Процесс адсорбции. Разделение и очистки веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Адсорбция (от лат. ad - на, при и sorbeo - поглощаю), поглощение к.-л. вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела. Например, если поместить в водный раствор уксусной кислоты кусочек угля, то произойдёт А. - количество кислоты в растворе уменьшится, молекулы кислоты сконцентрируются на поверхности угля. А. и абсорбция - поглощение в объёме тела, объединяются общим термином сорбция. Явление А. стало изучаться со 2-й половины 18 в. (Шееле, 1773), хотя несомненно, что в практической деятельности человечества А. использовалась с незапамятных времён. Учение об А. является частью более общей теории многокомпонентных гетерогенных систем, основы которой заложены У. Гиббсом (1876). Явление А. тесно связано с особыми свойствами вещества в поверхностном слое, например, молекулы, лежащие на поверхности раздела фаз жидкость - пар, втягиваются внутрь жидкости, т. к. испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме жидкости, чем со стороны молекул пара, концентрация которых во много раз меньше концентрации жидкости. Это внутреннее притяжение заставляет поверхность сокращаться и количественно характеризуется поверхностным натяжением. Вещество, на поверхности которого происходит А., называется адсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы - адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом А. принято подразделять на физическую А. и хемосорбцию. Менее прочная физическая А. не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто А. обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует чёткой границы между физикой А. и хемосорбцией.

Эмульсии могут быть образованы двумя любыми несмешивающимися жидкостями; в большинстве случаев одной из фаз эмульсий является вода, а другой - вещество, состоящее из слабо полярных молекул (например, жидкие углеводороды, жиры). Например, молоко -- одна из первых изученных эмульсий: в нём капли молочного жира распределены в водной среде. Эмульсии относятся обычно к грубодисперсным системам, поскольку капельки дисперсной фазы имеют размеры от 1 до 50 мкм. Эмульсии низкой концентрации -- неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии -- структурированные системы. Основные типы эмульсий: Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»). Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»).

Битумная эмульсия начала активно использоваться в сфере дорожного строительства в начале 20 столетия. Использование таких эмульсий ограничивалось отсутствием необходимых знаний о принципах образования, формирования в смеси и технологических возможностях использования и приготовления. В то же время с 20-ых и до 50-ых годов прошлого столетия объёмы использования битумной эмульсии постепенно увеличивались. С середины 20 столетия существенно увеличились транспортные нагрузки, а также возросла скорость движения. Смеси с использованием эмульсий уже не могли обеспечить нужные параметры дорожного покрытия, так что интерес к ним стал неуклонно сокращаться, пусть и не пропал полностью. В это время выросли объёмы использования битумных вяжущих для изготовления асфальтобетонных горячих смесей. Битумные эмульсии в сфере дорожного строительства оказались на втором плане, так что использовались преимущественно для укрепления грунтов или же для строительства дорог второстепенного значения. Аналогичная картина наблюдалась в Соединенных Штатах и западноевропейских странах.

Диффузия. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов диффузия частиц играет в физике плазмы. Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т.п.

При наблюдении в микроскопе взвеси цветочной пыльцы в воде Роберт Броун наблюдал хаотичное движение частиц, возникающее «не от движения жидкости и не от ее испарения». Видимые только под микроскопом взвешенные частицы размером 1 мкм и менее совершали неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды; его интенсивность увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением ее вязкости и размеров частиц. Даже качественно объяснить причины броуновского движения удалось только через 50 лет, когда причину броуновского движения стали связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы.

Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или непрерывной (перколяция). Простейший способ экстракции из раствора -- однократная или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке. Делительная воронка представляет собой сосуд с пробкой и краном для слива нижнего слоя жидкости. Для непрерывной экстракции используются специальные аппараты -- экстракторы, или перколяторы. Одним из перспективных методов разделения и концентрирования является экстракция. Давно известно, что многие вещества распределяются между двумя несмешивающимися жидкостями, причем характер разделения в известной степени зависит от растворимости веществ в индивидуальных фазах. Использование этого явления для разделения и очистки веществ стало одним из основных методов в органической химии. Долгое время в области неорганической химии экстракцией интересовались мало. Поэтому экстракцию принято считать относительно молодым методом. Это в значительной мере оправданно, особенно если принять во внимание, что наиболее мощный толчок развитие экстракции получило только в середине нынешнего столетия в связи с работами в области ядерной технологии. Работы в области экстракции микроэлементов проводились, конечно, и ранее. Элементный бром экстрагировали еще в 1825 году. В 60-е годы прошлого века была предложена экстракция роданидов металлов. Этот метод применяется до сих пор. В 20-е годы Фишер исследовал экстракцию комплексов металлов с дитизоном и выявил зависимость распределения элементов от концентрации реагента, металла и ионов водорода. Начало количественному описанию экстракции (с химических позиций) положили Кольтгоф и Сендел, которые вывели в 1941 году уравнение, характеризующее экстракцию хелатов. Ирвинг и Уильямс развили эту теорию.

Схема противоточной многоступенчатой экстракции: 1 - исходные сточные воды; 2 - экстрактор; 3 - отстойник; 4 - очищенные сточные воды (рафинат); 5 - экстрагент; 6 - конечный экстракт

Дистилляция. Продуктом дистилляции является конденсат или остаток (или и то, и другое) -- в зависимости от дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и соединяющий их обогреваемый паропровод. Первые сведения о дистилляции относятся к I веку и упоминаются в работах греческих алхимиков. В XI веке, у Авиценны, дистилляция упоминается как метод получения эфирных масел. C середины XIX века разрабатывается ректификация.

Суспензия -- это грубодисперсная система с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Обычно частицы дисперсной фазы настолько велики (более 10 мкм), что оседают под действием силы тяжести (седиментируют). Суспензии, в которых седиментация идёт очень медленно из-за малой разницы в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды, иногда называют взвесями. В концентрированных суспензиях легко возникают дисперсные структуры. Типичные суспензии -- пульпы, буровые промывочные жидкости, цементные растворы, эмалевые краски. Широко используются в производстве керамики.

Кристаллизация -- это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов -- центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершённых атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.

На число центров кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.

Степень переохлаждения -- уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. С.п. необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (сплавах и жидкостях) при переходе из жидкого состояния в твердое.

Сольватация состоит в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя. В результате сольватации образуются сольваты-молекулы образования постоянного или переменного состава. Время жизни сольватов определяется характером и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий; даже в случае сильного взаимодействия время жизни отдельного сольвата мало из-за непрерывного обмена частицами в сольватной оболочке. В соответствии с типами межмолекулярного взаимодействия выделяют неспецифическую и специфическую сольватацию. Неспецифическая сольватация обусловлена ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, специфическая сольватация проявляется главным образом вследствие электростатических взаимодействий, координационных и водородных связей. Сольватация приводит к тому, что тип растворителя изменяет скорость химических реакций (до 10⁹ раз), определяет относительную устойчивость таутомеров, конформеров, изомеров, влияет на механизм реакций. Положения кислотно-основных равновесий в значительной степени определяются сольватирующей способностью растворителя. Подробнее о влиянии сольватации на физ.-хим. характеристики растворенных в-в и их реакц. способность см. в ст. Реакции в растворах. На влиянии сольватации на характеристики электронных спектров поглощения и испускания основано явление, наз. сольватохромией. Роль процессов сольватации в образовании растворов обусловила широкий интерес к этой проблеме. В связи с этим разрабатывают различные методы определения степени и энергии сольватации, позволяющие ближе подойти к пониманию природы и механизма сольватации (работы В.А. Плескова и Н.А. Измайлова).

