РЕФЕРАТ-Сорбенты. Избирательная сорбция. Сорбенты разной природы и их характеристики

• Название: Избирательная сорбция. Сорбенты разной природы и их характеристики
• Дата: 06.02.2021
• Размер: 38.3 Kb.
• Имя файла: РЕФЕРАТ-Сорбенты.docx
• Тип: Реферат; #174449

РЕФЕРАТ

на тему

«Избирательная сорбция. Сорбенты разной природы и их характеристики»


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ СОРБЦИЯ 5

ГЛАВА 2. СОРБЕНТЫ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 13

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 14

ВВЕДЕНИЕ

Сорбция представляет собой процесс поглощения газов, паров или растворенных веществ поверхностью и объемом твердого тела или жидкости. Вещества-поглотители - сорбенты, вещества, поглощаемые - сорбат или сорбтив. В большинстве случаев это процесс обратимый и наряду с поглощением веществ имеет место явление десорбции - отдачи вещества. Различают 4 основных сорбционных процесса: абсорбцию, адсорбцию, капиллярную конденсацию, хемосорбцию.

В качестве сорбентов в различных сорбционных процессах применяют органические ионообменные и хелатообразующие материалы, разнообразные виды неорганических материалов (гидроксиды металлов, цеолиты, глины, всевозможные гели и золи и т.п.), а также комбинированные материалы, содержащие и ту, и другую основу, или импрегнированные и модифицированные составы.

Например, углеродные сорбенты, которые проявляют сорбционную активность по отношению к различным ионам тяжелых металлов, имеют развитую пористую структуру и значительную удельную поверхность. Обладая высокой термической, механической и химической устойчивостью, эти материалы являются весьма перспективными для решения целого ряда аналитических и технологических задач.

Наиболее важными харакгсристиками сорбентов являются их селективность и сорбционная емкость по отношенню к конкретным ионам металлов, молекулам газов, органических летучих соединений. Зависят эти свойства от природы исходного сырья, применяемою для получения сорбентов, и oт условий их производства. Безусловно, немаловажную роль играют и параметры непосредственного извлечения металлов из тех или иных растворов. Одним из удачных видов сырья для производства сорбентов являются ископаемые каменные угли. Они изначально содержат в своем составе более двухсот химических соединений, которые при переработке углей создают на поверхности сорбентов большое количество функционально-активных центров. Именно они и отвечают за высокую емкость и селективность извлечения ионов металлов. Избирательное поведение углеродных сорбентов по огношенню, например, к цианистым комплексам золота позволило создать широко применяемые промышленные технологии извлечения золота из растворов.

Весьма перспективным является направление получения сорбентов, сочетающих ионообменные, сорбционные и фильтрующие свойства. Особенно актуально это для решения проблемы очистки сточных вод. Из всех перспективных сорбентов, которые могут быть использованы для сорбционной очистки, многократная регенерация без значительной потери сорбционной способности возможна только для углеродных сорбентов.

Преимущества тех или иных сорбентов определяются химической природой полимерной матрицы, наличием большого количества поверхностных функциональных групп, хорошими физико-химическими характеристиками. Актуальными представляются также сравнительно низкая стоимость, возможность утилизации, что определяет экономическую целесообразность использования сорбентов в промышленности.

ГЛАВА 1. ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ СОРБЦИЯ

Избирательная сорбция – это фиксация на твердой поверхности ионов при сохранении подвижности ионов противоположного знака. Поглощаться будет тот ион, который уже имеется в составе кристаллической решетки или изоморфный ему (правило Панета-Фаянса), т.е. поглощаться будут ионы, которые могут пойти на достройку кристаллической решетки. Так при прибавлении к раствору нитрата серебра раствора иодида калия на осадке иодида серебра будут адсорбироваться ионы серебра или йода, но не калия или нитрат-ионы. Изоморфные ионы (имеющие примерно одинаковый ионный радиус или электронное строение) также сорбируются. По отношению к иону йода изоморфными ионами будут бромид-, хлорид-, цианид-, роданид-ионы, но не нитрат-ионы. Ионный обмен играет большую роль в процессах жизнедеятельности. Поскольку мембраны являются малопроницаемыми для заряженных частиц, то транспорт ионов через мембраны осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков или ионных каналов.

