2.1 Сорбційні процеси

Під сорбцією в загальному випадку розуміють процеси поверхневого (адсорбція) і об'ємного (абсорбція) поглинання речовини на межі розділу двох фаз: твердої і рідкої, твердої і газоподібної, рідкої і газоподібної.

Адсорбційна система складається з адсорбента-речовини, на поверхню якої йде поглинання і адсорбата-речовини, молекули якої поглинаються. Зворотній процес-видалення молекул з поверхні адсорбента - називається десорбцією. За природою процесів адсорбцію ділять на фізичну і хімічну.

При фізичній адсорбції молекули адсорбата не вступають в хімічну взаємодію з адсорбентом і, таким чином, зберігають свою індивідуальність на поверхні поглинача; адсорбція в цьому випадку обумовлена дією сил Ван-дер-Вальса. При хімічній адсорбції (хемосорбції) адсорбовані молекули вступають в хімічну реакцію з адсорбентом з утворенням на поверхні хімічних сполук.

Адсорбція являється вибірковим процесом, тобто на поверхні адсорбента поглинаються тільки ті речовини, які зменшують вільну енергію поверхневого шару або іншими словами, знижують поверхневий натяг відносно навколишнього середовища.

Кількісні характеристики адсорбційної системи:

1) ізотерма адсорбції (мал.1.) – виражає зв'язок між концентрацією речовини (С) в розчині і її кількістю (С), поглинутою одиницею поверхні адсорбента при постійній температурі в умовах рівноваги.

2) Теплота адсорбції – фізична адсорбція простих молекул – 4-20 МДж/кмоль і складних молекул – 40-80 МДж/кмоль при хімічній адсорбції 40-400 МДж/кмоль.

Підвищення концентрації речовини в розчині приводить до збільшення кількості його в адсорбованому стані. На початковій ділянці ізотерми (ділянка 1) цей зв'язок прямо пропорційний але при подальшому збільшенні концентрації речовини в зовнішній фазі залежність стає пологішою (ділянка 2) і при великих концентраціях ізотерма прагне до асимптоти С(ділянка3). Характер ізотерми обумовлений поступовим насиченням поверхні адсорбенту речовиною, що поглинається.

До найбільш поширених на практиці типів сорбентів можна віднести силікагелі, активоване вугілля, а також різні види сильно пористих або високодисперсних алюміносилікатів.

Силікагель – висушений гель кремнієвої кислоти, має глобулярну структуру, сформовану зі сферичних часток, що дотикаються і зрослися. Добре поглинає полярні речовини і відомий в першу чергу як хороший осушувач, добре сорбує пари органічних речовин, сірководень, аміак, сірнистий газ. Спостерігається ефективна адсорбція полярних домішок із неполярних розчинів. Наприклад, очистка неполярних SiCl i GeCl від мікро домішок хлоридів металів.

Активоване вугілля має кристалічну будову і складається із кристалічних агрегатів, які формують розвинуту систему пор. Особливо активними центрами являються ребра і кути кристалітів. Застосовується активоване вугілля на кінцевій стадії очистки від домішок.

Сутність іонного обміну. Іонний обмін являє собою зворотній взаємо обмін іонами з однойменними зарядами між рідким розчином і твердою нерозчинною речовиною, що контактує з цим розчином. Тверда речовина називається іоніт або іонообмінник. Основна відмінність іонного обміну від простої адсорбції полягає в тому, що при іонному обміні проходить стехіометричне заміщення: в обмін на кожний еквівалент одного іона, поглинутого з розчину, іоніт віддає в розчин один еквівалент іншого іона з зарядом того ж знаку. Використовуючи іоніти, можна повністю відділяти іони певного типу із розчинів. Наприклад, типова реакція катіонного обміну з виділенням іонів кальцію із розчину має вигляд:

2 NaX + CaClCaX + 2NaCl

(тверді фази підкреслено; Х – фіксована група іоніта). Пропускання розчину через шар твердого іоніта NaX буде супроводжуватися поглинанням із розчину іонів Ca в обмін на іони Na, що переходять в розчин.

Хроматографія – це метод розділення, при якому компоненти, що розділяються, розподіляються між двома фазами – нерухомим шаром твердого поглинача з сильно розвинутою поверхнею і потоком рідкого розчину або газової суміші, що фільтруються при проходженні через нерухомий шар.

2.2 Процеси рідинної екстракції

Екстракція в загальному випадку процес вибіркового видобування речовини в рідку фазу. Екстракцію газа рідиною називають абсорбція, твердих речовин рідкими – вилуджування, екстракція розчиненої речовини із одної рідкої фази в іншу – рідинна екстракція або просто екстракція.

Часто використовують воду, як речовину, з якої проводять екстракцію розчиненої речовини. Рідина (екстрагент), з допомогою якої проводять екстрагування, в більшості випадків органічного походження.

Деколи до складу водного розчинника, із якого екстрагують розчинену речовину, вводять висолювач – речовину, що має однойменний іон з екстрагованою сполукою і тому зменшує її розчинність, що тим самим приводить до підвищення степені видобування її з водного розчину.

Для розділення суміші рідин А і С складу F до них додають розчинник (екстрагент), що змішується з сумішшю не повністю і здатний вибірково розчиняти один з компонентів, в нашому випадку С. Фігуративна точка, фігуративна точка, що відповідає складу суміші трьох компонент, переміщується по прямій FВ. В приведеному прикладі склад потрійної системи відповідає точці М. Склад гетерогенної фази, що утворилася в результаті розшарування потрійної системи, визначається положенням коноди PQ, яка проведена через точку М. Фаза Q має високий вміст розчинника і називається фазою екстракта (або фазою розчинника). Фаза Р з малою концентрацією розчинника називається фазою рафіната (залишка).

Після розділення фаз Q і Р і виділення з них розчинника (дистиляцією або промивкою), одержують відповідно фази складів Е і R. В порівнянні з вихідною сумішшю F суміш Е має більш високий, а суміш R – більш низький вміст компонента С.

Лімітує процес екстракції, як правило, дифузія екстрагованої речовини при змішуванні суміші і екстрагента, тому процес рідинної екстракції проводиться при інтенсивному перемішуванні.

Рідинна екстракція має широке застосування в технології напівпровідників і діелектриків. З її допомогою можна, наприклад, суміші двох речовин розділити з концентруванням кожної з них в різних розчинниках і таке інше.