Адсорбент

Адсорбент — это твёрдое тело или жидкость, способные поглощать (сорбировать) из окружающей газовой или жидкой среды другие вещества (адсорбаты) на своей поверхности. В отличие от абсорбции, при которой поглощение происходит всем объёмом сорбента, адсорбция представляет собой поверхностный процесс, обусловленный действием межмолекулярных сил (вандерваальсовых взаимодействий) или химических связей. Адсорбенты широко используются в промышленности, медицине, экологии и быту для очистки, разделения смесей, осушки газов и удаления токсичных веществ.

История изучения и применения

Явление адсорбции было известно с древности. Древесный уголь применялся для очистки воды и лечения желудочно-кишечных расстройств ещё в Древнем Египте и Древней Греции. Первые научные описания адсорбции относятся к XVIII веку: в 1773 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле наблюдал поглощение газов древесным углём. В 1785 году русский учёный Товий Егорович Ловиц систематически изучил адсорбционные свойства угля и предложил использовать его для очистки спирта и воды.

Систематическое развитие теории адсорбции началось в конце XIX — начале XX века. В 1909 году немецкий физико-химик Герберт Фрейндлих предложил эмпирическое уравнение для описания изотерм адсорбции. В 1916 году американский химик Ирвинг Ленгмюр разработал теорию мономолекулярной адсорбции, за что в 1932 году получил Нобелевскую премию по химии. В 1938 году Стивен Брунауэр, Пол Эммет и Эдвард Теллер создали теорию полимолекулярной адсорбции (теория БЭТ), ставшую основой для измерения удельной поверхности твёрдых тел.

В XX веке были разработаны синтетические адсорбенты: силикагели, цеолиты, активированные глины, а затем и пористые полимеры. В СССР и России значительный вклад в теорию и практику адсорбции внесли учёные: Михаил Михайлович Дубинин (теория объёмного заполнения микропор), Лев Владимирович Радушкевич, Владимир Васильевич Серпинский.

Классификация адсорбентов

Адсорбенты классифицируют по нескольким признакам: химической природе, структуре пор, происхождению и области применения.

По химической природе

• Углеродные адсорбенты — активированный уголь, углеродные волокна, графен, углеродные нанотрубки. Основу составляет углерод с развитой пористой структурой. Обладают высокой адсорбционной способностью по отношению к органическим веществам и газам.
• Минеральные адсорбенты — силикагели (аморфный диоксид кремния), цеолиты (алюмосиликаты с регулярной кристаллической структурой), глины (каолин, монтмориллонит), трепел, диатомит. Обладают гидрофильными свойствами и способностью к ионному обмену.
• Синтетические полимерные адсорбенты — ионообменные смолы, полимерные сорбенты на основе стирола, дивинилбензола, акрилатов. Позволяют селективно извлекать определённые вещества.
• Органические адсорбенты природного происхождения — торф, лигнин, хитозан, целлюлоза. Используются для очистки сточных вод и в медицине.

По структуре пор

• Микропористые — размер пор менее 2 нм. Характерны для цеолитов, активных углей. Обладают наибольшей удельной поверхностью (до 3000 м²/г).
• Мезопористые — размер пор от 2 до 50 нм. Характерны для силикагелей, некоторых активных углей.
• Макропористые — размер пор более 50 нм. Такие адсорбенты имеют меньшую удельную поверхность, но обеспечивают быстрый транспорт адсорбата.

По происхождению

• Природные — цеолиты, глины, торф, древесный уголь.
• Искусственные (синтетические) — силикагели, активные угли, ионообменные смолы, углеродные волокна.

Физико-химические основы адсорбции

Адсорбция — самопроизвольный процесс, сопровождающийся снижением свободной поверхностной энергии. Количество адсорбированного вещества зависит от:

• природы адсорбента и адсорбата;
• температуры (для физической адсорбции с повышением температуры адсорбция уменьшается);
• давления (для газов) или концентрации (для растворов);
• удельной поверхности адсорбента.

Различают физическую адсорбцию (обусловлена вандерваальсовыми силами, обратима, неспецифична) и химическую адсорбцию (хемосорбцию), при которой образуются химические связи между адсорбентом и адсорбатом (необратима, специфична).