Сильные электролиты в отличие от недиссоциирующих и слабо диссоциирующих соединений адсорбируются в виде ионов. Адсорбция ионов в большинстве случаев происходит под действием химических сил, а не ван-дер-ваальсовых, поэтому является более сложным процессом, чем молекулярная адсорбция. Ионная адсорбция может протекать по механизму избирательной адсорбция ионов на кристаллах, связанной с образованием заряженной поверхности и формированием вокруг нее двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Путь образования ДЭС зависит от начального соотношения химических потенциалов ионов в твердой и жидкой фазах. Если значение химического потенциала иона на поверхности адсорбента меньше, чем в растворе (когда ион крепко связан с поверхностью), то для части ионов выгоднее перейти из раствора на поверхность кристалла, достроить его, чем оставаться в растворе. Для этого надо сбросить гидратную оболочку, т. е., происходит дегидратация ионов в растворе и адсорбция их на поверхности кристалла. Поскольку ионы являются заряженными частицами, их перенос сопровождается возникновением электрического потенциала на твердой поверхности. Равновесие наступает при определенной величине этого потенциала, препятствующего дальнейшему отложению ионов на поверхности раздела фаз. Система достигает равновесия при равенстве электрохимических потенциалов. При этом процессе фазы заряжаются разноименно, что и приводит к образованию ДЭС. Двойной слой состоит из потенциалопределяющих ионов, связанных с решеткой кристалла химическими силами остаточных валентностей, и из противоионов, расположенных в жидкой фазе вблизи твердой поверхности и удерживаемых силами электростатического притяжения, а также отчасти при малых расстояниях от поверхности – молекулярными силами Вандер-Ваальса. Поскольку потенциалоопределяющие ионы достраивают кристаллическую решетку, то по природе они должны быть теми же, что и ионы кристалла, либо их «близкими родственниками», образующими с ионами кристалла изоморфные системы. Поэтому адсорбция потенциалоопределяющих ионов избирательная. Противоионами могут быть любые по природе ионы, но обязательно другого знака заряда, чем потенциалоопределяющие.

Избирательная адсорбция представляет собой хемосорбцию, поскольку она происходит под действием валентных сил и скорость ее с повышением температуры в большинстве случаев возрастает (активированная адсорбция).

ГЛАВА 2. СОРБЕНТЫ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

По геометрической структуре адсорбенты делят на 4 типа.

1. Непористые адсорбенты – графитированная сажа, аэросил (мелкодисперсный диоксид кремния), кристаллы солей. Такие адсорбенты либо 17 наносят на твердые носители, либо из них формируют гранулы. Удельная поверхность адсорбентов этого типа колеблется от сотых долей до сотен м²/г.

2. Однородно-макропористые адсорбенты, которые получают обработкой силикагеля водяным паром при 700-800°С (гидротермальная обработка). При этом удельная поверхность составляет до 25-50 м² /г, и получаются широкие поры порядка сотен нм.

3. Однородно-тонкопористые адсорбенты – молекулярные сита (цеолиты), высокопористый углерод с поверхностью порядка тысячи м²/г.

4. Неоднородно-пористые адсорбенты, в частности, силикагель, активный уголь, содержащие как широкие, так и узкие поры. Обычно они используются в хроматографии после соответствующего модифицирования.

В зависимости от свойст поверхности сорбенты делятся на 3 типа:

1) неспецифические, на поверхности которых нет каких-либо функциональных групп и ионов (угли, графитированная сажа, неполярные пористые полимеры);

2) имеющие на поверхности положительные заряды (на гидроксилированной поверхности силикагеля, на катионах молекулярных сит, на катионах солей);

3) имеющие на поверхности связи или группы атомов с сосредоточенной электронной плотностью (это некоторые полярные пористые полимеры, привитые сорбенты и т.д.).

