吸着精製。 吸着とその特徴

吸着 (吸着; ラテン語のアドオン、ウィズ、ソルベオ - 吸収） - 固体または液体の表面による気体、蒸気、または溶解物質の吸収。その表面で吸着が起こる物体は吸着剤と呼ばれ、吸着された物質は吸着剤または吸着剤と呼ばれます。吸着する。 固体（木炭）によるガスの吸着は、1773 年にスウェーデンの化学者 C. W. シェーレによって発見され、独立して 1777 年にイタリアのフォンタナによって発見されました。 木炭による溶液からの物質の吸着 - 1785年、ロシアの化学学者T. E. ロヴィッツ。 液体の表面での吸着の可能性と、この現象と表面張力の関係は、1876 年にアメリカの数学者で物理学者の J. W. ギブスによって初めて理論的に証明されました。その後、吸着は非常に一般的な現象であり、ほとんどの場合に発見されることが示されました。気体、蒸気、溶解物質が液体または固体の表面と接触するあらゆる場所。

物理吸着と化学吸着は区別されます。 最初のケースでは、吸着された分子はそれぞれの個性を保持します。 化学吸着 (化学吸着とも呼ばれます) では、吸着された物質の分子が吸着剤の表面と化学結合を形成します。 通常単に吸着と呼ばれる物理吸着は、吸着平衡の確立で終わる可逆プロセスであり、吸着平衡では、吸着速度が逆プロセスである脱着の速度に等しくなります。 化学吸着は通常不可逆的です。

吸着には、吸着剤の細孔内での吸着剤蒸気の吸収 (参照)、化学吸着、凝縮が伴うことがよくあります。 これらすべての場合において、複雑な吸収プロセスは収着と呼ばれます (参照)。

気体または別の液体に隣接する液体表面の吸着量は直接測定されませんが、ギブス方程式を使用して計算されます。

ここで、G は液体表面 1 cm 2 あたりの吸着物質のモル量、C は液体中の吸着剤のモル濃度、R はクラペイロン・メンデレーエフの式からの気体定数、T は絶対温度、Δσ ΔC による吸着剤の濃度変化に対応する表面張力の変化です。

固体吸着剤上のガスまたは溶解物質の吸着量は直接測定され、吸着剤 1 g あたりの吸着物質のモル数で表されます。 吸着されたガスの量は通常、ガスを吸収した吸着剤の重量増加によって決まります。 溶解物質の吸着量は、溶液中の濃度の減少によって決まります。

一定温度における吸着値の吸着剤の平衡濃度への依存性をグラフまたは式の形で表したものを吸着等温線と呼びます。 図では、 典型的な実験的な吸着等温線を示します。 非常に低濃度では、吸着の大きさは濃度に比例し、低濃度領域における吸着等温線の直線過程で表されます。 さらに濃度が高くなると吸着量の伸びは鈍化します。 非常に高濃度では、吸着値は限界値に達します。これは、単分子吸着層を形成する吸着剤分子による吸着剤表面の飽和によって説明されます。 吸着層が高分子である場合、または吸着が毛細管凝縮によって複雑になる場合 (「吸着」を参照)、吸収等温線はより複雑な形式になります。

実際には、平均濃度での吸着等温線を分析的に表すには、通常、フロイントリヒ方程式が使用されます。

a = kcn、

ここで、a は吸着剤 1 g あたりのモル単位の吸着値、c は 1 リットルあたりのモル濃度、k と n は定数です。 定数 k は、数値的には濃度 1 での吸着値に等しくなります。 その値は、x 軸の上の曲線の高さを決定し、吸着剤と吸着剤の性質に応じて広い範囲内で変化します。 定数 n は等温線の曲率を決定します。 その数値は吸着剤や吸着剤の性質によってほとんど変化せず、0.1 ～ 0.6 の範囲です。 フロイントリヒ方程式は放物線としてグラフで表されます (図)。

より広範囲の濃度では、ラングミュア方程式がより頻繁に使用されます。

ここで、a と c はフロイントリヒ方程式と同じ値を持ち、a∞ と α は定数であり、その数値は吸着剤と吸着剤の性質に依存します。 それらの定数は吸着の限界値に等しく、吸収体表面が吸着剤分子で完全に飽和することに対応します。 定数 α は、吸着速度定数に対する脱着速度定数の比に等しい。

吸着剤の濃度に加えて、吸着の大きさは吸着剤と吸着剤の性質によって異なります。 吸収材の比表面積が大きくなると吸着力も大きくなります。 同じ同族系列の有機物質の場合、炭化水素鎖がCH 2 基1つ増えると吸着値は約3倍に増加します(Duclos-Traube則)。 一般に、吸着量は温度が上昇すると減少します。 溶液からの吸着量は溶媒の性質によって異なります。物質が特定の溶媒によく溶けるほど、その溶媒からの吸着は悪くなります。

強電解質溶液からの吸着は次のタイプに分類されます。 等価吸着では、電解質の陽イオンと陰イオンが等量で吸着されます。 選択的吸着 - この場合、電解質のカチオンまたはアニオンのいずれかが選択的に吸着されます。 吸着剤の表面はそれぞれプラスまたはマイナスの電荷を帯びます。 イオン交換吸着は、吸着剤と溶液の間のカチオンまたはアニオンの交換です (イオン交換体を参照)。

飽和吸着層では、例えば水溶液の表面に吸着分子が配向し、吸着分子の極性基が溶液中に浸漬されます。 飽和吸着層における分子の配向の概念は、生体膜の構造の研究において重要な役割を果たしました。

吸着現象の実用的意義は非常に大きい。 吸着は布地の染色や革のなめしなどの基礎となります。 吸着は、細胞や組織による物質の吸収プロセスの初期段階です。 酵素と基質、抗体と抗原の相互作用、生体膜の分極と脱分極のプロセスも吸着と密接に関連しています。

吸着は、多くの触媒反応 (「触媒」を参照) の過程およびコロイド溶液の化学において主要な役割を果たします。

多くの吸着剤 (石炭、カオリン、水酸化鉄、イオン交換樹脂など) は、胃腸管に侵入した毒物や毒素を結合するための解毒剤 (参照) として、また鼓腸時の腸内ガスの吸着 (参照) として使用されます。 ）。 活性炭は、軍用および産業用ガスマスクの吸着剤として使用されています。 吸着技術では、医薬品などの物質の精製、貴重な揮発性溶媒の再生、複雑な混合物の分離と分析に使用されます (クロマトグラフィーを参照)。

参考文献:アダム N.K. 表面の物理学と化学、トランス。 英語から、M.-L.、1947年。 ブレーダーグレン V. 医学と生物学における物理化学、トランス。 ドイツ人M.より、1951年。 ブルナウアー S. ガスと蒸気の吸着、トランス。 英語、第 1 巻、M.、1948 年、参考文献から。 Mak Ben D.V. 固体によるガスおよび蒸気の収着、トランス。 英語より、M.-L.、1934年。

吸着 (ラテン語の ad - on、with および sorbeo - 吸収から)

k.-lの吸収。 表面層が液体または固体である気体媒体または溶液からの物質。 たとえば、石炭を酢酸水溶液に入れると、A. が起こります。溶液中の酸の量が減少し、酸分子が石炭の表面に集中します。 A. 吸収と - 体内の吸収は、一般用語「収着」の下でまとめられます。 A. の現象は 18 世紀後半に研究され始めました。 (シェーレ , 1773)、人類の実際の活動において、A. が太古の昔から使用されてきたことに疑いの余地はありません。 A. の教義は、多成分異種システムのより一般的な理論の一部であり、その基礎は W. Gibbs (1876) によって築かれました。 A.の現象は、表層の物質の特殊な性質と密接に関係しています。 たとえば、液体と気相の界面にある分子は、液体の中に引き込まれます。これは、蒸気分子よりも液体の体積内にある分子からの引力が大きく、その濃度は気相の濃度よりも何倍も低いためです。液体の。 この内部引力により表面が収縮し、表面張力によって定量的に特徴付けられます (「表面張力」を参照)。 同じ理由で、表面近くにある他の物質の分子もそれに引き寄せられ、A が発生します。A の後、内部引力は吸着層からの引力によって部分的に相殺され、表面張力が減少します。 。 ギブスは、A の値と表面張力の変化を関連付ける式を導き出しました。

表面に吸着する物質を吸着剤、バルク相から吸着する物質を吸着質といいます。 吸着分子と吸着剤の間の相互作用の性質に応じて、吸収は通常、物理吸収と化学吸着に分けられます。 耐久性の低い物理酸素は、吸着分子の大きな変化を伴いません。 これは、液体や一部の結晶内の分子を結合する分子間相互作用の力によって引き起こされ、高度に圧縮されたガスの挙動として現れます。 化学吸着中、吸着質分子と吸着剤分子は化合物を形成します。 多くの場合、霧化は物理的力と化学的力の両方によって決定されるため、霧化と化学吸着の物理学の間に明確な境界はありません。

物理的に吸着された分子は表面上を多かれ少なかれ自由に移動し、その特性は多くの場合、いわゆる非常に薄いガス層の特性に似ています。 二次元気体。 それらはグループに集まり、二次元液体または二次元固体の層を形成することがあります。 吸着された分子は遅かれ早かれ表面から離れ、脱着します。 分子が表面上にある時間を時間 A と呼びます。時間 A は非常に広い範囲内で変動する可能性があります。 吸収速度 (それぞれ、脱着速度) は、単位時間あたりに吸着 (または脱着) される分子の数であり、両方の量の値は吸着剤の単位表面積または単位質量に関連します。 化学吸着の速度は、他の化学プロセスの速度と同様、ほとんどの場合、温度の上昇とともに増加します (いわゆる活性化収着、「化学吸着」を参照)。 吸収速度と脱着速度が等しい場合、吸着平衡が確立されていると言われます。 平衡状態では、外部条件 (圧力、温度など) が変化しない限り、吸着された分子の数は無期限に一定のままです。

吸着分子は吸着剤の表面に沿って移動するだけでなく、振動をしながら、あるときは吸着剤の表面に近づき、あるときは吸着剤の表面から遠ざかります。 温度が高くなるほど振動運動は激しくなり、したがって、そのような振動中に分子と表面の間の結合が壊れ、分子が脱離する可能性が高くなります。 このため、温度が上昇すると、吸収時間と吸着分子の平衡数が減少します。

体積内の吸着質の濃度または圧力が増加すると、吸着質分子が吸着剤の表面に衝突する頻度が増加します。 それに比例して吸着速度が速くなり、平衡吸着分子数が増加します。 一定温度における吸着質の濃度または圧力に対する平衡酸素の依存性を示す曲線は、酸素等温線と呼ばれます。

