Adsorpcja to proces zachodzący na powierzchni ciał skondensowanych.doc

Część teoretyczna:

Adsorpcja to proces zachodzący na powierzchni ciał skondensowanych. Innymi słowy, nagromadzenie się cząsteczek na powierzchni fazy skondensowanej (cieczy, ciała stałego) nazywamy adsorpcją (rys.1).

Rys. 1. Schemat procesu adsorpcji

Substancję, która ulega adsorpcji nazywana jest adsorbatem, a substancja na której ten proces zachodzi – adsorbentem lub podłożem. Adsorbenty są to najczęściej ciała stałe o bardzo dobrze rozwiniętej powierzchni.

Na powierzchnię czynną adsorbentu (stałego) składają się również różne pory i kanaliki. Zależnie od stopnia rozdrobnienia adsorbentu zwiększa się jego powierzchnia właściwa. Powierzchnią właściwą nazywamy powierzchnię jednego grama ciała wyrażoną w cm2 lub w m2.

Do często stosowanych adsorbentów należą między innymi różne gatunki specjalnie preparowanego węgla aktywnego. Powszechnie wiadomo, że węgiel aktywny pochłania niektóre gazy oraz usuwa niektóre substancje (zanieczyszczenia) rozpuszczone w wodzie.

Zeolity to krystaliczne glinokrzemiany metali alkalicznych lub metali ziem

alkalicznych, wyróżniające się ściśle regularną strukturą porów. Pory te w zwykłych

warunkach temperaturowych są wypełnione cząsteczkami wody (tzw. zeolitowej), która

podczas ich ogrzewania wydziela się. Stąd nazwa „zeo-lit” czyli „wrzący kamień”.

Wśród zeolitów wyróżnia się dwie grupy: naturalne i syntetyczne. W przyrodzie

odkryto dotąd 34 minerały zeolitowe. Syntetycznie otrzymano około100 zeolitów .

Zeolity syntetyczne mają budowę analogiczną do naturalnych

Węgiel aktywny Jednym z najstarszych i najpospolitszych adsorbentów jest węgiel znany jako węgiel aktywowany, węgiel aktywny, węgiel aktywny-drzewny. Węgiel aktywny otrzymuje się z różnorodnych materiałów pochodzenia organicznego jak drewno, torf, lignina, pestki owoców, skorupy orzechów, węgle kopalne i 
inne. Zazwyczaj surowce poddawane są najpierw procesowi zwanemu karbonizacją, który polega na obróbce termicznej w wysokiej temperaturze bez dostępu powietrza i bez udziału czynników chemicznych. W trakcie karbonizacji następuje rozkład substancji organicznej i usuniecie części lotnych, w wyniku czego uzyskuje się półprodukt o strukturze porowatej, tzw. karbonizat.

Żel krzemionkowy jest adsorbentem przygotowywanym poprzez koagulację roztworu koloidalnego kwasu krzemowego (3 do 5 nm) przeprowadzanej poprzez kontrolowane odwodnienie. Roztwór krzemianu sodu jest neutralizowany kwasem siarkowym, a powstała mieszanina jest koagulowana do formy hydrożelu.  Żel jest przepłukiwany w celu usunięcia siarczanu sodu, powstającego podczas reakcji zobojętniania. Kolejnymi etapami jest suszenie, mielenia i sianie. Sferyczne cząstki żelu krzemionkowego są wykonywane poprzez rozpylanie i suszenie hydrożelu w gorącym powietrzu. Występują dwa typy żelu krzemionkowego o różnym rozkładzie wielkości porów. Typ A i B charakteryzujące się różnym kształtem krzywej izotermy adsorpcji pary wodnej. Różnica ta wynika z tego że typ A posiada pory 2,0 - 3,0 nm, a typ B około 7,0 nm. Powierzchnia wewnętrzna wynosi 650 m2/g (typ A) i 450 m2/g (typ B). Żel krzemionkowy zawiera około 0,04 do 0,06 gH2O/g związanej wody po wygrzewaniu w temperaturze 350°C i jeśli doprowadzi się do utraty tych cząsteczek wody, traci swój hydrofilowy charakter i pojemność adsorpcyjną na wodę.