Согласно номенклатуре ИЮПАК все пористые материалы делятся на 3 класса: микропористые (характерный размер пор R<2 нм), мезопористые (2
Активированные угли получают при действии паров воды или углекислого газа на углеродсодержащие материалы при 850–950С. При этом часть угля выгорает и получается материал, пронизанный тонкими порами.

Активированные угли обладают высоким адсорбционным потенциалом по отношению к органическим соединениям. Они имеют поверхность 800-1700 м²/г, поэтому силы взаимодействия их с молекулами разделяемых соединений очень велики, что ограничивает область применения этих адсорбентов анализом низкомолекулярных соединений. Из выпускаемых сортов активных углей для анализа газов могут быть использованы БАУ, БАУ-А, СКТ, АГ-3, АГС-4, кокосовый активный уголь, ФАС, ФАД и др.

Перспективным сырьём для получения высокопрочных тонкопористых углеродных адсорбентов являются термореактивные полимеры, в частности, фенолформальдегидные смолы и продукты их переработки (текстолит), полимеры фурфурола. Активные угли на основе реактопластов марки ФАС отличаются высокими прочностными характеристиками и развитым объемом микропор. К недостаткам активных углей можно отнести неполноту процесса десорбции органическими растворителями и возможность взаимодействия адсорбента с аналитами.

Графитированные термические сажи (ГТС) являются гидрофобными и термостойкими адсорбентами, способными к неспецифическому взаимодействию с различными органическими соединениями. Эти свойства, а также довольно высокая химическая инертность поверхности позволяют использовать ГТС в качестве наполнителя сорбционных трубок для концентрирования. Основные трудности работы с ГТС связаны с низкой механической прочностью гранул и относительно низкой площадью поверхности (6–30 м²/г).

Углеродные сита – однородные тонкопористые углеродные адсорбенты с высокой удельной поверхностью от 400 до 1200 м²/г. Их получают термолизом органических полимеров или из углей при температуре около 400С. Углеродные сита состоят из очень маленьких сшитых кристаллитов с молекулярно-ситовыми свойствами, определяемыми характером их пористой структуры. Эффективность процесса разделения на углеродных молекулярных ситах определяют два основных фактора: предпочтительная адсорбция одного из компонентов газовой или жидкой смеси и соотношение скоростей адсорбции разделяемых компонентов, которое зависит от размеров молекул и входов в сорбирующие поры, а также от объема этих пор. Углеродные молекулярные сита применяют для разделения газов, газообразных углеводородов и летучих соединений.

Фуллерены. Сорбенты, созданные на основе фуллерена С60 и С70, применяют для разделения соединений, близких по своей природе (полиароматических и алифатических углеводородов, металлорганических соединений). Фуллерены обладают высокой термической стабильностью, что позволяет проводить термодесорбцию извлеченных компонентов и использовать их в качестве сорбентов для твердофазной микроэкстракции. Основным недостатком фуллеренов является их высокая цена.

Углеродные нанотрубки обладают большой адсорбционной способностью за счет высоких энергий связывания аналита с поверхностью сорбента. Адсорбция на поверхности может происходить также за счет образования нековалентных связей таких, как ионные, электростатические π-π-взаимодействия, водородные связи, Ван-дерВальсовые силы и другие. Модификация поверхности нанотрубок часто требуется для повышения селективности извлечения аналитов. При этом при окислении их поверхности прививают гидроксильные, карбоксильные, карбонильные группы. Углеродные нанотрубки также можно наносить на поверхность стали, силикатов. Недостатком является их способность к агрегации, что приводит к уменьшению поверхности и росту давления внутри колонки.

Силикагель обычно используют при пробоотборе в дополнение к активному углю. Удельная поверхность адсорбента находится в диапазоне от 100 до 800 м²/г. Однако, полярная поверхность силикагелей, содержащая гидроксильные группы, очень сильно сорбирует пары воды. Это может привести к дезактивации адсорбента, преждевременному проскоку определяемых соединений и к их потере. Для извлечения сконцентрированных соединений из концентрационных трубок с этими сорбентами преимущественно применяют экстракцию, так как при термодесорбции возможно разложение примесей на поверхности и гидролиз.