吸着物が 1 分子の厚さの層で表面を覆っている場合、その吸着物は単分子と呼ばれます。 単分子酸素の最も単純な等温線は、吸着質圧力を横軸にプロットした座標原点から伸びる直線です。 R、縦軸は表面充填度 Θ , つまり、吸着された分子によって覆われた表面の割合。 これはいわゆる ヘンリーの等温線:

比例係数 k は、主に温度と吸着剤と吸着物の相互作用の性質に依存します。

ヘンリーの方程式は、均質な表面の充填度が非常に低い場合に有効です。 充填度が増加するにつれて、吸着分子間の相互作用とその表面移動度の強度がますます重要な役割を果たし始めます。 吸着質分子が互いに引き付けられる場合、新たに吸着された各分子は、吸着質分子と以前に吸着された分子の両方からの引力を受けます。 したがって、表面が満たされると、吸着された分子を保持する力が増加し、吸着の条件がますます有利になります。 この場合、圧力が増加するにつれて、等温線はますます急峻に上昇します (参照)。 曲線1 ）。 しかし、表面が新たに吸着された分子で満たされると、表面上に空いている (他の吸着分子によって占有されていない) 場所を見つけることがますます困難になります。 したがって、圧力が増加すると、A. の成長は遅くなり、被覆度は 1 に等しい一定値になる傾向があります (参照)。 曲線2 , これは、吸着分子の相互引力がない場合に特徴的です)。 これらの要因の両方が作用すると、凹凸等温線が得られます (参照)。 曲線3 ).

凸等温線 (を参照) 曲線2 ) はラングミュア方程式で記述されることが多い

ここで、 - 物理的な意味ではヘンリー定数 k に似た吸着係数。 ラングミュアの方程式は、吸着物分子間の引力と表面に沿った移動度を無視できる場合、均質な表面上の単分子酸素に対して有効です。

さらに圧力が上昇すると、第 2 層、第 3 層などの層が充填されます。つまり、吸着剤の細孔が狭く、吸着質によって濡れた場合には、高分子 A が発生します (「湿潤」を参照)。 , その場合、吸着質の飽和蒸気圧よりも低い圧力で細孔内で凝縮が発生する可能性があります。 この現象は毛細管凝縮と呼ばれます (毛細管凝縮を参照)。 固体吸着剤 (「吸着剤」を参照) の表面は、吸着特性が不均一であることがほとんどです。表面の一部の領域では吸着性が高く、他の領域では吸着性が悪くなります。 低圧では、表面の最も活性な領域で酸素が優勢になりますが、圧力が上昇すると、活性の低い領域が満たされます。 ただし、厳密に言えば、霧化は表面全体で同時に起こり、実験的に得られる等温線は、特定の種類の表面に対応する等温線の和になります。 このため、単分子酸素の実験等温線は、図に示した曲線とは大きく異なる可能性があります。 米。

ほとんどの場合、摩耗のプロセスにはアルミニウムの熱と呼ばれる熱の放出が伴いますが、摩耗の熱だけが摩耗の強度を特徴付ける要因ではありませんが、多くの場合、研磨材が強力であればあるほど、その強度も大きくなります。熱。 化学吸着熱は通常数十 kcal/mol、物理的な熱が10を超えることはほとんどありません kcal/mol(40 kJ/モル）。 不均質な表面が満たされると、通常、大気の熱が減少します。 多分子酸素の領域に移動すると、酸素の熱は吸着物の凝縮熱に近い値まで減少します。

A. 気体、液体、固体間の熱交換において重要な役割を果たします。 たとえば、高温の表面に吸着されたガス分子は、表面温度に対応するエネルギーを獲得し、脱離後、このエネルギーを他のガス分子に与えて加熱します。 これは唯一ではありませんが、熱交換の重要なメカニズムです。

A. コロイド系の安定化における決定的な要因の 1 つです (「分散系」を参照) , ミセル、凝固）、および不均一系、特に不均一触媒反応における反応の最も重要な段階の 1 つです（トポケミカル反応、触媒を参照）。 生体系では、A. は、環境からのさまざまな物質の超顕微鏡的なコロイド構造、細胞小器官、細胞および組織による吸収の第一段階、生体膜の機能、酵素と基質の相互作用の第一段階、酵素に対する保護反応です。有毒物質、吸収プロセス - これらはすべて A に関連しています。多くの吸着剤 (活性炭、カオリン、イオン交換体など) は解毒剤として機能し、消化管に入る有害物質を体内から吸収して除去します。 A. 気体と液体の混合物の分離、気体と液体の乾燥と浄化（たとえば、防毒マスク内の空気の浄化）に使用されます。 A. の最も古い用途の 1 つはワインの精製です。 科学と技術では、分析混合物の成分の酸化能力の違いに基づいて、クロマトグラフィー分析法が非常に重要になってきています (クロマトグラフィーを参照)。 A. ビタミン、酵素、ホルモン、抗生物質などの生物学的に活性な物質の生産と精製にも使用されます。

布地を染色するとき、印刷業界は A. 染料の分子を扱います。 ポリマーの製造では、吸着剤が充填剤として使用されます。 真空技術では、排気された装置の壁にあるアルミニウムは排気速度を低下させ、真空を悪化させます。しかし、一方で、さまざまな収着ポンプの動作は、無線電子技術におけるアルミニウムの現象に基づいています。業界では、アルミニウムは半導体デバイスの電気的特性を安定させるために使用されます。 一般に、表面特性が重要となるすべての現象やプロセスにおいて、アルミニウムは重要な役割を果たします。

V.I. シムリス。

ソビエト大百科事典。 - M.: ソビエト百科事典. 1969-1978 .

