Общая характеристика методов

(Вопрос 21). Сорбция представляет собой сложный гетерогенный процесс, включающий перенос вещества к поверхности сорбента из газа или жидкости, его диффузию в поверхностном слое, порах и непосредственно в фазе сорбента, а также различные виды взаимодействий сорбат-сорбент. (Вопрос 22). Вещество поглощается и удерживается в фазе сорбента за счет нековалентных взаимодействий разных типов (диполь-дипольных, ион-дипольных, ион-ионных, гидрофобных, с образованием водородных связей), ионного обмена или реакций комплексообразования. Различают адсорбцию (поглощение вещества поверхностью твердого сорбента), абсорбцию (поглощение вещества всем объемом сорбента), хемосорбцию (поглощение с образованием химических соединений) и капиллярную конденсацию (образование жидкой фазы в порах и капиллярах твердого сорбента при поглощении паров).

При адсорбции вещество концентрируется на поверхности раздела фаз под действием молекулярных сил поверхности адсорбента. (Вопрос 21). Система включает адсорбент – вещество с развитой удельной поверхностью и адсорбат – вещество, молекулы которого поглощаются. Для описания адсорбционных процессов находят применение эмпирические уравнения Генри, Лэнгмюра, Фрейндлиха и другие, связывающие (Вопрос 23). количество адсорбированного вещества (а) и равновесную концентрацию вещества в растворе или газообразной фазе (с). Графическая зависимость c_s= f (c) называется изотермой сорбции. Каждая сорбционная система адсорбент– микрокомпонент – раствор характеризуется своей изотермой, являющейся основной характеристикой адсорбционной способности поглотителя. Исходя из формы начального участка этих зависимостей были выделены четыре характерных класса изотерм (рис. 8).

Рис. 8. Классификация форм изотерм сорбции.

Начальный участок изотерм S класса выгнут относительно оси концентраций, после чего следует точка перегиба, что и придает изотерме характерную S-образную форму. Класс L (класс Ленгмюра) является наиболее общим; на начальном участке изотермы этого класса вогнуты относительно оси концентраций. Изотермы класса H наблюдаются при чрезвычайно сильной адсорбции и очень низких концентрациях; они пересекаются с осью ординат. Изотермы класса C имеют начальный линейный участок, что указывает на постоянное распределение растворенного вещества между раствором и сорбентом; такие изотермы обычно получают при сорбции на микропористых сорбентах. По достижении определенной равновесной концентрации на изотермах наблюдается плато (предельная сорбция), свидетельствующее о заполнении всех сорбционных центров поверхности сорбента.

Анализ различных типов изотерм позволяет получить информацию о механизме адсорбции. Так, если взаимодействие между адсорбентом и адсорбированными молекулами велико, а между адсорбированными молекулами пренебрежительно мало, адсорбция описывается изотермами типа L или H. Если сила взаимодействия между адсорбированными молекулами больше силы взаимодействия между растворенным веществом и адсорбентом, адсорбция описывается изотермой S-типа. В этом случае молекулы растворенного вещества располагаются на поверхности в виде цепей или кластеров; такому их положению способствует сильная адсорбция растворителя. Изотермы H-типа наблюдаются в тех случаях, когда адсорбция сопровождается образованием химических соединений. Как уже отмечалось выше, изотерма типа C характерна для адсорбции на микропористых адсорбентах и соответствует таким условиям, при которых число адсорбционных центров остается постоянным в широком интервале концентраций адсорбата. В ряде случаев при увеличении концентрации адсорбата на изотермах сорбции может наблюдаться дальнейший рост и второе плато, что связывают с изменением ориентации молекул адсорбированного вещества или с образованием второго слоя.

Эффективность концентрирования зависит не только от вида изотермы адсорбции, но и от скорости массобмена. Процесс складывается из трех стадий: подвод адсорбируемого вещества к внешней поверхности зерен сорбента (внешняя диффузия), проникновение молекул внутрь зерен и пор сорбента (внутренняя диффузия) и фиксация молекул на внутренней поверхности пор сорбента (собственно акт адсорбции). Стадия адсорбции наиболее быстрая; влияние внешней и внутренней диффузии зависит от условий проведения процесса и природы компонентов системы. В большинстве случаев суммарная скорость адсорбции определяется переносом вещества к внутренней поверхности пор.

Для количественной оценки сорбции используют извлечения, коэффициент распределения и емкость сорбента. Коэффициент распределения (D) вещества рассчитывают по формуле:

			(24)

Коэффициенты распределения вещества между жидкой фазой и твердым сорбентом в статических условиях определяют так. Известное количество сорбента помещают в колбу, прибавляют определенный объем раствора, содержащего известное количество сорбируемого вещества, и встряхивают в течение времени, необходимого для достижения равновесия. После разделения жидкой и твердой фаз отбирают аликвотную часть раствора и анализируют ее. Концентрацию элемента в сорбенте находят по разности.

Коэффициент распределения связан со степенью извлечения (R, %) следующим соотношением:

			(25)

где V – объем анализируемой пробы, а m – масса сорбента.

Под сорбционной емкостью (СЕ) понимают общее количество иона или соединения, поглощенное 1 г сорбента. СЕ выражают в моль/г или мг-экв/г и рассчитывают по формуле: СЕ =(с_о–с)·V⁄g|, где с_о и с –концентрация сорбата в исходном растворе и равновесная концентрация сорбата (моль/л, мг-экв/л), V – объем раствора (л), g – масса сорбента (г). Различают максимальную СЕ, которую обычно определяют в статических условиях, и емкость до проскока или динамическую обменную емкость.

(Вопрос 24).