Основные количественные характеристики адсорбента:

• Удельная поверхность — площадь поверхности единицы массы (м²/г). Определяется методом БЭТ.
• Адсорбционная ёмкость — максимальное количество вещества, которое может поглотить единица массы адсорбента при данных условиях.
• Пористость — объём пор в единице массы или объёма адсорбента.

Применение адсорбентов

Промышленность

• Очистка газов и жидкостей: удаление сероводорода, меркаптанов, углекислого газа из природного газа; очистка воды от органических загрязнителей, нефтепродуктов, тяжёлых металлов.
• Разделение смесей: получение кислорода и азота из воздуха на цеолитах (адсорбционное разделение); извлечение ценных компонентов из растворов.
• Осушка газов: удаление паров воды из воздуха, природного газа, технических газов с помощью силикагеля или цеолитов.
• Катализ: многие адсорбенты (цеолиты, активный уголь) используются как носители катализаторов или как самостоятельные катализаторы.

Медицина

• Энтеросорбенты — препараты для приёма внутрь, связывающие и выводящие из желудочно-кишечного тракта токсины, аллергены, продукты обмена. Наиболее известные: активированный уголь, «Смекта» (диосмектит), «Полисорб» (кремния диоксид коллоидный), «Энтеросгель» (полиметилсилоксан полигидрат).
• Гемосорбция — метод экстракорпоральной детоксикации, при котором кровь пропускают через колонку с адсорбентом (активированным углём или ионообменной смолой) для удаления токсинов.
• Лечение ран — адсорбирующие повязки (на основе активированного угля, альгината кальция) для очищения ран от экссудата и микробов.

Экология

• Очистка сточных вод промышленных предприятий от органических загрязнителей, красителей, нефтепродуктов.
• Очистка питьевой воды в бытовых фильтрах (картриджи с активированным углём).
• Защита атмосферы — улавливание летучих органических соединений, паров растворителей, диоксида серы на угольных фильтрах.

Бытовая техника и пищевая промышленность

• Холодильная техника — адсорбционные холодильники, работающие на принципе адсорбции-десорбции хладагента (например, вода-силикагель).
• Упаковка — влагопоглотители (силикагель, цеолит) в упаковках электроники, обуви, продуктов.
• Осветление и стабилизация напитков — активированный уголь и бентонит используются в виноделии, пивоварении, производстве соков.

Основные промышленные адсорбенты

Интересные факты

• В годы Первой мировой войны активированный уголь использовался в противогазах, разработанных Николаем Дмитриевичем Зелинским.
• Один грамм активированного угля может иметь площадь поверхности, равную площади футбольного поля (около 1000 м²).
• Цеолиты природного происхождения (клиноптилолит) используются в сельском хозяйстве как добавка к кормам для животных для связывания токсинов и улучшения пищеварения.
• Адсорбционные процессы лежат в основе работы современных систем регенерации воды на Международной космической станции.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, адсорбенты имеют ряд недостатков:

• Ограниченная ёмкость — после насыщения адсорбент требует регенерации или замены.
• Неселективность — многие адсорбенты поглощают широкий спектр веществ, что может снижать эффективность целевого извлечения.
• Высокая стоимость — синтетические адсорбенты (цеолиты, ионообменные смолы) дороги в производстве.
• Необходимость утилизации — отработанные адсорбенты, содержащие токсичные вещества, требуют специальной переработки или захоронения.

В медицине бесконтрольное применение энтеросорбентов может приводить к выведению из организма полезных веществ (витаминов, минералов), а также к запорам при длительном приёме.

Источники

1. Дубинин М. М. Адсорбция и пористость. — М.: Изд-во АН СССР, 1972.
2. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. — М.: Мир, 1984.
3. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. — М.: Химия, 1984.
4. Брунауэр С. Адсорбция газов и паров. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1948.
5. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. — М.: Химия, 1989.
6. Энциклопедия полимеров. Т. 1. — М.: Советская энциклопедия, 1972.
7. Государственная фармакопея Российской Федерации. XIV издание. — М., 2018.