吸着 原動力

表面上の物質。

物理吸着。吸着層は、ファンデルワールス力などの弱い原子間結合によって表面に結合されています。 物理吸着熱は一般に小さく、数十 kJ/mol (約 40 kJ/mol) を超えることはほとんどありません。 物理吸着プロセスは可逆的で非活性化されており、吸着分子が固体または液体の表面に現れるとすぐに非常に急速に進行します。 ほとんどの場合、物理吸着は表面と気相の相互作用に関連しています。 吸着されるガスの量は、圧力が低下し、温度が上昇すると減少します。

に R

R

(A)と温度（ b）（本文中の説明）

どこ あ に式(2.5)において。

吸着プロセスでは、ほとんどの場合、吸着熱と呼ばれる熱の放出が伴います。 吸着層の強度は吸着熱に比例します。

図 2.1 では、 b

化学吸着。化学吸着は、化学化合物の形成を伴う、液体または固体の表面による環境からの物質の吸収プロセスです。 化学吸着中に、かなりの量の熱が放出されます。 通常、化学吸着熱は 80 ～ 125 kJ/mol の範囲にあります。 酸素と金属の相互作用 (酸化) により、発熱量が大幅に増加し、400 kJ/mol に達します。

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化学における吸着

導入

吸着は、固体の表面または細孔容積、つまり吸着剤によって、ガス、蒸気、または溶液の混合物から物質が吸収されるプロセスです。

吸着現象は非常に古くから知られていました。 人間社会が誕生して以来、水を浄化するために砂や土などの自然素材が使われてきました。 18 世紀の終わりに、K. シェーレとフォンタナは、新たにか焼した木炭がその体積の数倍の体積でさまざまなガスを吸収する能力を発見しました。 吸収される体積の量は石炭の種類とガスの性質に依存することがすぐに明らかになりました。 それらの。 ロヴィッツは 1785 年に液体媒体中の石炭の吸着現象を発見し、それを詳細に研究し、医薬品、アルコール、ワイン、有機化合物の精製に石炭を使用することを提案しました。 ロヴィッツ氏は、木炭が腐った水をすぐに浄化し、飲めるようにすることができることを示しました。 そして現在、浄水フィルターの主な動作原理は炭素材料であり、もちろん天然石炭よりも最新のものです。 N.D.は空気中の有害物質を吸着する技術を利用しました。 第一次世界大戦中にガスマスクを作成したゼリンスキー。

固体表面へのガスの吸着は、食品産業の一部の分野、つまり油脂産業 (マーガリンの製造など) や発酵産業 (酵母の製造など) でプロセスを精製するために使用されています。有害物質が大気中へ放出されるのを防ぐためにガス流を遮断します。 水蒸気の吸収は、固体吸着剤として機能する多孔質物質上で起こります。 砂糖、塩、クラッカーに関しても同様のプロセスが観察されます。

吸着とその種類

生鮮食品の保管施設のガス組成を調整する吸着法により、損失を数倍削減し、保存期間を延ばすことが可能になります。 さまざまな食品の酸、特にクエン酸の吸着により、ほとんどのソフトドリンクの表面張力が水と比較して低下します。 液体と気体の界面での物質の吸着は、フォームの安定性に寄与します。 同様のプロセスが、発酵産業でも酵母やその他の中間生成物の生産中に行われます。 さまざまな表面の水濡れを高めることは、機器の洗浄、原材料の準備、半製品の加工などの付随プロセスとして産業界で広く使用されています。 固液界面での吸着は、液体（砂糖、植物油、ジュースの製造における拡散液など）の不純物からの精製に広く使用されています。

吸着力の理論の発展は、気体と固体の既知の物理化学的性質から、実験研究を行わずに吸着等温線を計算できる段階にはまだ達していません。 したがって、特定の吸着モデルに対応するさまざまな理論方程式を使用して実験等温線を説明する試みに膨大な数の研究が費やされています。 吸着等温線の理論式が実験データをよく再現すれば、さまざまな条件（p および T）下で未知の吸着値を計算し、固体のさまざまな幾何学的パラメーターを決定することが可能になります。 吸着等温線の最も一般的な理論方程式のいくつかだけを考えてみましょう。

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食品製造における吸着

ガス、蒸気、または溶液の混合物から 1 つまたは複数の成分が固体物質 (吸着剤) の表面に吸収されるプロセスは、吸着と呼ばれます。 吸着プロセスは、吸収プロセスと同様に選択的です。つまり、特定の成分のみが混合物から吸収されます。 吸収と同様に、吸収された物質は、たとえば加熱することによって吸着剤から放出されます。 この再生 - 吸収剤の再生のプロセスは、脱着と呼ばれます。

吸収と吸着のプロセスは、見た目は似ています。 それらの違いは、ある場合には物質が液体の体積全体に吸収されるのに対し、他の場合には固体吸収体の表面のみである吸着剤に吸収されることです。

