Классификация адсорбентов

 

Различают адсорбенты с неупорядоченной кристаллической структурой и неоднородной пористостью (силикагель, активный оксид алюминия, активные угли) и адсорбенты с однородными порами – цеолиты и молекулярные сита. Наиболее широкое применение среди адсорбентов получили силикагели, что объясняется возможностью варьирования в широких пределах их адсорбционных характеристик, не горючестью, относительной дешевизной. Силикагель – это высушенный гель кремниевой кислоты. Его выпускают в гранулированном и кусковом виде. В зависимости от пористой структуры силикагели подразделяют на мелкопористые и крупнопористые, которые классифицируют по маркам в зависимости от размеров зерен.

Выпускают следующие марки силикагелей:

КСМГ – крупный силикагель мелкопористый гранулированный;

КСКГ – крупный силикагель крупнопористый гранулированный;

ШСМГ – шихта-силикагель мелкопористый гранулированный;

ШСКГ – шихта-силикагель крупнопористый гранулированный;

АСКГ – активированный силикагель крупнопористый гранулированный (более мелкая фракция, остающаяся при получении крупного силикагеля);

КСМК, ШСМК, МСМК, АСМК – кусковые силикагели.

Размер зерен крупного силикагеля 2,8-7,0 мм, шихты 1,0-3,6 мм, мелкого силикагеля 0,25-2,0 мм и активированного 0,2-0,5 мм.

В крупнопористых силикагелях содержится 94% SiO₂ и в качестве примесей Al₂O₃ (0,2-0,5%), Fe₂O₃ (до 0,1%), оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Мелкопористые силикагели в качестве упрочняющей добавки содержат 7-10% Al₂O_3, содержание SiO₂ в них около 89%. Средний диаметр пор мелкопористых силикагелей составляет 1,7-2,8 нм в зависимости от марки, а для крупнопористых силикагелей 14,9-17,2 нм. Наилучшими адсорбционными характеристиками отличается силикагель КСМК – у него наиболее развитая удельная поверхность (~760 м² /г) и мелкие поры (1,7 нм).

Основные преимущества силикагелей: низкая температура, требуемая для регенерации (110-200 ^оС) и, как следствие, более низкие энергозатраты, чем при регенерации других промышленных сорбентов (оксид алюминия, цеолиты); возможность синтеза силикагелей в широком интервале заданных структурных характеристик при использовании достаточно простых технологических приемов; низкая себестоимость при крупнотоннажном промышленном производстве; высокая механическая прочность по отношению к истиранию и раздавливанию.

К полярным адсорбентам относится и оксид алюминия. Использование оксида алюминия позволяет более четко разделять арены на моно-, би- и полициклические и несколько лучше отделять углеводороды от серо-органических соединений [8]. Оксид алюминия получают прокаливанием гидрооксидов алюминия: тригидратов (гиббсита, байерита, нордстрандита) и моногидратов (диаспора, окристаллизованного бемита,гелеобразного бемита,так называемого псевдобемита). Термическая обработка гидрооксидов алюминия приводит к образованию различных форм оксида алюминия.

Достоинствами оксида алюминия являются: термическая стабильность; относительная легкость получения и доступность сырья.

Природные глинистые породы.

Среди адсорбентов значительное место занимают глинистые породы, в состав которых обычно входят минералы с регулярной структурой.

Глинистые минералы можно разбить на три основные группы:

1. Слоистые минералы с расширяющейся решеткой. Основными представителями этой группы являются монтмориллонит и вермикулит. Они относятся к мелко пористым сорбентам. Их структура имеет, по аналогии с гранулированными цеолитами, первичную и вторичную пористость. Удельная поверхность первичных пор достигает 420 – 470 м²/г. Преимущественны й радиус вторичных пор составляет 5 – 10 нм, их удельная поверхность не превышает 60 м²/г.

2. Слоисто-ленточные минералы. Типичными представителями их являются палыгорскит и сепиолит. Первичные поры слоисто-ленточной группы представлены цеолитными каналами 0,37 - 0,64 и 0,56 - 1,1 нм соответственно. Поверхность вторичных пор этих минералов достаточно хорошо развита, в связи с чем адсорбенты активно поглощают высокомолекулярные вещества, в частности, углеводороды.

3. Слоистые минералы с жесткой решеткой. Основными представителями их являются тальк, пирофиллит, гидрослюда, каолинит. Пористость этих минералов обусловлена зазорами между контактирующими частицами, микропоры отсутствуют, удельная поверхность не превышает 150 м²/г.

Под термином “глина” понимают землистый материал с размером частиц не выше 1мкм и высоким содержанием глинистых минералов, который способен давать пастообразные массы различной консистенции. Глинистые материалы как адсорбенты применяют в основном для очистки различных жидких сред от примесей. Как правило, очистка жидких сред сопровождается удалением окрашенных веществ, в результате чего продукт обесцвечивается. Отсюда произошло название “отбеливающая земля”, хотя в некоторых современных процессах применение этих адсорбентов связано с удалением бесцветных веществ. Природные глинистые адсорбенты являются полиминеральными высокодисперсными системами со сложным химическим составом, колеблющимся в широких пределах.

Цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, – отличаются строго регулярной структурой пор, которые в обычных температурных условиях заполнены молекулами воды. Эта вода, названная цеолитной, выделяется при нагревании. Общая химическая формула цеолитов Me_2/n O • Al₂O₃ • x SiO₂ • yH₂O, где Me – катион щелочного металла, а n – его валентность. В природе в качестве катионов обычно в состав цеолитов входят натрий, калий, кальций, реже барий, стронций и магний. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами SiO₄ и AlO₄. Катионы компенсируют избыточный отрицательный заряд анионной частью алюмосиликатного скелета цеолита. Если из цеолита удалить воду, поры могут быть заполнены снова водой или другим веществом, что и предопределяет их использование в процессах осушки, очистки и разделения веществ. Процессы гидратации и дегидратации цеолитов обратимы. Поглощение вещества происходит в основном в адсорбционных полостях цеолитов. Однако не все вещества могут проникать в эти адсорбционные полости и поглощаться в них. Это объясняется тем, что адсорбционные полости соединяются друг с другом входами – окнами и строго определенного размера. Проникнуть через окно могут только те молекулы, критический диаметр которых меньше диаметра входного окна.

Одним из природных цеолитов является клиноптилолит. Он относится к цеолитам типа NaA и имеет предположительный состав 0,9Na₂O • 0,1K₂O • Al₂O₃ • 10SiO₂ • 6,1H₂ O и размер пор 4Ǻ.