Активный оксид алюминия – адсорбент с довольно большими порами (до 10 нм). Как и силикагели, оксид алюминия является полярным адсорбентом и проявляет склонность к образованию водородных связей (из-за наличия поверхностных гидроксильных групп) и взаимодействию с ненасыщенными соединениями. Оксидом алюминия заполняют концентраторы для улавливания полярных соединений (определение этаноламинов в выдыхаемом воздухе), бензола или газообразных углеводородов.

Синтетические цеолиты (молекулярные сита) представляют собой кристаллы, состоящие из атомов кремния, алюминия, кислорода и одно- или двухвалентного металла, природа которого определяет радиус пор, сорбционные свойства цеолита. Молекулярные сита, будучи микропористыми полярными адсорбентами, в основном не пригодны для концентрирования полярных органических соединений, так как последние необратимо сорбируются цеолитами. Существенным недостатком молекулярных сит является сорбция паров воды и плохая воспроизводимость свойств сорбента в различных партиях.

Пористые полимерные сорбенты. Пористые полимерные сорбенты используют для концентрирования летучих органических соединений из воздуха, когда уголь или силикагель не приемлемы из-за плохого извлечения на стадии десорбции или недостаточной стабильности при хранении пробы. Полимерные сорбенты обладают однородной пористостью, регулируемыми сорбционными характеристиками, но не достаточной термической устойчивостью (до 200-250С). Они достаточно инертны, гидрофобны и обычно обладают большой площадью поверхности. Большим преимуществом пористых полимерных сорбентов является относительно низкая адсорбция водяных паров.

Непористые соли. Для разделения разных классов соединений в газовой фазе используют некоторые неорганические соли: хлориды и фториды щелочных и щелочно-земельных металлов, аммония, сульфаты натрия, бария, меди, никеля, сульфиды вольфрама, молибдена и ртути, фосфаты щелочных металлов, циркония, дигидрофосфат калия, карбонат натрия, соли серебра, хромат аммония, соли переходных металлов, эвтектические смеси солей. Эти соли являются непористыми и их удельная поверхность определяется дисперсностью самой соли или удельной поверхностью носителя, на который они нанесены. Соли применяют как в чистом виде, так и в виде слоев на отдельных носителях: оксиде алюминия, силикагеле и диатомитовых носителях.

Важнейшим компонентом двухкомпонентных композитных сорбентов «соль в пористой матрице» является внесенная в поры соль, свойства которой в значительной степени определяют свойства композита. Пористая матрица представляет собой неорганический адсорбент (силикагель, оксид алюминия, активный уголь, цеолиты и др.), в мезопоры которого помещена соль переходного или щелочно-земельного металла. Для целенаправленного конструирования сорбционных свойств подобных сорбентов важны также условия приготовления композита – pH и концентрация пропиточного раствора соли, а также температура сушки композита. Область их применения – процессы в адсорбционных холодильных машинах и тепловых насосах.

Поверхностно-слойные сорбенты. В поверхностно-слойных сорбентах (ПСС) мелкодисперсный сорбционно-активный материал нанесён на поверхность инертного носителя, что открывает большие возможности в анализе различных сред. В ПСС сорбционные процессы протекают не по всему объему зерна, а только в поверхностном слое небольшой глубины, равной толщине слоя активного сорбента. Сопротивление массопередаче для такого типа сорбента по сравнению с обычными (объемными) сорбентами уменьшается, так как уменьшаются пути диффузии вглубь зерна и, следовательно, уменьшается время диффузии, которое будет определяться не диаметром зерна сорбента, а толщиной активного слоя.

Различают ПСС двух типов: сорбенты с пористым слоем на непористом (I тип) или на пористом (II тип) носителе.