食品業界では、蒸留業界での水とアルコールの混合物の精製、ワイン、ジュース、その他の飲料の精製と安定化に吸着が使用されます。 甜菜糖の生産では、吸着により、飽和時の拡散液の主な精製と、結晶化前の砂糖シロップの変色が確実に行われます。

吸着時の平衡

吸着剤に吸収される物質の量は、蒸気とガスの混合物または溶液中の吸収される物質の濃度、およびプロセスが実行される温度に依存します。 吸着の平衡条件

式 (7.75) および (7.76) に対応する平衡線は、収着等温線と呼ばれます。 収着等温線 (図 26) は実験データに基づいてプロットされています。 吸着等温線の性質は、吸着剤の比表面積、細孔容積、細孔の構造と分布、吸着物質の特性、そしてもちろん温度など、多くの要因に依存します。

吸着プロセスの駆動力は、気相または液相における吸着物質の作用濃度と平衡濃度の差として定義されます。

連続吸着プロセスの操作線は式 (7.6) に対応します。

吸着プロセス中に熱が放出され、システム内の温度が上昇し、吸着剤の活性が低下します。 したがって、プロセスの速度を維持するために、工業用吸着装置は吸着剤を冷却します。

吸着剤

吸収される物質の量は吸収体の表面積によって異なります。 したがって、吸着剤は固体中に多数の細孔が形成されることにより、非常に発達した表面を持ちます。

活性炭。 これは最も一般的な吸着剤です。 木材を乾留し、その後約900℃の温度で活性化・焼成して得られます。 1 g の活性炭の総表面積は 600 ～ 1700 m2 です。 活性炭は動物の骨やその他の炭素含有物質からも得られます。 活性炭のサイズはブランドに応じて 1 ～ 5 mm の範囲です。 活性炭は、水蒸気よりも有機蒸気をよく吸収します。 活性炭の欠点は、機械的強度が低いことと可燃性であることです。

シリカゲル。 この吸着剤は、ケイ酸ゲルを脱水し、ケイ酸ナトリウム（液体ガラス）を鉱酸またはその塩の酸性溶液で処理することによって得られます。 シリカゲル顆粒の大きさは0.2～7mmの範囲です。

1 g のシリカゲルの総表面積は 400 ～ 770 m2 です。 シリカゲルは、空気やガスからの水分だけでなく、有機物質の蒸気も効果的に吸収します。 したがって、湿気に敏感なデバイスや材料を保管するために梱包する場合、シリカゲル顆粒が使用されることがあります。 活性炭とは異なり、シリカゲルは不燃性であり、機械的強度に優れています。

ゼオライト。 これらは、D. I. メンデレーエフの周期表の第 1 族と第 2 族の元素のカチオンの多孔質水性アルミノケイ酸塩です。 それらは自然界で発見され、採石によって採掘されます。 産業界では、非常に均一な構造を持ち、大きな分子のサイズと比較できる細孔サイズを備えた合成ゼオライトがよく使用されます。 したがって、ゼオライトは精密濾過膜の特性を備えています。

ゼオライトは水分の吸収能力が高いため、水分含有量の低いガスや空気の深部乾燥に使用されます。 工業用ゼオライト顆粒のサイズは通常 2 ～ 5 mm です。

イオナイト。 これらは天然および人工の吸着剤であり、その作用は精製される溶液との化学的相互作用に基づいています。 イオン交換体を使用するプロセスは、化学反応を伴う化学吸着 - 吸着として分類する必要があります。 酸性活性基を含み、可動陰イオンを電解質溶液と交換するイオン交換体は、陰イオン交換体と呼ばれます。 主要な活性基を含み、移動カチオンを交換するイオン交換体は、カチオン交換体と呼ばれます。 陰イオンと陽イオンを同時に交換できる非晶質イオン交換体のグループがあります。 イオン交換樹脂は産業界で最も広く使用されています。 したがって、製糖工場の生産では、シロップを脱色するためにイオン交換樹脂が使用されます。 樹脂は水処理にも使用される場合があります。 イオン交換体の合成における最近の進歩により、例えば原料アルコールから精留アルコールを製造するなど、非伝統的な技術での使用の成功が期待できます。

ベントナイト、珪藻土、カオリンなどの微細粘土は、ワインの清澄など、食品業界で天然の吸着剤として使用されています。 魚のり（ゼラチン）などが同じ目的で使われます。

吸着剤の計算

吸着体の計算手順は、吸収体の計算手順と同様です。 そして、決定が容易な固定物質移動表面のみが、濃度変化のステップ数を決定することなく、いくつかの動力学方程式を使用し、装置の必要な寸法をより正確に計算することを可能にします。

マテリアルバランス。 吸着プロセスの物質収支方程式は、方程式 (7.3) に対応します。

吸着プロセスの反応速度論。 吸着中の物質の吸収プロセスは、一般に、固相を含むシステムの基準方程式によって説明されます。

吸着中に放出される熱量。 比吸着熱 g (J/mol) は通常実験的に決定され、さまざまな物質の参考書に記載されています。 実験データがない場合は、次の式を使用できます。

物理的および化学的吸着

吸着– 固体または液体の表面層による、溶液または気体からの物質の吸収。 原動力 このプロセスは、表面上に補償されていない原子間相互作用の力が存在し、これにより吸着物質 (吸着質) の分子が引き付けられます。 表面エネルギーが減少するだけでなく、表面に異なる組成の膜が形成されます。

