Стислі теоретичні відомості

Згідно з другим законом термодинаміки, вільна енергія Гіббса завжди прямує до можливої для даної системи мінімуму. Зменшення цієї енергії можна досягнути двома способами. По-перше, за рахунок зменшення сумарної поверхні (наприклад, за рахунок збільшення розмірів частинок дисперсної фази). Це явище має назву коагуляція, тобто злипання частинок твердої дисперсної фази (якщо це явище спостерігається у рідинах, то воно називається коалесценція). По-друге, за рахунок протягування до поверхні твердого тіла дрібних частинок із дисперсійного середовища. Це явище називають сорбцією. Обидва процеси відбуваються самовільно та можливо одночасно.

Сорбцію, що проходить тільки на поверхні речовини, називають поверхневим поглинанням або адсорбцією. Об’ємне поглинання, тобто розчинення у всьому об’ємі поглинача, називають абсорбцією (наприклад, поглинання газів рідиною).

Речовину, що поглинає, називають (ад)сорбентом, а речовину, яка поглинається − (ад)сорбатом чи (ад)сорбтивом. Якщо речовина, що поглинається, також хімічно взаємодіє з (ад)сорбентом, процес називають хемосорбцією.

Адсорбція − це процес самовільної зміни концентрації на межі поділу фаз в гетерогенній системі. Адсорбцію прийнято виражати величиною питомої адсорбції Г (моль/см², моль/г) − це кількість речовини (залишок адсорбтиву), що була адсорбована одним метром квадратним поверхні адсорбенту або одним грамом речовини, моль/м², моль/г;

Найбільш поширеними адсорбентами є: графітована сажа; аеросил (SiO₂); біла сажа (також SiO₂); активоване вугілля; силікагель (H₂SiO₃); цеоліти (алюмосилікати)  природні адсорбенти. Цеоліти мають розгалужену кристалічну структуру, пронизану трубчастими порожнинами з певним діаметром вхідного отвору: 4 − 6 А⁰ (Ангстрем, 1 А⁰ = 10^-8 см). Цеоліти використовуються для очищення рідин як молекулярні сита.

Адсорбція газу (або рідини) на твердій поверхні залежить від: природи адсорбенту та адсорбтиву; тиску газу або концентрації рідини; температури.

Основні положення теорія мономолекулярної адсорбції Ленгмюра:

1. Адсорбція відбувається не на всій поверхні, а тільки на її активних центрах. Активні центри − це молекули поверхні з некомпенсованими зв’язками або ненасиченими валентностями. Активними центрами можуть бути виступи кристалічної решітки або її дефекти.

2. Згідно з теорією Ленгмюра, всі активні центри енергетично рівноцінні.

3. Кожний активний центр утримує лише одну молекулу адсорбтиву, тобто на поверхні адсорбенту утворюється мономолекулярний шар.

4. Між молекулами адсорбтиву немає сил взаємодії.

5. У процесі адсорбції встановлюється динамічна рівновага, при якій швидкість адсорбції дорівнює швидкості десорбції.

Г_∞ − гранична адсорбція, тобто кількість речовини, що була адсорбована одним метром квадратним (або одним грамом) адсорбенту при максимальному її заповненні, моль/м², моль/г;

Зі зростанням температури пришвидшується тепловий рух молекул адсорбтиву, а тому зменшується можливість їх фіксації на активних центрах. Тобто зростання температури сприятиме більш рівномірному розподілу речовини у об’ємі, а не на поверхні. Тому при підвищенні температури рівновага у системі зміщуватиметься у бік десорбції (процес зворотний адсорбції). Величина граничної адсорбції не залежить від температури, Г_∞=const, але при дуже високій температурі можна не досягти величини граничної адсорбції.

Завдання: Після попереднього визначення прозорості проби стічної води "за шрифтом" чи "за хрестом" провести її очищення за допомогою таких адсорбентів: активованого вугілля; силікагелю; цеолітів; щебеню; паперового фільтру тощо. Визначити прозорість очищеної води "за хрестом" чи "за шрифтом". Зробити висновки щодо ефективності очищення за допомогою обраного для досліду адсорбента.