Aktywowany Tlenek Glinu (Activated Alumina) Tlenek glinu występuje w wielu formach krystalicznych. Najczęściej jako adsorbent wykorzystywany jest tlenek glinu γ(gamma). Zakres powierzchni aktywnej mieści się w przedziale 150 do 500 m2/g, średnica porów 15-60A, w zależności od sposobu przygotowania. Porowatość od 0,4 do 0,76, co odpowiada gęstości 1,8 do 0,8 g/cm3. Porowaty tlenek glinu wytwarza się poprzez odwodnienie hydratów tlenku glinu, najczęściej trójhydratu Al2O3*3H2O, w kontrolowanych warunkach temperatury, do około 6% zawartości wilgoci.

Adsorpcja na granicy faz ciało stał roztwór ciekły,  jest procesem bardziej złożonym od adsorpcji gazów. Wielkość adsorpcji zależy tutaj od oddziaływania pomiędzy adsorbentem, a każdym ze składników roztworu. Teoria dla tego układu nie jest opracowana do końca. Najczęściej stan równowagi adsorpcyjnej opisywany jest przez empiryczne równanie Freundlicha:

a – oznacza jak poprzednio, liczbę moli substancji zaadsorbowanej przez 1g adsorbentu,

c – stężenie molowe roztworu w stanie równowagi adsorpcyjnej,

k i n – wielkości stałe (zależne od temperatury, rodzaju adsorbentu i rodzaju substancji adsorbowanej), .

Często stosuje się postać równania, określającą masę substancji zaadsorbowanej i ułamkowa wartość wykładnika potęgowego:

gdzie:

x – oznacza masę substancji zaadsorbowanej z roztworu przez m gramów adsorbentu,

k, c, n – pozostałe oznaczenia jak wyżej.

Rys. 5. Izoterma adsorpcji Freundlicha

Wykres izotermy Freundlicha przypomina w ogólnym przebiegu wykres izotermy Langumira, różni się od niej jednakże brakiem prostej proporcjonalności między ilością zadsorbowanej substancji a stężeniem w zakresie małych stężeń.

Równanie Freundlicha jest rzadko stosowane.

Zjawisko adsorpcji na ciele stałym jest szeroko wykorzystywane w praktyce laboratoryjnej przemysłowej. Stanowi podstawę oczyszczania i rozdzielania związków (chromatografia). Odgrywa zasadniczą rolę w reakcjach heterogenicznych (w katalizie kontaktowej).

Barwne ścieki przemysłowe powstają w wielu gałęziach przemysłu m.in.: celulozowo papierniczym, włókienniczym, farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym i farbiarskim. Największą pulę barwnych zanieczyszczeń stanowią ścieki z przemysłu włókienniczego oraz celulozowo-papierniczego. Przemysł włókienniczy rocznie produkuje około 280.000 ton barwnych ścieków (Jin 2007). W celu uzyskania barwy wykorzystywanych jest 100.000 różnych barwnych substancji a ich roczna światowa produkcja przekracza 800.000 ton (Ravankar 2007). Do barwnych zanieczyszczeń należą także toksyczne i wytwarzane w bardzo dużych ilościach ścieki przemysłu celulozowo-papierniczego pochodzące z różnych etapów roztwarzania i bielenia pulpy drzewnej. W zależności od zastosowanej technologii produkcji miazgi celulozowej powstaje lignina alkaliczna i tiolignina (proces Krafta) oraz ligninosulfoniany (Garg i Modi 1999)

Zagrożenia plynące z nieusunięcia barwnych  związków ze ścieków Obok niskich walorów estetycznych barwnych ścieków przemysłowych, istotne jest również to, że stanowią one zagrożenie dla środowiska oraz organizmów żywych. Obecność tych związków w środowisku wpływa niekorzystnie na funkcjonowanie ekosystemów wodnych oraz stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt. Przenikanie barwnych ścieków do wód powoduje ograniczenie procesu fotosyntezy co w konsekwencji prowadzi do spadku stężenia tlenu i zaburzenia równowagi biologicznej tego środowiska. Większość barwników przemysłowych zawiera w swoim składzie szkodliwe dla zdrowia substancje kancerogenne i mutagenne, które mogą wnikać i kumulować się w organizmach żywych poprzez łańcuch pokarmowy.