Характеристика сорбционных процессов

Адсорбция растворенных веществ с использованием зернистых материалов является результатом перехода частиц растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента.

Баланс энергетических взаимодействий, приводящих к избирательной сорбции извлекаемого вещества из водного раствора, можно представить в виде равенств:

                                           Е = Е_а - Е_р - Е _r,                                   (2.1)

где Е – энергия сорбции молекул извлекаемого вещества; Е_а – энергия сорбционного взаимодействия молекул этого вещества в отсутствие молекул воды и других компонентов раствора; Е_р – энергия взаимодействия молекул воды с сорбентом; Е _r – энергия взаимодействия молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе.

     Поверхность сорбента, погруженного в жидкость, всегда полностью покрыта молекулами компонента раствора, то есть относительная степень заполнения поверхности раздела фаз молекулами всех видов q_S всегда равна единице и не зависит от концентрации раствора. В сорбционном слое происходит лишь перераспределение молекул раствора в соответствии с энергией их взаимодействия с сорбентом. Поэтому каждый компонент раствора заполняет определенную долю общей поверхности раздела фаз q _i, то есть является функцией равновесной концентрации раствора.

     Отношение концентраций молекул сорбируемого вещества в сорбционном слое и в равновесном растворе характеризует избирательность сорбции этого вещества из водного раствора. При отсутствии избирательности это отношение равно единице, то есть концентрация раствора не изменяется, поскольку все компоненты его сорбированы в таких же соотношениях, в каких они находятся в жидкости. С увеличением избирательности сорбции растворенного вещества отношение его концентрации в сорбционном слое и в водном растворе увеличивается, что приводит к уменьшению содержания этого вещества в растворе.

     Величины Е_а и Е_р зависят как от структуры молекул, образующих раствор, так и от химической природы поверхности сорбента. Таким образом, выбирая сорбенты соответствующей химической природы, можно добиться увеличения разности Е_а - Е_р и, следовательно, усилить избирательность сорбции вещества из раствора. Величина Е _r определяется только структурой молекул растворенного вещества и растворителя, поэтому влияние на величину Е _r при сорбции веществ из водных растворов возможно лишь при создании условий минимальной гидратации молекул растворенных веществ.

     Избирательность сорбции извлекаемых веществ из водного раствора определяет принципиальную целесообразность применения сорбционной технологии для очистки сточных вод от примесей. Однако для решения вопроса о технической эффективности применения того или иного сорбента важна величина его удельной сорбционной емкости, то есть максимальной массы или объема веществ, которые могут быть сорбированы единицей массы или объема сорбента. Такой удельный объем сорбированного вещества (V_a) определяется только площадью поверхности стенок пор сорбента, то есть является его характеристикой, в общем случае не зависящей от свойств молекул компонентов раствора, так как из-за своих размеров они могут свободно проникать в эти поры. Учитывая эти ограничения, удельный адсорбционный объем можно считать для каждого сорбента постоянной величиной.

     Уменьшение размеров пор сорбента при сохранении их общего объема приводит к быстрому увеличению удельной поверхности. При доступности микропор сорбента для молекул воды и всех растворенных в ней веществ сорбционный объем его всегда заполнен компонентами раствора. Зависимость концентрации растворенного вещества в сорбционном объеме от концентрации его в равновесном водном растворе при постоянной температуре является изотермой адсорбции растворенного вещества. Вместо концентрации вещества в сорбционном объеме можно использовать массу сорбированного вещества, приходящуюся на единицу массы или объема сорбента, называемую удельной сорбцией вещества. Таким образом, чтобы оценить равновесные условия сорбционной очистки от растворенных веществ, необходимо знать удельный сорбционный объем пористого сорбента как основную характеристику сорбента; изотерму сорбции вещества из раствора, являющуюся функцией энергии взаимодействия молекул компонента раствора с сорбентом Е_а и энергии гидратации молекул вещества в водном растворе Е _r.

Чем больше энергия гидратации частиц растворенного вещества, тем больше противодействие испытывают данные частицы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора. Поэтому сорбционная очистка природных и сточных вод целесообразна, если в них содержатся компоненты, энергия взаимодействия с твердой поверхностью превосходит энергию гидратации.

Сорбцию растворенных веществ твердофазными материалами осуществляют в статических и динамических условиях

                                     S = (C _Н – С _К)/ С _Н,                                 (2.2)

где S – степень сорбции, безразмерная величина; С _Н и С _К – соответственно начальная и конечная концентрации извлекаемых частиц в растворе, мг/дм³.

     Характеристику межфазного распределения выражают через коэффициент распределения, который устанавливает соотношение между равновесными концентрациями частиц в сорбенте и в растворе:

                                     K _d = С _С / С _Р,                                          (2.3)

где K _d – коэффициент распределения, мл/г; С _С– равновесная концентрация частиц в сорбенте; мг/л; С _Р- равновесная концентрация частиц в растворе, мг/дм³.

К динамическим характеристикам гетерофазных систем относят выходные кривые сорбции при различных скоростях пропускания раствора. Для идеального случая, когда фиксация частиц на поверхности сорбента происходит мгновенно, «проскок» и полное насыщение наступает одновременно. Объем раствора, пропущенного до «проскока» v ₀, и объем раствора, пропущенного до полного насыщения v _н, будут равны (Δ v = v _н - v ₀ = 0). В действительности процесс сорбции за счет диффузии примесей внутрь зерна происходит в течение некоторого отрезка времени, и Δ v > 0. Относительная скорость сорбции определяется как отношение объема раствора, прошедшего через фильтр до «проскока», к объему раствора, прошедшего через фильтр до установления равновесия:

v = v ₀ / v _н ·100%,                                           (2.4)

где v – относительная скорость сорбции; v ₀ – объем раствора, прошедшего через фильтр до «проскока», дм³; v _н – объем раствора, прошедшего через фильтр до установления равновесия между сорбатом и сорбентом, дм³.