Область применения адсорбционной очистки. Промышленные адсорбенты

 

Адсорбенты – высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей.

Адсорбенты применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, для разделения спиртов, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.

Адсорбент, используемый в промышленности – это адсорбент с высокоразвитой поверхностью. Для понимания важности этого свойства необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие в ходе газоразделения.

Другое определение адсорбции – поверхностное явление, проявляющееся во взаимодействии двух сопряженных фаз. Фаза, представляющая поверхность, называется адсорбентом. Вторая фаза, представляющая собой газ, называется объемной фазой или адсорбированной, а обычно адсорбатом.

Образование адсорбированной фазы связано с ломкой приповерхностных слоев объемной фазы, которое сопровождается выделением теплоты.

Рассмотрим более подробно образование адсорбированной фазы. Внешний слой твердого тела является обедненным, за счет отсутствия родственных связей. В результате поверхностные молекулы адсорбента взаимодействуют с молекулами сопряженной объемной фазы, удерживая их на поверхности, т.е. адсорбируя. Силы межмолекулярного взаимодействия, обуславливающие адсорбцию, называют силами Ван-дер-Вальса.

На расстоянии порядка полутора диаметров молекул находится потенциальная «яма» – максимум результирующей силы притяжения, в которой над поверхностью располагается молекула адсорбата. Совокупность таких молекул образует первый слой адсорбата.

Дальнейшие слои практически не образуются за счет экранирования сил притяжения первым слоем. Кроме физических сил взаимодействия существуют химические, но обычно в понятие «адсорбция» не вкладывают смысл химического взаимодействия и этот процесс называют поверхностной химической реакцией.

Из-за отсутствия четких границ между физическими и химическими взаимодействиями имеет место область промежуточных взаимодействий, называемая хемосорбцией. Различить эти три явления можно по теплоте, сопровождающей взаимодействие.

Эта концепция описывается уравнением Ленгмюра, которое во взаимосвязи с температурой, представляют изотермы сорбции. Согласно уравнению Ленгмюра величина адсорбции в основном определяется природой взаимодействия молекул и емкостью первого слоя. Управление ими положено в основу синтеза промышленных адсорбентов. Величина адсорбции промышленных адсорбентов составляет до 50% от массы самого адсорбента и в первую очередь она связана с развитой поверхностью определяющей емкость первого слоя.

Наиболее эффективный путь увеличения удельной поверхности – это предельно возможное уменьшение размера единичных пор в твердом теле. Например, при уменьшении размера пор от 1 мм до 1 нанометра (нм) удельная поверхность твердого тела возрастает в миллион раз. Поры размером на уровне 1 нм соизмеримы с радиусом молекул многих веществ (0,1–0,5 нм) и поэтому являются предельными с точки зрения физического существования твердой фазы. Поры на уровне 1 нм называются микропорами. Реальные твердые сорбенты наряду с микропорами имеют и более крупные образования – мезо- и макропоры, выполняющие в основном роль транспортных артерий, подводящих за счет диффузии вещество из объемной фазы к микроструктурам.

Самым старым промышленным адсорбентом является активный уголь, синтезированный в начале 20-го века, и используемый во многих процессах. Вторым крупным синтетическим адсорбентом, появившимся на рынке в 20-х годах прошлого века, стал селикагель. Третью группу представляют цеолиты (алюмосиликаты легких металлов), самые молодые из промышленных адсорбентов.

Варьируя виды сырья, условия обработки и синтеза получают адсорбенты с разной степенью развития пор. Но всегда существует оптимум в зависимости от целевого назначения использования, поскольку размер пор должен быть минимально таким, чтобы адсорбирующиеся молекулы могли в них проникнуть, а с другой, чем меньше поры, тем больше наложение сил противоположных стенок и сильнее адсорбция, а значит соответственно десорбция.

Характерной особенностью цеолитов является то, что они имеют очень однородный размер пор, причем такой величины (около 1 нм), что исключают адсорбцию в них тех или иных веществ. Цеолиты имеют только такие поры и получили второе название – молекулярные сита. Долгое время эта исключительность была характерна только для них.

Но в результате интенсивных работ в создании новых промышленных адсорбентов появились углеродные молекулярные сита и селикагелевые молекулярные сита с высокой однородностью пор. Промышленные адсорбенты выпускаются в виде гранул, шариков и прессованных элементов специальной формы. Их наружная поверхность составляет лишь малую долю общей поверхности, формирующейся в основном за счет внутренних пор. Площадь их поверхности пор составляет несколько сотен квадратных метров на грамм адсорбента.

Адсорбционный метод очистки газов основан на поглощении содержащихся в них вредных примесей поверхностью твердых пористых тел с ультрамикроскопической структурой, называемых адсорбентами. Эффективность процесса адсорбции зависит от пористости адсорбента, скорости и температуры очищаемых газов.

Чем больше пористость адсорбента и выше концентрация примеси, тем интенсивнее протекает процесс адсорбции. В качестве адсорбентов для очистки газов от органических паров, поглощения неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в небольших количествах в промышленных выбросах, широко применяют активированный уголь, удельная поверхность которого составляет 10²-10³ м²/г.

Кроме активированного угля используются активированный глинозем, селикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным углем обладают высокой адсорбционной способностью и избирательностью поглощения определенных газов, механической прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень важно, так как при снижении давления или повышении температуры оно позволяет удалять из адсорбента поглощенные газы без изменения их химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбционной очистки работают периодически или непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который проходит поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяет расход очищаемо го газа, размер частиц адсорбента, степень очистки и другие факторы. Вертикальные адсорберы отличаются небольшой производительностью. Производительность горизонтальных и кольцевых адсорберов достигает десятков и сотен тысяч м³/ч. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов чередуется с периодом регенерации твердого адсорбента.

Адсорберы непрерывного действия представляют вертикальную многосекционную колонну с движущимся сверху вниз адсорбентом, который проходит зоны охлаждения, поглощения, ректификации, нагрева и десорбции и вновь возвращается в исходное положение. Газ поступает в зону поглощения и движется навстречу адсорбенту.

На рисунке представлена схема адсорбционной установки для удаления сернистого ангидрида (S0₂) из горячих топочных газов. В качестве адсорбента в установке используют активированный уголь, которым заполняют адсорбер. Горячие топочные газы проходят через теплообменник, подогревая воздух, поступающий в топку и для обогрева десорбера, и подаются в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150–200°С происходит улавливание S0₂.

Очищенный дымовой газ выбрасывают в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер, где с помощью нагретого в теплообменнике воздуха поддерживается температура 300–600°С, при которой из адсорбента выделяется сернистый ангидрид, отводимый из десорбера и полезно используемый. Регенерированный адсорбент поступает в бункер, из которого подается в верхнюю часть адсорбера.

Установки периодического действия отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие скорости газа и большие энергетические затраты на его прокачку.

В установках непрерывного действия с подвижным слоем адсорбента полнее используется адсорбционная способность адсорбента, обеспечивается процесс десорбции, однако имеются значительные его потери за счет ударов частиц адсорбента друг о друга и истирания о стенки аппарата.

Промышленные адсорбенты

Адсорбент [макропористый]. Макропористые адсорбенты используются в основном в хроматографии.

Адсорбент [мезопористый]. Мезопористые адсорбенты являются наиболее эффективными в области средних давлений (концентраций) адсорбтива.

Адсорбент [микропористый]

Однородные микропористые адсорбенты имеют поры с размерами, близкими к размерам молекул анализируемых веществ. Они пригодны для разделений, основанных на различии размеров молекул. Типичными адсорбентами, относящимися к этой группе, являются активные угли (например, саран) и цеолиты.

воздействие техносфера неблагоприятный адсорбент

Адсорбционная установка для удаления S0₂ из горячих дымовых газов: 1 – адсорбер; 2 – теплообменник; 3 – десорбер; 4 – бункер

 

Адсорбент [микросферический]

Использование микросферических адсорбентов упрощает вопрос транспортировки адсорбента в замкнутом цикле. Он может быть решен пневмотранспортом, осуществляемым при небольших скоростях газа, что значительно снижает истирание адсорбента.

Адсорбент [минеральный]

Минеральные адсорбенты и катализаторы (алюмосиликаты Si02, А12Оз, цеолиты и др.) перед применением обычно подвергают длительной термообработке при различных температурах для удаления адсорбированной воды и активации. Выбор температуры предварительной сушки адсорбентов часто мало обоснован и литературные данные по этому вопросу разноречивы.

Адсорбент [минеральный синтетический]

Синтетические минеральные адсорбенты находят многообразное практическое применение, благодаря широким возможностям регулирования параметров их пористой структуры в зависимости от условий синтеза. Их известное преимущество по сравнению с активированными углями при использовании для целей рекуперации заключается в негорючести.

Адсорбент [модифицированный]

Модифицированные адсорбенты являются своеобразным переходом между газо-адсорбционной и газо-жидкостной набивками. Все активные центры модифицированных адсорбентов имеют одинаковую активность.

Адсорбент [молекулярный]

Самый распространенный молекулярный адсорбент – активированный уголь – используется в процессах выделения, очистки и разделения почти всех основных антибиотиков. Среди большого количества марок активных углей различают мелкий угольный порошок (например, весьма распространенный в процессах сорбции антибиотиков и пигментов в растворах антибиотиков уголь ОУ марки А) и уголь-крупку. Ввиду малой специфичности активированного угля как адсорбента его применение для выделения и очистки антибиотиков в одноактовом процессе не приводит к заметной очистке веществ. В колоночных хроматографических процессах угольный порошок используется лишь в лабораторных установках, в которых слой угля не превосходит нескольких сантиметров. Иначе возникают затруднения с прохождением раствора через колонку.

Адсорбент [неоднородно-пористый]

Неоднородно-пористые адсорбенты, в частности снликагели, содержащие как широкие, так и узкие поры. Естественно, что они не могут быть успешно использованы в хроматографии без соответствующего модифицирования.