Для получения сорбентов первого типа, «поверхностно-пористых сорбентов», разнообразные адсорбционные материалы осаждаются из растворов на поверхность непористых стеклянных или металлических шариков, металлических спиралек и др. В качестве активных сорбентов используются порошки оксида алюминия, аэросила, сажи или сочетание оксидов металлов с неподвижной жидкой фазой. Порошкообразные частицы прилипают к поверхности шариков под действием сил адгезии, которые зависят от типа твердого материала, от обработки порошка и поверхности носителя, от формы и размера частиц порошка и даже от окружающих условий во время приготовления. Чтобы проявлялись силы адгезии, величина частиц, применяемых для получения пористого слоя, должна быть меньше 1 мкм.

Для приготовления ПСС второго типа используют мелкодисперсные сорбенты с величиной частиц до 10 мкм и твердые крупнопористые носители с небольшой удельной поверхностью: хромосорбы W и G, фторопласт, целит-545.

В качестве адсорбентов могут быть использованы молекулярные сита, сажа (графитированная и ацетиленовая), активные угли, оксид алюминия и другие высокодисперсные порошки. Количество адсорбента, нанесенного на твердый носитель, может быть определено по привесу твердого носителя или из значений величин удельных поверхностей (в предположении аддитивности) полученных сорбентов и составляющих их компонентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сорбенты, избирательно поглощающие (сорбирующие) вещества из окружающей среды, широко используются в самых различных отраслях промышленности и медицины. К полимерным относятся такие сорбенты, в которых сорбционные центры привиты к полимерной основе (полимерной матрице), при этом полимерная матрица может изменять занимаемый объем в зависимости от внешних условий. Изменение объема матрицы отражается не только на расстоянии между сегментами полимерной цепи, но и может повлечь за собой изменение некоторых сорбционных свойств полимера. Матрица полимерного сорбента состоит из полимерных цепей, сшитых между собой поперечными связями.

В настоящей работе рассмотрены особенности избирательной адсорбции. Проанализированы структура и свойства различных видов сорбентов. Показана их эффективность и широкое применение в различных процессах концентрирования и разделения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Макаревич, Н.А. Теоретические основы адсорбции: учебное пособие / Н.А. Макаревич, Н.И. Богданович; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. – Архангельск: САФУ, 2015. – 362 с.
   
2. 
   Маклаков, А.В. Пористые среды: учеб.пособие / А.В. Маклаков. – Казань: КГУ, 2005. – 51 с.
   
3. 
   Киселев, А.В. Молекулярные основы адсорбционной хроматографии / А.В. Киселев. М.: Химия, 1986. 272 с.
   
4. 
   Мухин, В.М. Новые технологии получения активных углей из реактопластов / В.М. Мухин, И.Д. Зубова, В.В. Гурьянов, А.А. Курилкин, В.С. Гостев // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. Вып. 2. С. 191-195.
   
5. 
   Щербакова, К.Д. Углеродные адсорбенты в хроматографии / К.Д. Щербакова, Я.И. Яшин // 100 лет хроматографии. М.: Наука. 2003. С. 670-697.
   
6. 
   Карцова, Л. А. Свойства углеродистых материалов, комплексы на их основе и использование в хроматографии / Л. А. Карцова, А. А. Макаров // Журн. прикл. химии. 2002. Т. 75. № 11. С. 1761-1767.
   
7. 
   Родинков, О.В. Композиционные поверхностно-слойные сорбенты для экспрессного концентрирования органических соединений из водных растворов / О.В. Родинков, Д.С. Карпов, Л.Н.Москвин // Журн. аналит. химии. 2007. Т.62. № 12. С. 1-7.
   
8. 
   Аристов, Ю.И. Композитные сорбенты «соль в пористой матрице»: синтез, свойства, применение / Ю.И. Аристов, Л.Г. Гордеева, М.М. Токаре. Новосибирск, изд-во сибир. отдел. РАН, 2008. 362 с.
   
9. 
   Золотов, Ю.А. Сорбционное концентрирование микрокомпонентов из растворов / Ю.А. Золотов, Г.И. Цизин, С.Г. Дмитриенко, Е.И. Моросанова. М.: Наука, 2007. С. 320.