Десорбция — процесс отделения адсорбированных частиц¶

Десорбция — это физико-химический процесс, обратный адсорбции, при котором молекулы или ионы, удерживаемые на поверхности твёрдого тела (адсорбента), отделяются от неё и переходят в окружающую среду — газ или жидкость. Десорбция является важной стадией в работе адсорбционных систем, при регенерации адсорбентов, в хроматографии, геохимии, а также в процессах выделения веществ из природных матриц.

¶Терминология и место в физической химии

Термин «десорбция» образован от латинского приставки de- (обозначающей удаление, разрыв связи) и sorptio (поглощение). В русскоязычной научной традиции различают десорбцию как частный случай десорбции в широком смысле — наряду с десорбцией (десорбция) и дисорбцией. Строго говоря, адсорбция — поглощение на поверхности, абсорбция — поглощение в объёме, а десорбция — процесс, обратный и тому, и другому. В узком смысле десорбцией чаще называют именно разрушение адсорбционного слоя на поверхности.

С точки зрения термодинамики десорбция возможна, когда изменение свободной энергии системы при переходе частицы с поверхности в объём отрицательно. Адсорбция обычно экзотермична, поэтому десорбция, как обратный процесс, требует затрат энергии — она протекает при нагреве, снижении давления, изменении состава среды или при вытеснении адсорбата более сильным адсорбентом.

¶Механизм и факторы

Десорбция может идти по нескольким механизмам:

• Термическая десорбция — при нагреве адсорбата кинетическая энергия молекул возрастает настолько, что преодолевает потенциальный барьер удержания на поверхности. Метод температурной программыруемой десорбции (TPD) широко применяется в катализе для изучения прочности связи адсорбата с поверхностью.
• Десорбция под действием давления — при снижении парциального давления адсорбата в газовой фазе (вакуумная десорбция). Процесс описывается обратной изотермой адсорбции.
• Экстракционная десорбция — вытеснение адсорбата растворителем, сродство которого к поверхности выше, чем у адсорбата.
• Ионный обмен — десорбция ионов с ионообменных смол под действием раствора с высокой концентрацией конкурирующих ионов.
• Десорбция при химической реакции — если адсорбат вступает в реакцию с компонентом среды, его концентрация на поверхности падает, и процесс смещается по принципу Ле-Шателье.

Ключевые факторы, влияющие на скорость и полноту десорбции: температура, давление, природа адсорбента и адсорбата, прочность химической или физической связи на поверхности, а также гранулометрия и пористость адсорбента.

¶Кинетика и изотермы

Десорбция описывается теми же классами изотерм, что и адсорбция, но с обратным направлением. Для обратимых процессов при равновесии десорбция подчиняется тем же уравнениям — Ленгмюра, БЕТ, Фрейндлиха, Дубинина — Радушкевича — только концентрация адсорбата в фазе уменьшается. Кинетика десорбции часто определяется диффузией адсорбата в порах адсорбента (внутрипоро-стовая диффузия) или скоростью отрыва молекулы от поверхности (десорбция с поверхности). Практически скорость процесса обычно лимитируется более медленной из этих стадий.

¶Применение

¶Регенерация адсорбентов

Основное техническое применение десорбции — восстановление (регенерация) адсорбентов после их насыщения. Активированный уголь, цеолиты, силикагель и другие адсорбенты многократно используются в цикле «адсорбция — десорбция». Промышленные методы регенерации включают термическую (прокалку), вакуумную и химическую десорбцию.

¶Хроматография

В хроматографии десорбция — ключевой этап раз分离. Вещества, по-разному удерживаемые на неподвижной фазе, последовательно десорбируются под действием подвижной фазы и выходят из колонки в виде отдельных зон (пиков). Скорость десорбции каждого компонента определяет его время выхода и, следовательно, возможность разделения.

¶Газовая хроматография и вакуумная техника

Десорбция лежит в основе работы сорбционных насосов и криосорбционных насосов, используемых для получения высокого и ультравысокого вакуума. Нагрев адсорбента в вакууме позволяет удалить газы и получить чистую вакуумную среду.

¶Геохимия и экология

В природных системах десорбция определяет миграцию тяжёлых металлов, пестицидов и других загрязнителей в почвах и подземных водах. Изменение pH, ионного состава или окислительно-восстановительного потенциала среды может вызвать десорбцию ранее связанных веществ, что приводит к их переносу и вторичному загрязнению.

¶Фармакология и медицина

Десорбция играет роль при дезинтоксикации — активированный уголь, принятый внутрь, адсорбирует токсины в кишечнике, а десорбция с поверхности происходит в процессе эвакуации сорбента. В фармацевтике десорбция используется при контролируемом высвобождении лекарственных веществ из адсорбированных форм.

¶Методы исследования

Для изучения десорбции применяют методы температурной программыруемой десорбции (TPD), масс-спектрометрию, калориметрию, а также измерение кинетических кривых десорбции при различных температурах и давлениях. Результаты позволяют определить энергию активации десорбции и характер связи адсорбата с поверхностью.

Источники:

• Задорожний В. К. «Адсорбция» // Большая химическая энциклопедия.
• Толмачёв А. М., Клюев Н. А. «Адсорбционные процессы в промышленности».
• Adamson A. W., Gast A. P. «Physical Chemistry of Surfaces».
• Ruthven D. M. «Principles of Adsorption and Adsorption Processes».
• Gregg S. J., Sing K. S. W. «Adsorption, Surface Area and Porosity».