Значение адсорбционных процессов

Адсорбционные процессы имеют как теоретическое, так и практическое значение, так как широко распространены в природе.

Г етерогенный катализ тесно связан с адсорбцией. Легче всего реагенты адсорбируются на активных центрах твердого катализатора, где имеется избыток свободной поверхностной энергии. В некоторых случаях на этих участках может произойти хемосорбция с образованием поверхностных соединений. Все это приводит к предварительному ослаблению отдельных химических связей реагентов и облегчает дальнейшее их превращение (уменьшает энергию активации реакции).

Для изменения ионного состава природных вод методом ионного обмена используют природные алюмосиликаты (цеолиты) или искусственно получаемые высокомолекулярные соединения – ионообменные смолы или иониты. Это нерастворимые в воде твердые вещества от желтого до черного цвета, изготавливаемые в виде зерен размером 0,2...2,0 мм. Катиониты – это ионообменные смолы, способные к обмену катионами между смолой и раствором. Аниониты же способны к обмену с раствором анионами. Катиониты содержат множество функциональных групп кислотного характера: – SO₃H,

–COOH, –OH (из фенолов) и другие. Аниониты содержат основные группы: – NH₂, =NH, =N–.

Чем больше активных групп содержит ионит, тем выше его ионообменные свойства. В воде иониты набухают за счет проникновения молекул воды в их структуру и диссоциируют на ионы. В результате возникает поликатион или полианион. Известны также амфотерные иониты.

Емкость ионитов или обменная способность выражается в ммоль-экв. катионов или анионов, поглощаемых единицой массы ионита. У большинства ионитов она колеблется в интервале 3...10 ммоль-экв./г ионита.

Предварительно иониты подвергаются обработке соответствующими реагентами: катиониты обрабатываются кислотой, а аниониты – раствором щелочи. При этом катиониты переходят в Н -форму, а аниониты - в ОН -форму.

Если какой-либо раствор (например, раствор CaSO₄) пропускать через раствор катионита, а затем через раствор анионита можно практически обессолить его в результате протекания следующих ионообменных процессов:

2R–SO₃H +Ca²⁺ (R–SO₃)₂Ca + 2H⁺

2R₁–NH₃OH + SO (R₁–NH₃)₂SO₄ + 2OH^– ,

то есть после прохождения через раствор катионита раствор становится кислым из-за появления ионов Н⁺, а после прохождения через слой ионита они нейтрализуются появляющимися в растворе ионами ОН^–. В итоге, взамен соли СаSO₄ в растворе появляются молекулы воды.

Очистка воды ионитами имеет большое значение при питании котлов высокого давления, а также в ряде производств, где требуется исправление ионного состава растворов – в ликеро-водочной про-мышленности, сахарной промышленности, пивоварении, производстве фототоваров и лекарственных препаратов и другие. Существенную роль они играют в винодельческой и молочной промышленности. С их помощью удаляют ионы Fe³⁺, Cu²⁺ и Са²⁺, которые вызывают помутнение вин. При удалении Са²⁺ из коровьего молока его свойства приближаются к свойствам женского молока, пригодного для питания грудных детей.

Действие почвенного поглощающего комплекса (ППК), состоящего в основном из почвенных коллоидов, основано на явлении адсорбции. Высокоразвитая поверхность их обуславливает наличие избытка свободной поверхностной энергии, из-за чего ППК обладает способностью поглощать и удерживать питательные вещества. Затем в результате ионообменной адсорбции эти вещества могут десорбироваться в почвенный раствор и усваиваться растениями. Минеральные и органические почвенные коллоиды адсорбируют из почвенного раствора катионов растворенных электролитов. Поэтому способность почвы поглощать и удерживать питательные вещества измеряется параметром емкости катионного обмена (ЕКО). ЕКО – этоколичство моль-эквивалентов катионов, поглощаемых 1 кг воздушно сухой почвы. Некоторые анионы также удерживаются в составе почвы (НРО₄^2-, SO₄^2-). Однако это происходит по механизму эквивалентной адсорбции. Сначало почвенные коллоиды адсорбируют катионов. Затем поглощенные катионы притягивают из раствора и удерживают тех анионов, с которыми образуют малорастворимые соединения.

Адсорбция играет чрезвычайно важную роль в биологических процессах. Роль адсорбции обусловлена наличием в организме большого количества различных поверхностей раздела – поверхности клеток, стенок сосудов, коллоидных частиц протоплазмы и поверхности раздела между организмом и средой. Действие ферментов также начинается с адсорбции субстрата на ферменте.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ.

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

В коллоидной химии рассматриваются процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные в основном с поверхностными явлениями на границе раздела фаз в этих системах.

Особое значение коллоидной химии определяется тем, что многие природные тела – горные породы, организмы растений и животных, строительные и конструкционные материалы – являются дисперсными системами. Они встречаются во многих технологических процессах и процессах в природе, при которых происходит образование или разрушение дисперсных систем.