7. 2. Фізична та хімічна адсорбція.

Адсорбція розчинених органічних речовин покладена в основну багатьох технологічних процесів. Особливо актуальне використання сорбційних процесів у технології глибокого очищення стічних вод від органічних речовин.

Адсорбція органічних молекул з водних розчинів залежить від різниці між енергією адсорбційної взаємодії молекул компонентів розчину з атомами поверхні адсорбенту та енергією взаємодії органічної молекули з молекулами води, що утворюють за допомогою системи водневих зв'язків упорядковану структуру рідини. Ця взаємодія визначає розчинність органічної речовини та енергію, що перешкоджає переходу органічної молекули з водного оточення на поверхню поділу фаз. У водних розчинах вона значною мірою визначається структурою рідкої води і змінами структури, що виникають під час розчинення у воді органічних речовин. Зв'язок молекул розчиненої речовини з розчинником виявляється насамперед у величинах розчинності та зміні розчинності речовини з температурою. Тому адсорбція розчинених речовин істотно залежить від їх розчинності, що вже давно знайшло відображення у відомому правилі Траубе, згідно з яким у гомологічному ряді аліфатичних карбонових кислот добуток кое­фіцієнта розподілу речовин між розчином і твердим сорбентом К на розчинність цієї речовини Cs є сталою величиною, тобто KCS = const. Справедливість правила Траубе була показана і для адсорбції деяких інших гомологічних рядів. Пізніше було встановлено, що зміна адсорбції з температурою також підкоряється пра­вилу Траубе.

У зв'язку з цим доречно розглянути сучасні уявлення про вплив на струк­туру рідкої води молекул органічних речовин і про зв'язок цієї структури з розчинністю органічних сполук. Рентгенографічним методом установлено, що в найближчому оточенні кожної молекули рідкої води знаходиться в середньому 4,4—4,8 молекул Н20, що взагалі узгоджується з твердженням, яке висловили ще Бернал і Фаулер про тетраедричну структуру води на дуже близьких відстанях, правда, дещо змінену порівняно з кристалічною структурою льоду. Ця структура існує до відстані 1,6 діаметра молекули води від молекули, що розглядається як центральна, а вже на відстані 0,8 нм упорядкованість структури рідини практично зникає. Міцність водневих зв'язків у рідкій воді менша, ніж у кристалі льоду, і ці зв'язки можуть значно згинатися і розтя­гуватися, не розриваючись під час обертання однієї молекули відносно іншої, яка бере участь в утворенні водневого зв'язку.

Схема адсорберу безперервної дії з секціонуванням шару адсорбенту.

1 – опорні гратки;

2 – роздільні гратки; 3 – адсорбент; 4 – жолоб для очищеної води; 5 – підживлювальна лійка сухого дозування вугілля; 6 - ерліфт; 7 – шар гравію.

На малюнку наведена принципова схема адсорбенту безперервної дії з секціонуванням шару адсорбенту. Висота псевдо рідкого шару в адсорбенті підтримується сталою, що досягається завдяки відведенню відпрацьованого активованого вугілля через спеціальний патрубок у вуглеущільнювач. В однокамерних апаратах циркуляція твердої ази в усьому об’ємі апарата призводила, з одного боку, до зниження рушійної сили процесу, а з другого – до нерівномірності часу перебування часточок адсорбенту і звідси до різного ступеня відпрацювання активованого вугілля. Для усереднення цих недоліків застосовують секціонування псевдо рідкого шару. При цьому досягаються дві мети: наближення характеру  перебігу процесу до умов ідеального витіснення очищувальної рідини та усунення нерівномірності перебування часточок у шарі.

  Ці апарати мають такі переваги: можливість використання зерен адсорбенту відносно малих розмірів (0,2 – 1 мм), тобто часточок активованого вугілля з розвиненою поверхнею;

Невеликий гідравлічний шарівський опір;

Можливість створення відносно простих конструктивно та надійних в експлуатації апаратів великої потужності.

Хемосорбція — звичайна хімічна реакція, що відбувається на поверхні адсорбенту і супроводжується вивільненням теплоти, еквівалентної теплоті хі­мічної реакції.

Найчастіше для глибокого очищення стічних вод від органічних речовин застосовують процес фізичної адсорбції на вуглецевих сорбентах. Це зумовлено тим, що енергія вандерваальсової взаємодії молекул органічних речовин з. атомами Карбону, які утворюють поверхню вуглецевих тіл, набагато більша, ніж енергія взаємодії цих атомів з молекулами води. Адитивність енергії диспер­сійної взаємодії органічних речовин з вуглецевими сорбентами часто дає змогу попередньо обчислити адсорбційні рівноваги органічних речовин.

У разі адсорбції молекул газів чи пари ступінь заповнення ними поверхні адсорбенту залежить від величини рівноважного тиску, тобто від концентрації молекул у газовій фазі. Якщо ж адсорбція відбувається з розчинів, поверхня адсорбенту, зануреного в рідину, завжди повністю вкрита молекулами компо­нентів розчину, тобто відносний ступінь заповнення поверхні поділу фаз сумою молекул усіх видів (в) завжди дорівнює одиниці і не залежить від концентрації розчину. В адсорбційному шарі відбувається лише перерозподіл молекул компонентів розчину відповідно до енергії їх взаємодії з адсорбентом. Тому для кожного з компонентів розчину відносна величина заповнення поверхні поділу фаз, іншими словами, відношення величини поверхні, зайнятої молекулами однієї речовини, до загальної величини поверхні поділу є функцією рівноважної концентрації молекул органічної речовини в адсорбційному шарі і в рівно­важному розчині характеризує вибірковість адсорбції цієї речовини з водного розчину.

Схема безперервної адсорбційної установки

1 – усереднювач; 2 –насос; 3 – фільтр; 4 – 6 – колони; 7 – ємність.