Большое значение для развития теории растворов приобрели исследования структуры воды и растворов электролитов. Для изучения строения растворов электролитов с успехом был использован рентгеноструктурный анализ (П. Дебай, Г. Стюарт и их школы). В результате возникли новые представления о структуре жидкостей, о координационных числах и влиянии ионов на изменение этой структуры, о молекулярных квазикристаллических образованиях в растворах. Было показано, что в растворах существует определенное структурно упорядоченное состояние, т. е. нет вполне свободного и беспрепятственного движения молекул. Для этого упорядоченного состояния молекул Г. Стюарт ввел термин «сиботактическое состояние», которое обусловлено главным образом силовым полем молекул, электростатическим притяжением диполей. Проявление этих сил и приводит к явлениям ассоциации и упорядоченности в растворах. Изучение рассеяния рентгеновских лучей и рамановских спектров в воде привело к необходимости приписать молекулам воды некоторую упорядоченность в их взаимном расположении.

Эвтектика.Эвтектическая композиция представляет собой жидкий раствор, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре для сплавов данной системы. Соответственно, температура плавления сплава эвтектического состава -- также самая низкая, по сравнению со сплавами другого состава для данной системы компонентов. Это явление как раз и отражает этимологию термина.

Бинарная фазовая диаграмма с эвтектическим равновесием (и ограниченной растворимостью компонентов в твёрдых фазах)

В двухкомпонентной (или бинарной) системе эвтектической равновесие можно выразить

,

где -- жидкая фаза (расплав, или раствор, например, "водный раствор"), - твёрдый раствор компонента в кристаллической решётке, образованной компонентом , -- твёрдый раствор компонента в кристаллической решётке, образованной компонентом .

Добавляя или отводя тепло, можно изменить пропорцию между суммарным объемом кристаллических фаз и расплавом в эвтектической точке при около эвтектической температуре. Температура системы при этих процессах будет отличаться от равновесной (в подавляющем большинстве практических случаев очень незначительно -- на десятые или сотые доли градуса Цельсия), так как для фазовых превращений (кристаллизации или плавления) необходим термодинамических стимул -- переохлаждение или перегрев.

Кристаллизация:

.

Энтальпия.Проще говоря, энтальпия -- это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении.

Если термомеханическую систему рассматривать как состоящую из макротела (газа) и поршня площадью S с грузом весом Р = pS, уравновешивающего давление газа р внутри сосуда, то такая система называется расширенной.

Энтальпия или энергия расширенной системы Е равна сумме внутренней энергии газа U и потенциальной энергии поршня с грузом E_пот = pSx = pV

Таким образом, энтальпия в данном состоянии представляет собой сумму внутренней энергии тела и работы, которую необходимо затратить, чтобы тело объёмом V ввести в окружающую среду, имеющую давление р и находящуюся с телом в равновесном состоянии. Энтальпия системы H -- аналогично внутренней энергии и другим термодинамическим потенциалам -- имеет вполне определенное значение для каждого состояния, т. е. является функцией состояния. Следовательно, в процессе изменения состояния

Изменение энтальпии (или Тепловой эффект химической реакции) не зависит от пути процесса, определяясь только начальным и конечным состоянием системы. Если система каким-либо путём возвращается в исходное состояние (круговой процесс), то изменение любого её параметра, являющегося функцией состояния, равно нулю, отсюда , или же

Энтропия. статистической физике энтропия является мерой вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния. В теории информации энтропия -- это мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации.

В термодинамике

Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при замкнутых обратимых процессах, тогда как в необратимых -- её изменение всегда положительно.

Математически энтропия определяется как функция состояния системы, равная в равновесном процессе количеству теплоты, сообщённой системе или отведённой от системы, отнесённому к термодинамической температуре системы:

,

где -- приращение энтропии; -- минимальная теплота, подведённая к системе; -- абсолютная температура процесса.