原子的にきれいな表面の熱力学的状態は、吸着プロセスの活発な発生を促進します。 きれいな金属表面には 1 cm2 あたり約 105 個の吸着位置が含まれることが知られています。

物理吸着と化学吸着を区別する表面上の物質。 インターフェースでの中間タイプの対話も可能です。

物理吸着。吸着層は、ファンデルワールス力などの弱い原子間結合によって表面に結合されています。 物理吸着熱は一般に小さく、数十 kJ/mol (約 40 kJ/mol) を超えることはほとんどありません。

物理吸着プロセスは可逆的で非活性化されており、吸着分子が固体または液体の表面に現れるとすぐに非常に急速に進行します。 ほとんどの場合、物理吸着は表面と気相の相互作用に関連しています。 吸着されるガスの量は、圧力が低下し、温度が上昇すると減少します。

単分子吸着の最も単純な方程式は、Henry と Langmu によって提案されました。ラム酒 ヘンリー方程式 (ヘンリー等温線と呼ばれる)

ここで、Θ は吸着剤分子による吸着剤の均一な表面の充填度であり、 に- 比例係数は主に温度と吸着剤との相互作用の性質に依存します。 R- 圧力、吸着剤分子による吸着剤の均一な表面の充填度が非常に低い場合に有効です。

ヘンリー等温線は直線 1 (図 2.1、a) です。 圧力が高まるにつれて R吸着された単分子層の成長が遅くなります。 吸着分子は、吸着剤表面のまだ占有されていない空間に付着するのが困難です。

図2.1 吸着物質量変化の圧力依存性 (A)と温度（ b）（本文中の説明）

等温線は凸 2 になり、 の値は 1 に近づく傾向があります (図 2.1、a を参照)。凸等温線はラングミュア方程式で記述されます

どこ あ– 吸着係数。物理的な意味では定数と同様です。 に式(2.5)において。

ラングミュア方程式は均質な表面上の単分子吸着に対してのみ有効であり、吸着質分子同士の引力や吸着剤の表面に沿った分子の移動性の可能性は無視されることに注意してください。 吸着質の圧力がさらに上昇すると、第 2 層、第 3 層およびその他の層が充填されます。 このプロセスは高分子接着に変わります。

固体吸着剤の表面は一般に不均一です。 吸着に有利な領域もあれば、その逆の領域もあります。 吸着質の圧力が増加すると、高分子の吸着がさまざまな強度で表面全体に同時に発生します。

吸着プロセスでは、ほとんどの場合、吸着熱と呼ばれる熱の放出が伴います。

吸着層の強度は吸着熱に比例します。 高分子吸着に移行すると、吸着熱は吸着物の凝縮熱に近づきます。

温度条件は物理吸着プロセスの進行に大きな影響を与えます。 温度の上昇に伴う表面上の分子の移動度が高くなるため、結果として得られる層が脱離します。 さらに温度が上昇すると、物理吸着がより強い結合を持つ化学吸着、つまり化学吸着に変化する可能性があります。

図 2.1 では、 b一定圧力におけるガス状媒体の吸着の温度に対する定性的依存性を示します。 低温では、等圧線 1 は物理吸着を表します。 特定の温度に達すると、物理吸着から化学吸着への移行プロセスが可能になります。 吸着物質は成長します（曲線２）。 表面全体が吸着物で満たされると、吸着物の量は再び減少し始めます (曲線 3)。 領域 1 での吸着は可逆的であり、領域 2 での吸着は不可逆的です。 システムが冷えると、プロセスはエリア 3 からエリア 4 に移動します。

物理吸着中の表面上の弱い原子間結合は、明らかに、表面原子の補償されていない結合をある程度平衡させることができる。 したがって、自由表面エネルギーのレベルが大幅に低下することは期待できません。コーティング用に製品の表面を準備するときは、物理吸着物質 (固体、液体、気体) の弱い結合を考慮する必要があります。

化学吸着。化学吸着は、化学化合物の形成を伴う、液体または固体の表面による環境からの物質の吸収プロセスです。 化学吸着中に、かなりの量の熱が放出されます。 通常、化学吸着熱は 80 ～ 125 kJ/mol の範囲にあります。

物理的および化学的吸着

酸素と金属の相互作用 (酸化) により、発熱量が大幅に増加し、400 kJ/mol に達します。

化学反応と同様に、化学吸着の発生には大きな活性化エネルギーが必要です。 したがって、温度が上昇すると、化学吸着プロセスが加速します。 いわゆる活性吸着が起こります。 化学吸着は選択的なプロセスであり、温度とともに反応速度を決定する吸収剤と吸着質の化学親和性に依存します。 たとえば、ガスが純粋な金属または金属のような表面と相互作用すると、表面原子の結合の弱い飽和に関連した非常に急速な化学吸着が観察されます。 化学吸着は活性化エネルギーの最小値で発生します。固体表面上の化学吸着は、粒子の結晶方位、さまざまな欠陥の存在などに依存します。 化学吸着は、表面の最も活発な領域から始まります。一般に、化学吸着は、表面全体が吸着質の単分子層で覆われるまで起こると考えられています。 物理吸着と比較して、化学吸着は環境圧力の影響を受けやすくなります。

