Як адсорбенти застосовуються пористі тверді речовини з біль-шою питомою поверхнею, зазвичай відносять до одиниці маси речовини. Адсорбенти мають різні по діаметру капілярні канали- пори, які умовно можна розділити на макропори (більше 2 × 10 -4 мм), перехідні пори (6 × 10 -6 -2 × 10 -4 мм), мікропори (2 × 10 - 6 -6 × 10 -6 мм). Характер процесу адсорбції визначається розміром пір.
Питома поверхня макропор щодо дуже мала, тому на їх стінках адсорбується нікчемне .Кількість речовини. Макропори грають роль лише транспортних каналів для адсорбованих молекул.
На поверхні перехідних пір, розміри яких зазвичай значно перевищують розміри адсорбованих молекул, в процесі адсорбції утворюються шари поглиненої речовини. Можливе утворення шарів тол-щіной в одну молекулу (мономолекулярна адсорбція) і в не-скільки молекул (полімолекулярнимі адсорбція).
Розміри мікропор наближаються до розмірів адсорбованих молекул і адсорбція в мікропорах призводить до заповнення їх обсягу. Внаслідок цього припущення про утворення шарів поглиненої речовини на поверхні мікропор не має фізичного сенсу. Зазвичай мікропори перетинаються макро- і перехідними порами, що скорочує шлях, прохо-видимий адсорбованими молекулами, і призводить до прискорення адсорбції.
У великих порах діаметром більше 2 · 10 -4 мм і малих порах, порівняй-мих з діаметром молекул поглинається речовини, явище капілярної конденсації відсутня.
Адсорбенти характеризуються своєю поглотительной. або адсорбційної. здатністю, яка визначається концентрацією адсорбтива в одиниці маси або обсягу адсорбенту.
Поглинальна здатність адсорбенту по відношенню до даного віщо-ству залежить від температури і тиску, при яких проводиться адсорб-ція, і від концентрації поглинається речовини. Максимально можлива при даних умовах поглинальна здатність адсорбенту умовно на-ни опиняються його рівноважної активністю.
У промисловості в якості поглиначів застосовують головним обра-зом активні вугілля і мінеральні адсорбенти (силікагель, цеоліти і ін.) А також синтетичні іонообмінні смоли (іоніти).
Активні вугілля. Високопористі активні вугілля отримують шляхом сухої перегонки різних вуглецевмісних речовин (дерева, кісток та ін.) І активування отриманих вугілля для підвищення їх пористості. Активація здійснюють прокаливанием вугілля при температурах ≤ 900 ° С, а також іншими способами, наприклад видаленням з пір вугілля смол і деяких інших продуктів сухої перегонки шляхом їх екстрагують-вання органічними розчинниками, окислюванням киснем повітря і ін. Для підвищення активності вугілля в них часто перед обугливанием вводять активують добавки (розчини хлористого цинку, кислот, ще-дрібниць і ін.).
Питома поверхня активованого вугілля коливається від 600 до 1700 м 2 / г. Розмір гранул деяких стандартних марок активних вугілля для адсорб-ції газів і парів становить 1-5 мм (вугілля БАУ) і 1.5-2.7 мм (вугілля СКТ). Насипна щільність вугілля цих марок дорівнює 260 і 420 г / л відповідно. Застосування вугілля того чи іншого виду залежить від різновиду процесу адсорбції, в якому вони використовуються (поглинання газів, рекуперація летких розчинників і т.д.).
Активні вугілля краще поглинають пари органічних речовин, ніж води, проте з підвищенням вмісту вологи в активному вугіллі їх спо-можності поглинати пари органічних речовин знижується. Вони примі-ються зазвичай для рекуперації летких розчинників. Недоліком активного вугілля є їх горючість.
Силикагели. Ці адсорбенти є продуктами обезв-вання гелю кремнієвої кислоти, одержувані шляхом обробки розчину силікату натрію (розчинного скла) мінеральними кислотами або киць-лимі розчинами їх солей. Питома поверхня силикагелей змінюється від 400 до 770 м 2 / г. Розмір гранул коливається від 0,2 до 7 мм. насипна пліт-ність складає 400-800 г / л.
Силикагели застосовуються головним чином для осушування газів. Поглинутої-тітельная здатність силикагелей по відношенню до парам органічних речовин сильно знижується в присутності вологи. Перевагою силикагелей є їх негорючість і велика механічна міцність, ніж у актив-них вугілля.
Цеоліт. Ці адсорбенти є природні або синте-тичні мінерали, які є водними алюмосиликатами Катіо-нів елементів першої та другої груп періодичної системи Д.І. Менде-лей. В якості промислових адсорбентів застосовуються головним обра-зом штучні (синтетичні) цеоліти. Відносно недавно були отримані цеоліти, які мають дуже однорідною структурою пір, раз-заходи яких порівнянні з розмірами адсорбованих молекул. Ці Цео-літи виявляють молекулярно-ситові дію, кото-рої полягає в їх здібності не поглинати молекули, діаметр яких більший за діаметр пір. Молекулярно-ситові властивостями володіють також деякі природні цеоліти, наприклад натролит. Молекулярно-ситові дію цеолітів часто використовують у промисловій практиці для поділу-лення деяких речовин, наприклад нормальних і ізопарафінових вугле-відрядив.
Цеоліт відрізняються високою поглинальною здатністю по відно-шенням до води і є високоефективними адсорбентами для осушення і очищення газів і рідин, зокрема для глибокого осушення газів, що містять невеликі кількості вологи. Розмір гранул цеолітів склад-ляет від 2 до 5 мм.
Іоніти. Ці адсорбенти є як природні, так і синтетичні неорганічні і органічні речовини. До природних іонітів відносяться цеоліти, глинисті мінерали, копалини вугілля і ін. Синтетичними іонітами є плавлені цеоліти і молекулярні сита (цеоліти з правильною кристалічною структурою), іонообмінні смоли, активовані мінерали і органічні речовини і ін.
Іоніти практично нерозчинні в воді, а також в звичайних розчинів-телеглядачам і володіють рухливими іонами, здатними обмінюватися на еквівалентну кількість іонів (з зарядом того ж знаку) з розчину електроліту, з яким поглинач контактує.
Іоніти, що містять кислі активні групи і обмінюються з розчином електроліту рухомими аніонами, називаються аніонітами, а іоніти, що містять основні активні групи і обмінюються рухомими катіонами, - катионитами. Існують також амфотерні іоніти, здатні до катіонного і аніоном обміну одночасно.
Типові реакції іонного обміну:
1. Реакція анионного обміну
де R - молекула ионита, пов'язана з рухомим іоном.
2. Реакція катіонного обміну
причому в обох рівняннях виділені формули речовин, що складають тверду фазу.
Механізм іонного обміну обумовлений структурою і властивостями іоніту. Так, наприклад, іоніти з кристалічною решіткою містять в її кутах іони, утримувані електростатичними силами; під дією цих сил і відбувається в основному іонний обмін. Властивості багатьох іонітів пов'язані з їх здатністю до набухання у водних розчинах; набухання зазвичай супроводжується досить значним підвищенням тиску.
Іонообмінні смоли володіють великою обмінної ємністю, виборчі-тю до окремих іонів, хімічну стійкість і механічну міцність. Тому зараз вони є найбільш поширеними іонітами, практично витіснили в промислових умовах іоніти інших типів.
Зміною складу активних груп при синтезі іонообмінних смол можна отримати іоніти з дуже різними властивостями.
Витяг адсорбованого речовини з твердого поглинача (де-сорбція) є необхідною складовою частиною всіх технологічних процесів адсорбції, що проводяться в замкнутому циклі. Вартість десорб-ції має великий вплив на загальну економічність проведення про- процесів розділення і очищення речовин адсорбційними методами.
До числа основних методів десорбції (регенерації адсорбенту) відно-сятся:
- витіснення з адсорбенту поглинених компонентів посеред-ством агентів, що володіють більш високою адсорбційною здатністю, ніж поглинені компоненти;
- випаровування поглинених компонентів, що володіють відносно високу леткість, шляхом нагрівання шару адсорбенту.
У деяких випадках для видалення з адсорбенту смолообразних та інших продуктів, що утворюються в результаті побічних процесів, остаточне очищення адсорбенту здійснюють випалюванням цих когось тами (окислювальна регенерація адсорбенту).
Вибір того чи іншого способу десорбції проводиться на основі тих-нико-економічних міркувань, причому часто зазначені вище способи застосовуються в комбінації один з одним.
На практиці процеси десорбції зазвичай здійснюють шляхом пропускної-Сканія пари або газу, що не містить адсорбтива, через шар адсорбенту після завершення прямого процесу (адсорбції). Для підвищення швидкості витягання десорбції проводять найбільш ча-сто при підвищених температурах, наприклад, пропускаючи через шар адсорбенту попередньо-тельно нагріте десорбується агент.
Як десорбуються агентів використовують гострий насичений або перегрітий водяний пар, пари органічних речовин, а також інертний-ні гази. Після проведення процесу десорбції шар адсорбенту зазвичай піддають сушці і охолодженню.
Десорбцію гострим водяною парою найбільш часто застосовують в про-процесах рекуперації летких розчинників та активному вугіллі. При цьому основна маса поглиненого речовини виділяється з поглинача в на-чале десорбції. У міру наближення до кінця процесу швидкість його зна-ве знижується, а витрата водяної пари на одиницю десорбіруемого продукту сильно зростає. Тому з техніко-економічних міркуючи-ний адсорбируемого речовина витягають з поглинача в повному обсязі, залишаючи деяку кількість його в адсорбенті.
Частина водяної пари, яка називається гріючою парою, витрачається при десорбції на нагрівання всієї системи, десорбції поглинених речовин з вугілля та компенсацію теплових втрат у навколишнє середовище. Гріючийпар повністю конденсується в адсорбере. Деяка частина пара витрачається на компенсацію негативного теплоти змочування вугілля водою і також повністю конденсується в адсорбере.
Десорбувати з вугілля речовини видуваються з вугільного шару ді-наміческіх паром, який, не конденсуючись, виходить з адсор-бера в суміші з парами десорбувати речовин.
Витрати пари, що гріє і пара, що йде на компенсацію теплоти сма-чування, знаходяться розрахунком. Витрата динамічного пара залежить від усло-вий проведення процесу і з достатньою надійністю визначається лише дослідним шляхом. При орієнтовних розрахунках витрата динамічного пара можна приймати в середньому 3-4 кг на 1 кг десорбіруемого речовини.
Регенерацію цеолітів найбільш часто проводять шляхом продування крізь шар адсорбенту нагрітого сухого газу, причому видалення поглинений-них речовин з цеолітів зазвичай більш важко, ніж з активованого вугілля.
Процеси десорбції, подібно процесам власне адсорбції, здійс-ствляют не тільки в нерухомому, але також в рухомому і киплячому шарах адсорбенту.