1.5 Понятие адсорбции

Адсорбция — это, в широком смысле, процесс изменения концентрации у поверхности раздела двух фаз, а в более узком и общеупотребительном — это повышение концентрации одного вещества (газ, жидкость) у поверхности другого вещества (жидкость, твердое тело).

Поглощаемое вещество, еще не поглощенное и находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, а уже поглощенное — адсорбат. Фазу, которая поглощает называют адсорбентом.

В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа). Этот механизм как раз и используется в процессах получения деминерализованной воды, когда растворенные в воде примеси поглощаются из объема катионо- и анионообменными смолами.

При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция.

Явление адсорбции связано с тем, что силы межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз нескомпенсированы, и, следовательно, пограничный слой обладает избытком энергии – свободной поверхностной энергией. В результате притяжения поверхностью раздела фаз находящихся вблизи нее молекул адсорбата свободная поверхностная энергия уменьшается, т. е. процессы адсорбции энергетически выгодны.

Адсорбированные молекулы могут перемещаться по поверхности, совершая при этом колебательные движения, то приближаясь к поверхности, то удаляясь от нее. Время, в течение которого молекула находится на поверхности, называется временем адсорбции. С ростом температуры время адсорбции уменьшается: чем выше температура, тем интенсивнее колебательное движение, и больше вероятность того, что в процессе таких колебаний связь молекулы с поверхностью будет разорвана и молекула покинет поверхность.

Скоростью адсорбции (десорбции) называется отношение количества молекул, адсорбирующихся (десорбирующихся) за единицу времени, к единице поверхности или массы адсорбента. Если скорости адсорбции и десорбции равны друг другу, устанавливается адсорбционное равновесие. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и др. ).

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию):

Физическая адсорбция . Движущими силами физической адсорбции являются физические силы межмолекулярного взаимодействия (притяжения, отталкивания и т. п. ) Она не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Существенное отличие физической адсорбции — ее обратимость. Поэтому, в случае адсорбции газа, достаточно легко может осуществиться замена адсорбированного слоя газа другим газом. Это явление называется обменной адсорбцией.

При химической адсорбции (хемосорбции) молекулы адсорбата и адсорбента вступают в химические взаимодействия.

Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.

Адсорбция — всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ на границе раздела фаз (именно этот процесс играет важную роль в образовании лиофобных дисперсных систем, которые мы рассмотрим позже на примере нефтяных эмульсий).

Адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами также имеют огромное практическое значение. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма — активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

Однако описанные вше процессы могут протекать не только на разделе двух фаз, но и по всему объему. В общем случае процессы, протекающие с участием разных фаз, могут быть классифицированы следующим образом:

Таблица 1. 5. 1 Разнообразие процессов, протекающих с участием фаз

Локализация                         взаимодействия   Движущие силы взаимодействия	Взаимодействия только на поверхности	Взаимодействия по всему объёму
Физические	Адсорбция	Абсорбция
Химические	Хемосорбция	Гетерогенная реакция