Основні види адсорбентів, Цеоліти
Основні види адсорбентів
Активне вугілля - це пористі адсорбенти вуглецевого типу. Одержують їх переважно з різних видів органічної сировини - торфу, бурого та кам'яного вугілля, антрациту, деревного матеріалу, промислових відходів, речовин тваринного походження, шкаралупи горіхів, у тому числі кокосових.
Наступний тип адсорбентів – силікагелі. Цей вид сорбентів дуже поширений у промисловості, завдяки добрій пористості. На вигляд силікагель являє собою тверді зерна: матові або прозорі, безбарвні або світло-коричневі. Випускають їх у вигляді кульок, пігулок або шматочків неправильної форми, із зернами розміром від 0,1 до 7 мм.
Рекомендації щодо застосування силікагелю:
0,1 - 0,25 мм для процесів з киплячим шаром адсорбенту;
0,5 - 2,0 мм для рідкофазних процесів і процесів з шаром адсорбенту, що рухається;
2,0 - 7,0 мм - для процесів у газовій фазі зі стаціонарним шаром адсорбенту.
Отримують силікагелі на основі двоокису кремнію. Силікагель - один із перших мінеральних синтетичних адсорбентів, які знайшли широке застосування в промисловій практиці.
Основні переваги силікагелів:
Низька температура, необхідна для регенерації (110 - 200°С) і, як наслідок, нижчі енерговитрати, ніж при регенерації інших промислових мінеральних сорбентів (окис алюмінію, цеоліти);
Можливість синтезу силікагелів у широкому інтервалі заданих структурних характеристик при використанні простих технологічних прийомів;
Низька собівартість при великому монтажному промисловому виробництві;
Висока механічна міцність.
Інший тип адсорбентів - це активний окис алюмінію та алюмогелі. Зростання потреби в активному окисі алюмінію обумовлено розвиткомтаких процесів, як риформінг, гідроочищення, гідрокрекінг (у яких використовуються каталізатори, що містять 80-99% окису алюмінію), а також широким застосуванням в процесі адсорбції. Переваги окису алюмінію (термодинамічна стабільність, легкість одержання, доступність сировини та ін.) Забезпечують можливість широкого застосування її. Окис алюмінію виходить шляхом прожарювання гідроксиду алюмінію. Структура окису алюмінію залежить від типу гідроксиду, залишкового вмісту води, наявності оксидів лужних та лужноземельних металів, а також умов термічної обробки.
Цеоліти. Їх види та властивості
Цеоліти - алюмосилікати, що містять у своєму складі оксиди лужних і лужноземельних металів, що відрізняються строго регулярною структурою пір, які у звичайних температурних умовах заповнені молекулами води. Ця вода, названа цеолітною, при нагріванні виділяється. У природі як катіони зазвичай до складу цеолітів входять натрій, калій, кальцій, рідше барій, стронцій і магній. Кристалічна структура цеолітів утворена тетраедрами SiO4 та АlO4.
Якщо з цеоліту видалити воду, пори можуть бути заповнені знову водою або іншою речовиною, що визначає їх використання в процесах осушення, і поділу речовин. Поглинання речовини відбувається переважно в адсорбційних порожнинах цеоліту. Однак не всі речовини можуть проникати в адсорбційні порожнини цеолітів та поглинатися у них. Це тим, що адсорбційні порожнини з'єднуються друг з одним входами -- вікнами строго певного розміру. Проникнути через вікно можуть лише ті молекули, критичний діаметр яких менший за діаметр вхідного вікна. Під критичним діаметром розуміють діаметр найменшої осі молекули.
Цеоліти за своїм походженням можуть бути як природні, так ісинтетичні. Перші спроби отримати цеоліти синтетичним шляхом було зроблено понад сто років тому. У 1862 р. Сент-Клер Девіль у результаті нагрівання в запаяній скляній трубці суміші силікату та алюмінію калію при 200 ° С отримав синтетичний калієвий філіпсит. У близьких умовах при нагріванні силікату калію і алюмінату натрію до 170 °С був отриманий синтетичний шабазит. Проведені потім численні досліди, які мали на меті синтез аналогів природних цеолітів, проводилися в умовах високих температур (250-450 ° С) і тиску до 3 * 10 8 Па (3000 кгс/см 2 ).
Велика заслуга у розвитку проблеми синтезу цеолітів належить англійському фізико-хіміку професору Барреру. Їм 1948 р. розпочато систематичні пошуки шляхів синтезу, які увінчалися великими досягненнями. У лабораторії Баррера було здійснено синтез багатьох цеолітів. Роботами Баррера та його співробітників було намічено шляхи синтезу в умовах знижених температур (100 °С) при нормальному тиску.
Слідуючи цим шляхом, Брек та інші дослідники американської компанії Лінде знайшли умови отримання основних цеолітів загального призначення типу NaA та NaX, що широко використовуються в промисловості.
На малюнку 2 представлені структури цеолітів типу A і X. На малюнку 5 будова їх адсорбційних областей.
Рисунок 5 – Синтетичні цеоліти типу A та X.
Цеоліти типу X мають у дегідратованому вигляді склад Na2O*A12O3*xSiO2. Мольне відношення SiO2: А12O3 може змінюватися від 2,2 до 3,3. Кожна велика порожнина має чотири входи, утворених 12-членними кисневими кільцями діаметром 8-9Е. Внаслідок цього структура цеолітів такого типу більш відкрита і доступна для молекул, що поглинаються.
Об'єм великої адсорбційної порожнини цеоліту NaX лише незначновідрізняється від відповідної порожнини в цеоліті NaA і дорівнює 822 Е3. Малі порожнини мають той самий обсяг, т. е. 150 Е 3 . Комплекси великих та малих порожнин складають елементарні осередки. У кожному елементарному осередку цеоліту NaX міститься по 8 великих і 8 малих порожнин. Елементарний осередок містить 192 іони алюмінію та кремнію, а також 384 іони кисню; її обсяг дорівнює 7776 А3. Вона містить 256 молекул води. Малі порожнини цеолітів типу X доступні молекул азоту та інших газів. Тому граничний адсорбційний обсяг кристаліту типу X, обчислений з адсорбційних вимірів, близький до розрахованого на основі геометричних розмірів елементарних осередків, тобто 0,356 (NaX) або 0,362 (СаХ) см 3 /г. Цим пояснюється велика адсорбційна здатність цеолітів типу X у порівнянні з цеолітами типу А, що досягається при відносно високих ступенях заповнення.
В результаті дослідження стану катіонів Na і Са в гідратованому фожазиті встановлено, що з 43 катіонів, що припадають на елементарну комірку цього цеоліту, лише 17 знаходяться в локалізованому положенні. Інші катіони характеризуються великою мобільністю, постійно мігрують у порожнинах цеолітів, і така система може розглядатися як електроліт.
Малюнок 3 – Адсорбційні порожнини синтетичних цеолітів типу A та X.
Цеоліти це молекулярні сита, і вони можуть застосовуватися для поділу речовин не тільки на основі вибірковості адсорбції, але і на основі різниці в розмірах і формі молекул, що поглинаються. Для того щоб проникнути в адсорбційну порожнину критичний діаметр молекули адсорбату повинен бути меншим за розмір вхідного вікна.
В основу вітчизняної класифікації цеолітів покладено двозначне позначення. На початку вказують катіон, що входить у грати цеоліту, а потімтип кристалічних грат цеоліту. Зарубіжна класифікація передбачає вказівку визначального розміру цеоліту (діаметр вхідного вікна).