表面に化学吸着されたフィルムが存在すると、表面原子の未補償のダングリングボンドのバランスがほぼ保たれます。 この場合、表面エネルギーは最小値に達します。これは、コーティング用に表面を準備するときに考慮する必要があります。 化学吸着された表面化合物 (汚染物質) を除去するには、大量のエネルギー投入が必要です。

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吸着剤の使用の禁忌

薬は医師の勧めに従って服用し、その指示に従ってください。 腸内吸着剤の摂取に対する主な禁忌は、個人の不耐性です。 活性炭製剤は、胃出血、消化管の潰瘍性病変などの場合には使用できません。 リグニン製剤 – 炭水化物代謝障害、酸性胃炎、便秘傾向に。 吸着剤を経口摂取する場合、同時に摂取した他の薬剤の効果が低下する可能性があることに注意する必要があります。 したがって、吸着剤と他の薬の服用の間に間隔を開けることが重要です。

吸着精製

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最新の薬剤ネオスメクチン®は、さまざまな原因による下痢、鼓腸、胸やけ、膨満感、腹部の重さを解消するのに役立ちます。 ネオスメクチン® は 2 つの方向に作用します。

消化障害を引き起こす要因の排除に役立ちます

病原性微生物叢、腸内ガス、毒素が消化不良を引き起こすことがあります。 ネオスメクチン® はそれらを吸着し、体からの除去を促進します。 したがって、この薬は症状を取り除くのではなく、消化器系の問題を引き起こす可能性のある要因自体を取り除くのに役立ちます。

胃腸の粘膜を保護する

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プロセス 自発的界面におけるガスまたは溶解物質の濃度を呼びます。 吸着。 接触する相の性質に応じて、境界での吸着は、気体 - 固体、気体 - 液体、液体 - 固体、および液体 - 液体に区別されます。

1785 年に遡ると、ロシアの科学者 T.E. ロヴィッツは、石炭が溶解物質を吸収する能力を発見しました。 それ以来、多くの研究が吸着現象の研究に捧げられてきましたが、その中でもロシアの科学者の研究が最も重要です。学者の N.D. ゼリンスキーは、ガス状の有毒物質に対する普遍的な保護手段として石炭を提案しました。 M.S. Tsvet、吸着能力に応じて物質を分離するクロマトグラフィー法を開発しました。 アカデミアンK.K. Giedroyets、土壌の吸収能力の理論を作成しました。 学者M.M. Dumansky は活性吸着剤の製造方法を開発しました。 外国の科学者ギブズ、ラングミュア、フロインドリッヒ、ポリアニ、ブラナウアーらは、吸着の理論と実践の発展に多大な貢献をしました。

吸着は、界面における分子力、原子力、またはイオン力の不飽和度の減少の結果であり、自由表面エネルギーを減少させる物質の蓄積によって引き起こされます。 吸着は自発的なプロセスです、 なぜなら 吸着プロセスの結果として、自由表面エネルギーは減少します。熱力学の第 2 法則によれば、このようなプロセスは自発的です。

吸着される物質を次のように呼びます。 吸着物(場合によっては吸着剤)、およびその表面に吸着する物質 - 吸着剤.

吸着質と吸着剤の粒子（分子、原子、イオン）間に作用する力の性質に応じて、それらは区別されます。 物理的なまたはファンデルワールス吸着と 化学薬品または化学吸着。

吸着の性質は、その動力学とエネルギーを研究することで確立できます。 実際、物理吸着は比較的弱い分子間凝集力 (ファンデルワールス力) の影響下で発生し、本質的には吸着質蒸気の凝縮プロセスに似ており、その熱は凝縮熱に近く、10 ～ 50 kJ に達します。 /モル したがって、温度が上昇すると物理吸着は減少します。

化学吸着は、吸着質と吸着剤粒子の電子軌道の重なりに関連しています。 これはそれらの化学的相互作用によって引き起こされますが、バルク相の形成にはつながりません。 化学吸着熱は化学反応の熱に匹敵し、通常は 60 ～ 600 kJ/mol です。 化学吸着は温度が上昇すると増加します。

吸着は可逆的なプロセスです。 吸着の逆のプロセスを脱着といいます。

区別する 分子とイオン化学吸着は、吸着されるもの（物質の分子またはイオン）に応じて異なります。 次に、イオン吸着は、電位決定イオンの交換と吸着に分けられます。

交換吸着。 交換吸着は固体/電解質溶液の界面で発生し、吸着剤と溶液が等量のカチオンまたはアニオンを互いに交換するという事実から構成されており、そのため電解質溶液と吸着剤の電気的中性の原理はそのまま残ります。

交換吸着の特異性を決定する主な要因は、固体吸着剤の表面上の二重電気層の存在、電解質溶液のイオンの価数、半径および水和度です。

交換吸着は通常よりも若干ゆっくりと進行します。

交換吸着のプロセスを理解するには、塩化銀粒子と塩化カリウム溶液の相互作用中に二重電気層が形成されるプロセスを考えることができます。 n 粒子と衝突した塩素イオンは銀イオンと結合し、しっかりと保持された C1 イオンの層を形成し、それによって粒子の表面を帯電させます。 このようなイオンは電位決定イオンと呼​​ばれます。 C1 - イオンを追加すると、その濃度が増加します。 表面に吸着される場合、このタイプの吸着は吸着と呼ばれます 電位決定イオン。

