Молекулярна адсорбція із розчинів

АДСОРБЦІЯ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН НА ТВЕРДИХ АДСОРБЕНТАХ

Мета. Дослідити адсорбцію поверхнево-активної речовини із водного розчину на твердому адсорбенті.

Поняття адсорбції

Існування межі розділу фаз спричинює ряд процесів серед яких важливим є адсорбція. Адсорбція спостерігається на поверхнях розділу тверда речовина – розчин, тверда речовина – газ, розчин – розчин і розчин – газ. Адсорбція відбувається і в колоїдних системах із сильно розвинутою міжфазною поверхнею, таких як суспензії та емульсії.

Сюди відноситься поглинання газоподібних чи розчинених речовин (адсорбатів) твердими або рідкими системами (адсорбентами) із навколиш-нього середовища. Цей процес завжди починається на поверхні розділу поглинаючого тіла -адсорбента та оточуючого його середовища. Адсорбція - самочинне концентрування речовини на межі розділу фаз.

Коли поглинання, починаючи із поверхні адсорбента переходить в його об’єм, то процесс називають абсорбцією.

Адсорбція може бути фізичною та хімічною - хемосорбція. У першому випадку між адсорбентом та адсорбатом утворюються тільки фізичні зв’язки. У другому випадку фізичні зв’язки переходять у хімічну взаємодію – до утворен-ня стійкого хімічного зв’язку. Хімічній адсорбції завжди передує фізична.

Якщо розглядати процесс поглинання речовини в самому загальному ви-падку і незалежно від його молекулярної природи, то його називають сорбцією.

Адсорбенти поглинають тим більше речовини із об’ємної фази, чим більше розвинута поверхня. Тому адсорбційну здатність адсорбента прийнято характеризувати його питомою поверхнею, тобто величиною всієї поверхні, що приходиться на 1 г адсорбента. Питома поверхня у різних адсорбентів може змінюватись в дуже широких межах – від декількох одиниць до сотень і навіть тисяч квадратних метрів на грам. Наприклад, питома поверхня оксиду алюмі-нію може мати 2 м², диоксиду титану (рутил) – 8 м², оксиду кремнію (аеросил) - 175 м² і більше.

Адсорбція на межі тверде тіло - розчин в загальному подібна до адсорбції тверде тіло - газ, але в першому випадку явище сильно ускладнюється наявніс-тю третього компоненту - розчинника, молекули якого можуть теж адсорбу-ватись на поверхні адсорбента конкуруючи при цьому із молекулам адсорб-тиву. Адсорбція кожного із наявних компонентів розчину залежить від адсорб-ційної здатності і концентрації другого компонента; чим гірше адсорбується один компонент, тим легше відбувається адсорбція другого. Тому при адсорбції різних речовин із водних розчинів використовуються гідрофобні адсорбенти (активоване вугілля), а із неводних - гідрофільні (мінеральні адсорбенти).

При розгляді адсорбції із розчину на твердому тілі прийнято розрізняти два випадки: адсорбцію неелектролітів, коли адсорбуються молекули адсорб-тиву, і адсорбцію електролітів, коли адсорбується один із іонів електроліту.

Молекулярна адсорбція із розчинів

Адсорбцію неелектролітів на поверхні тверде тіло - розчин розглядають спираючись на дві різні моделі. Перша модель базується на тому, що адсорбція, по суті, обмежена моношаром, що безпосередньо прилягає до поверхні. Ця модель нагадує хемосорбцію газів в якій сили взаємодії між твердим тілом і розчиненою речовиною зменшуються із збільшенням відстані. Однак на відміну від теплоти хемосорбції газів теплота адсорбції із розчину дуже мала і співмірна з теплотою розчинення, ніж з енергією хімічної взаємодії.

Друга модель передбачає, що адсорбція зв’язана із досить товстим (можливо, до 100 Å) полімолекулярним міжфазовим шаром, що знаходиться в повільно спадаючому потенціальному полі поверхні твердого тіла. З цієї точки зору адсорбція із розчинів є перерозподілом речовини між об’ємною і поверхневою фазою.

Справедливість обох моделей підтверджена експериментально, але для простоти аналізу користуються моношаровою моделлю.

Здатність адсорбента поглинати адсорбтив характеризується величиною адсорбції.

Величину адсорбції зазвичай виражають двома способами. В першому її визначають як кількість речовини в поверхневому шарі А, що припадає на одиницю площі поверхні або одиницю маси адсорбента (абсолютна величина адсорбції):

(1)

де с_s – концентрація адсорбату в поверхневому шарі, моль/л, що має об’єм V_s, м ³і товщину h, м; s – площа поверхні, м².

По другому способу величину адсорбції Г визначають як надлишок компонента в поверхневому шарі (на одиницю площі поверхні) порівняно із його кількістю в рівному об’ємі об’ємної фази (надлишкова адсорбція):

(2)

або, що те саме:

(3)

де – с₀ – с_v початкова і рівноважна концентрація адсорбату в об’ємі, відповідно, моль/л; V - об’єм розчину, л, s – площа поверхні, м².

Порівнюючи рівняння (1) та (2), отримаємо зв’язок між величиною адсорбції А і Г:

(4)

При великих надлишках, коли с_s >> с_V, рівноважною концентрацією адсорбата в об’ємі можна знехтувати, величини А і Г приблизно рівні.

Слід звернути увагу на те, що при експериментальному визначенні величину адсорбції зазвичай розраховують по різниці вихідних та рівноважних концентрацій адсорбата, тобто визначають величину Г.

(5)

де с₀ і с – початкова і рівноважна концентрації адсорбтиву, моль/л; V – об’єм розчину із якого відбувається адсорбція, л; m – маса адсорбента, г; 1000 – перевідний множник (для переведення вимірюваної речовини в ммоль/г).

Величина адсорбції залежить від природи поверхні адсорбента, природи адсорбата і його концентрації (тиску), температури та ін.

Поиск по сайту: