Адсорбция

Общие закономености

Дисперсные системы, обладая огромной межфазной поверхностью и значительной поверхностной энергией

стремятся к ее уменьшению. Из термодинамики известно, что любые процессы протекают самопроизвольно, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии.

Снижение поверхностной энергии может быть достигнуто двумя путями: за счет уменьшения поверхностного натяжения и за счет уменьшения поверхности раздела фаз. В связи с этим все поверхностные явления делятся на две группы (рис. 2.6).

Большое значение имеет адсорбция — широко распространенное поверхностное явление, связанное со снижением поверхностного натяжения. Адсорбция (от лат. ad — на и sorbeo — поглощаю) представляет собой процесс самопроизвольного концентрирования вещества в поверхностном слое, в результате чего уменьшается поверхностное натяжение. При адсорбции происходит самопроизвольное перераспределение компонентов между поверхностным слоем и объемной фазой. Явление адсорбции необходимо отличать от явления абсорбции — поглощения газа, представляющего объемный процесс.

Рис. 2.6. Снижение поверхностной энергии в дисперсных системах

Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту — носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности, так, например, общая площадь биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Даже такие наши чувства, как обоняние и вкус, зависят от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества. В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность свежеирокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственные объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 г. открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ученый показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воды и делать се пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат прошедшие специальную подготовку углеродные материалы.

Адсорбция отравляющих веществ из воздуха была использована Н. Д. Зелинским при создании противогаза во время первой мировой войны.

Сегодня адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных исследований. Наиболее важные из них — очистка, выделение и разделение различных веществ, адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. Адсорбция является важной стадией гетерогенного катализа и коррозии. Исследования поверхности тесно связаны с развитием полупроводниковой техники, медицины, строительства и военного дела. Адсорбционные процессы играют ключевую роль при выборе стратегии защиты окружающей среды.