Адсорбент [неоднородно пористый]

Неоднородно пористые адсорбенты (например, неоднородно-пористые силикагели) при адсорбции проявляют черты, свойственные второму и третьему типам адсорбентов.

Адсорбент [неорганический]

Из неорганических адсорбентов наиболее употребительны окись алюминия, карбонат кальция, окись кальция, силикагель, окись цинка, окись магния, активированный уголь, а также некоторые природные минералы, главным образом различные сорта глины.

Адсорбент [неполярный]

Неполярные адсорбенты – активные угли – не специфически взаимодействуют с разделяемыми компонентами.

Адсорбент [непористый]

Непористые адсорбенты, получаемые в результате химических реакций в растворе и последующего осаждения (например, сульфат бария), а также путем размельчения твердых тел, обладают обычно сравнительно небольшой удельной поверхностью (1–10 м² / г) и поэтому имеют довольно ограниченное применение. Получаемые порошки с удельной поверхностью порядка сотен м2 / г применяют в качестве наполнителей полимеров, лаков и смазок.

Адсорбент [неспецифический]

Неспецифические адсорбенты, такие, как неспецифические и слабо специфические пористые полимеры, графитированные сажи, карбохромы, молекулярно-ситовые угли

Адсорбент [однородно пористый]

Однородно пористые адсорбенты, размеры пор которых близки друг другу и составляют около 50 А. Первичный адсорбционный процесс в этих порах близок к таковому на непористых адсорбентах той же природы, но при достаточно высоком давлении пара он сопровождается капиллярной конденсацией, приводящей к заполнению пор жидкостью…

Адсорбент [окисный]

Окисные адсорбенты с одинаковой или близкой пористой структурой обладают общими адсорбционными свойствами по нефтяным компонентам. Заметного влияния химии поверхности на адсорбцию этих компонентов не обнаружено, так как разнообразные по химическому составу адсорбенты – силикагели, глинозем, природные и синтетические алюмосиликаты, активированные угли, пористые стекла – адсорбируют такие соединения в том или ином количестве.

Адсорбент [окрашенный]

Окрашенные адсорбенты переносят на фильтры воронок и промывают дистиллированной водой. Окраска их в результате промывки не изменяется.

Адсорбент [основной]

Основным адсорбентом для молекулярной ВЭЖХ является силикагель. Этот материал представляет собой почти чистый диоксид кремния 8О2, однако технические его сорта включают в свой состав тс или иные примеси. Кроме того, технический силикагель содержит другие оксиды, прежде всего оксид алюминия, также железа, который придаст техническому силикагелю желтоватый или даже коричневый цвет. Силикагель имеет разную поверхность, составляющую обычно 100–600 м² / г, и значительный объем пор (0.5–1.2 см) с преобладанием пор диаметром от 5 до 15 нм.

Адсорбент [поверхностно-пористый]

Поверхностно-пористые адсорбенты обладают большой механической прочностью и поэтому особенно удобны для работы при высоких давлениях, тогда как многие объемно-пористые адсорбенты не выдерживают высоких давлений.

Адсорбент [полимерный]

Применение полимерных адсорбентов в настоящее время весьма ограничено. Тем не менее, потребность в таких материалах очень велика.

Адсорбент [полимерный пористый]

Производство пористых полимерных адсорбентов на основе стирола и дивинилбензола начато в России с 90-х годов.

Адсорбент [полярный]

Полярные адсорбенты лучше адсорбируют полярные вещества и ионы, и наоборот, неполярные адсорбенты лучше адсорбируют неполярные вещества.

Адсорбент [пористый]

Пористые адсорбенты различаются структурой. Корпускулярные структуры образуются путем сращивания частиц.

Адсорбент [пористый кристаллический]

Кристаллические пористые адсорбенты характеризуются наличием дальнего порядка в решетке.

Адсорбент [порошковый]

Активация порошковых адсорбентов производится в адсорбере, снабженном перфорированными стальными опорными дисками с положенными на них стальными сетками. Такой адсорбер должен иметь откидное днище или люк для спуска активированного адсорбента в мешалку для контактной обработки масла.

 

 

Литература

 

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М.: Издательство ЮНИТИ, – 2007.

2. Безопасность жизнедеятельности / под ред. Э.А. Арустамова. – М., 2006.

3. Буренина Е.М., Буренин Е.П. Электронный учебник по экологии. – М., 2009.

4. Владимиров В.А. Основные опасности и угрозы на территории России в начале XXI века. – М.: ООО «ИЦ-Редакция «Военные знания», 2002.

5. Лебедева М.И., Анкудимова И.А. Экология: Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002.

6. Николайкин, Н.И., Николайкина, Н.Е., Мелехова, О.П. Экология. – 5-е. – М.: Дрофа, 2006.

7. Экология в таблицах. М.: Дрофа, 2007.

8. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов./ Под ред. Л.А. Муровья. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002.

9. Яншин А.Д. Научные проблемы охраны природы и экологии. // Экология и жизнь. – 1999. – №3.