Энтропия устанавливает связь между макро- и микросостояниями. Особенность данной характеристики заключается в том, что это единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов. Поскольку энтропия является функцией состояния, то она не зависит от того, как осуществлён переход из одного состояния системы в другое, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

Адгезия существенно влияет на природу трения соприкасающихся поверхностей: так, при взаимодействии поверхностей с низкой адгезией трение минимально. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен (тефлон), который в силу низкого значения адгезии в сочетании с большинством материалов обладает низким коэффициентом трения. Некоторые вещества со слоистой кристаллической решёткой (графит, дисульфид молибдена), характеризующиеся одновременно низкими значениями адгезии и когезии, применяются в качестве твёрдых смазок.

Наиболее известные адгезионные эффекты -- капиллярность, смачиваемость/несмачиваемость, поверхностное натяжение, мениск жидкости в узком капилляре, трение покоя двух абсолютно гладких поверхностей. Критерием адгезии в некоторых случаях может быть время отрыва слоя материала определенного размера от другого материала в ламинарном потоке жидкости.

Адгезия имеет место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий. Адгезия матрицы и наполнителя композитов (композиционных материалов) является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.

В биологии клеточная адгезия -- не просто соединение клеток между собой, а такое их соединение, которое приводит к формированию определённых правильных типов гистологических структур, специфичных для данных типов клеток. Специфичность клеточной адгезии определяется наличием на поверхности клеток белков клеточной адгезии -- интегринов, кадгеринов и др.

В антикоррозионной защите адгезия лакокрасочного материала к поверхности наиболее важный параметр влияющий на долговечность покрытия. Адгезия - прилипание лакокрасочного материала к окрашенной поверхности, одна из основных характеристик промышленных ЛКМ. Адгезия лакокрасочных материалов может иметь механическую, химическую или электромагнитную природу и измеряется силой отрыва лакокрасочного покрытия на единицу площади подложки. Хорошая адгезия лакокрасочного материала к окрашиваемой поверхности могут быть обеспечены лишь при тщательной очистке поверхности от грязи, жира, ржавчины и прочих загрязнений. Так же для обеспечения адгезии необходимо достичь заданной толщины покрытия, для чего используются толщиномеры мокрого слоя. Для оценки адгезии/когезии приняты и утверждены критерии.

Сорбция.По характеру поглощения сорбата сорбционные явления делятся на два типа: адсорбцию -- концентрирование сорбата на поверхности раздела фаз или его поглощение поверхностным слоем сорбента и абсорбцию -- объёмное поглощение, при котором сорбат распределяется по всему объёму сорбента.

В свою очередь, различают два типа адсорбции -- физическую адсорбцию, при которой повышение концентрации сорбата на поверхности раздела фаз обусловлено неспецифическими (то есть не зависящие от природы вещества) силами Ван-дер-Ваальса и химическую адсорбцию (хемосорбцию), обусловленную протеканием химических реакций сорбата с веществом поверхности сорбента. Физическая адсорбция слабоспецифична, обратима и её тепловой эффект невелик (единицы кДж/моль). Хемосорбция избирательна, обычно необратима и её теплота составляет от десятков до сотен (хемосорбция кислорода на металлах) кДж/моль. В гидрометаллургии, физико-химический процесс поглощения твёрдыми или жидкими сорбентами (См. Сорбенты) ценных компонентов (простых или комплексных ионов различных элементов) из растворов или пульп при выщелачивании (См. Выщелачивание) руд и концентратов. Широкое применение в качестве сорбентов для С. урана, золота, молибдена и др. металлов получили синтетические Иониты (катиониты, аниониты, амфолиты и комплексообразующие сорбенты). Совмещение процессов выщелачивания и сорбции из пульп (сорбционное выщелачивание) позволяет интенсифицировать переработку рудной массы, ликвидировать наиболее трудоёмкие операции: разделение твёрдой и жидкой фаз (фильтрацию, противоточную деконтацию), осаждение, растворение и др.

адсорбат экстракция эмульсия

Размещено на Allbest.ru