吸着された C1 - イオンは粒子をマイナスに帯電し、静電気引力の影響下で粒子の表面に隣接する K + イオンの数が増加します。 言い換えれば、対イオンの吸着は静電力の影響下で発生します。 K + イオンは同じ符号の他のイオンで置き換えることができ、粒子と静電的にのみ相互作用するため、そのようなイオンは交換可能イオンと呼​​ばれ、その吸着は 交換。

このように、交換吸着は、吸着剤の電気二重層のイオンと溶液のイオンとが交換される過程で起こる。 これは、次の方程式で概略的に表すことができます。

吸着剤 - 1/2H + + Na + + Cl - à 吸着剤 - 1/2Na + + H++Cl -

吸着剤 + 1/2OH - + Na + + Cl - à 吸着剤 + 1/2Cl - + Na + + おお-

上の図から、イオンの吸着中に媒体の pH が変化し (H + または OH - イオンが溶液に入る)、溶液が酸性またはアルカリ性の反応を起こすことがわかります。このタイプの吸着はと呼ばれます。加水分解性。

交換吸着は化学的なものであるため、イオンの交換は厳密に当量比で発生します。

固体表面上の交換イオンは特定の大きさと符号の電荷を持っているため、電気二重層 (EDL) を破壊しないように、溶液からの交換イオンは同じ符号のイオンのみにすることができます。 この場合、表面電荷の大きさは変化しないはずです。 したがって、交換吸着はアニオン交換またはカチオン交換のみ可能です。

交換吸着の現象は、土壌で起こるプロセスにおいて重要な役割を果たします。 土壌の交換複合体は土壌吸収複合体 (SAC) であり、負に帯電したコロイド粒子から構成されます。 土壌中の交換可能なイオンは陽イオンです。 土壌の最も重要な特性、つまり透水性、水分容量、膨潤、構造、土壌溶液の pH などは、吸着されたイオンの組成によって決まります。 たとえば、交換可能な陽イオンの組成中に大量のナトリウムイオンを含む土壌は、特殊な、いわゆる「ソロネッツ特性」を獲得します。 それらは、高分散、緻密な組成、高アルカリ度、増加した膨潤性と粘度、および低い水透過性を特徴としています。 これらの土壌は栽培が難しく、栄養素が豊富に供給されているにもかかわらず、あまり肥沃ではありません。 土壌の交換可能な陽イオンが主にカルシウムイオンを含む場合、そのような土壌は良好な構造、低霧化、良好な水透過性および空気透過性を有します。 これらの土壌は最も肥沃な土壌の一つです。 交換性カルシウムの含有量が高く、優れた物理化学的特性を備えた土壌の例は、チェルノーゼム土壌です。

土壌におけるイオン交換プロセスは、次の図で表すことができます。

[PPK] - 2Na + + Ca 2+ + SO 4 2- = [PPK] - Ca 2+ + Na 2 SO 4

BP ニコルスキーとE.N. Gapon は、交換吸着を説明する式を提案しました。

ここで、g 1 と g 2 は吸着剤の単位質量当たりの吸着および脱着イオンの g-mol (g-eq) の数であり、1 と a 2 は平衡状態にある溶液中でイオンを交換する活性です。 z 1 と z 2 はイオンの電荷、K はこの吸着プロセスの定数です。

吸着現象は工業や農業で広く利用されています。 そこで、活性炭はショ糖液糖の吸着精製（精製）に用いられます。 土壌中のミネラル肥料イオン (K + 、PO 4 -3 など) と分子 (尿素) を保持するのは吸着力です。 尿素の吸着は物理的であり、その分子は土壌に弱く保持されます。 したがって、春の洪水によって尿素が流出するのを防ぐために、通常は春に尿素が添加されます。 K + イオンの吸着は化学力 (イオン結合) によって引き起こされ、強力であるため、秋にはカリウム肥料を土壌に適用できます。

一般に、吸着は圧力 P (気体の場合) または濃度 C (溶液の場合) と温度、つまり温度の関数です。 は座標 Г = f(C,T) の平面で表されます。 通常、パラメータの 1 つは一定に保たれ、吸着はグラフで曲線として表されます。

吸着剤と一定温度における吸着剤との間に方程式または曲線の形で成立する定量的関係を 吸着等温線.

吸着等温線にはいくつかの種類があります。吸着を説明する最も単純な方程式は次の式です。 フロインドリッヒと方程式 ラングミュア.

フロインドリッヒ吸着等温線. 固体表面への溶解物質の吸着は特定のパターンに従い、吸着物質の濃度は溶液中の濃度に比例して増加するのではなく、よりゆっくりと増加し、溶液の n 乗に比例します。集中。 一定温度におけるこの依存性は、次の方程式で表すことができます。

X/m = KC 1/ n

どこ ×– 吸着された物質の量（モル） メートル吸着剤の g: C - 平衡濃度。 K と 1/n は、吸着剤と吸着質のデータに特徴的な経験的定数であり、1/n の値の範囲は 0.1 ～ 0.7 です。 この方程式は次のように知られています 吸着等温線であり、放物線の形状をしています。

フロイントリヒ吸着等温線をグラフでプロットするには、平衡濃度 (mmol/l) を横軸にプロットし、単位表面あたりの吸着値 X/m (mmol/gram) を縦軸にプロットします。 図 7 は、フロイントリヒ方程式のグラフ表示を示しています。