натрий, калий, кальций, реже магний, стронций, барий. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами SiO₄ и AlO₄. Катионы компенсируют избыточный отрицательный заряд анионов алюмосиликатного скелета цеолита.

Если из цеолита удалить воду, то поры снова могут быть заполнены молекулами воды или другого адсорбата, что и используют в процессах осушки, очистки или разделения газовых или жидкостных потоков. У цеолитов существуют адсорбционные полости, соединенные друг с другом входами – окнами. Окна имеют строго определенные размеры, поэтому поглощаться цеолитами могут только молекулы с размерами, меньше диаметра входного окна.

В природе цеолиты распространены широко, так как образовались в результате изменения вулканических туфов. Катионы, входящие в состав цеолитов, под воздействием среды могут замещаться на катионы других металлов, что предопределило большое разнообразие цеолитов. Промышленное применение находят клиноптилолит, морденит с размерами окон около 0,4 нм. В последние годы большое внимание уделяется синтезу цеолитов типа КА, NaА, CaA, CaX, NaX. Структура цеолитов типа А состоит из больших и малых адсорбционных полостей объемом 0,28..0,3 см³/г при пористости кристаллов 50 %. Химический состав NаА: Nа₂О×Al₂O₃×2SiO₂×4,5H₂O. Цеолиты типа Х в дегидратированном виде имеют состав: Nа₂О×Al₂O₃× n SiO₂ с объемом пор большим, чем у цеолитов марки А.