Демистификация адсорбента и абсорбента: Последствия и применение

Введение в адсорбент и абсорбент

В области материаловедения люди могут использовать термины "адсорбент" и "абсорбент" как взаимозаменяемые; тем не менее, они относятся к разным явлениям. Важно проводить различие между адсорбцией и абсорбцией при выборе подходящих материалов и методов во многих отраслях промышленности. Адсорбция означает, что молекулы или ионы прилипают к поверхности материала, в то время как абсорбция означает, что вещества проникают внутрь материала. В этой статье мы подробно рассмотрим адсорбент и абсорбент, механизмы их действия и реальные способы применения.

Чтобы понять, насколько важны адсорбция и поглощение, взгляните на эту статистику: к 2025 году мировой рынок молекулярных сит, которые являются одним из основных адсорбентов, достигнет стоимости 5,8 миллиарда долларов США при темпах роста 5,6% за период с 2020 по 2025 год (MarketsandMarkets, 2020). Его рост обусловлен растущей потребностью в молекулярных ситах, используемых в различных областях, таких как разделение газов, нефтехимическая переработка и катализ. Молекулярные сита широко используются в нефтегазовой промышленности для очистки природного газа, а также для удаления загрязняющих веществ, таких как вода, сернистые соединения, углекислый газ и т. д. Обсуждая различия между адсорбентами и абсорбентами, пожалуйста, помните об их значительном влиянии на нашу повседневную жизнь и промышленность.

Отсутствует и занят общими продуктами

Адсорбционно-утилизационные товары

Различные продукты и процедуры основаны на адсорбции. Например, активированный уголь - один из самых распространенных адсорбентов, используемых в фильтрах для воды, воздухоочистителях и противогазах. Благодаря высокой площади поверхности и пористой структуре он легко адсорбирует примеси, запахи и загрязняющие вещества. Другой пример - силикагель, который часто встречается в пакетах с осушителем, прилагаемых к электронным устройствам или одежде. Силикагель поглощает влагу из воздуха, чтобы предотвратить повреждение хрупких предметов. Молекулярные сита, глинозем или цеолиты - примеры адсорбентов, используемых в хроматографии для разделения и очистки смесей на основе селективной адсорбции различных компонентов.

Продукты, основанные на абсорбции

Существует также множество впитывающих изделий, которые мы используем в повседневной жизни. Классические примеры абсорбирующих материалов - бумажные полотенца и губки, которые впитывают пролитую жидкость. Суперабсорбирующие полимеры используются в подгузниках и средствах женской гигиены, поскольку они способны впитывать большое количество жидкости, не вытекая при этом обратно.) В медицине абсорбирующие повязки используются для удаления экссудата и облегчения заживления ран. Промышленные абсорбенты из полипропилена или целлюлозы используются при ликвидации разливов нефти и химикатов, например Oil Spill Eater II (OSE II) компании Sorbents International. Они втягивают жидкости в свою объемную структуру, эффективно удерживая их, после чего они могут быть удалены из окружающей среды.

Подробное сравнение: Адсорбция против абсорбции

Объемные явления в сравнении с поверхностными явлениями

Место, где происходит этот процесс, представляет собой одно из ключевых различий между адсорбцией и абсорбцией. Адсорбция - это поверхностное явление, при котором молекулы или ионы адсорбируемого вещества (адсорбата) прилипают к поверхности материала-адсорбента. Это происходит под действием межмолекулярных сил. Адсорбат образует тонкую пленку на поверхности адсорбента, но не проникает в его основную массу. Напротив, абсорбция - это проникновение абсорбата (поглощаемого вещества) в объемную структуру абсорбента. Молекулы абсорбента рассеиваются по всему материалу, занимая пространства между молекулами абсорбента.

Теплообмен и потребность в энергии

Процессы адсорбции и абсорбции часто сопровождаются теплообменом и имеют разные энергетические требования. Обычно адсорбция считается экзотермическим процессом, что означает выделение тепла при прилипании молекул адсорбата к поверхности адсорбента, поскольку эти взаимодействия вызывают уменьшение энергии в масштабах всей системы. Некоторые распространенные примеры адсорбции включают использование активированного угля для удаления примесей из воды или воздуха, а также использование силикагеля для адсорбции влаги из воздуха. Однако в других случаях поглощение может быть как экзотермическим, так и эндотермическим процессом (поглощение тепла), в зависимости от конкретной системы и того, как они взаимодействуют друг с другом, например, отношения "поглотитель-адсорбер", преобладающие в них. Это означает, что для любого конкретного процесса количество необходимой энергии будет зависеть от таких факторов, как растворимость между абсорбентом и поглотителем, а также интенсивность межмолекулярных сил.

Зависимость от температуры и давления

Температура и давление являются существенными факторами в обоих процессах: абсорбции и адсорбции. При низких температурах больше кинетической энергии остается у отдельных частиц, что приводит к низкой вероятности прилипания к поверхностям, создавая более благоприятные условия для этого, чем при высоких температурах, так как при повышении температуры с поверхности десорбируется большее количество частиц из-за их повышенной энергии, что приводит к увеличению вероятности прилипания при превышении определенных пороговых уровней. Что касается влияния давления, то адсорбция также идет рука об руку с ним, при этом более высокое давление ассоциируется с большим количеством адсорбции. Это связано с тем, что повышение давления приводит к увеличению концентрации молекул адсорбата на поверхности адсорбента, что способствует их прилипанию.

Абсорбция также претерпевает изменения под воздействием температуры и давления, хотя это зависит от различных факторов. Иногда растворимость абсорбента увеличивается с повышением температуры, что делает абсорбцию более эффективной при высоких температурах. Однако в других случаях высокая температура снижает абсорбцию, так как молекулы перемещаются и меньше притягиваются друг к другу. Кроме того, давление может влиять на абсорбцию, особенно в системах газ-жидкость, поскольку высокое давление увеличивает растворимость газа в жидких абсорбентах.

Механизмы и процессы

Силы Ван-дер-Ваальса и химические связи

Адсорбцию можно понимать по-разному, учитывая природу адсорбата и адсорбента. В основном, распространенными типами адсорбции являются физорбция - физическая адсорбция и хемосорбция - химическая адсорбция. Физическая адсорбция связывает адсорбат с поверхностью адсорбента посредством слабых ван-дер-ваальсовых сил, например, дисперсионных или индукционных сил между полярными молекулами. Эти силы, как правило, относительно слабые, что делает этот тип процесса обратимым по своей природе. Низкая теплота адсорбции, образование многослойных слоев на границе адсорбат/адсорбент характеризуют физорбцию.

При хемосорбции молекулы, находящиеся в контакте с поверхностью, образуют с ней химические связи. Эти химические связи сильнее, чем те, что возникают при физисорбции, например, ван-дер-ваальсовы, поэтому часто происходит обмен или перенос электронов между молекулой абсорбента и абсорбирующим соединением. Хемосорбция происходит необратимо и характеризуется высокой теплотой поглощения. Монослойное покрытие обычно возникает, когда хемосорбция происходит на поверхностях, обладающих специфическими участками, где происходит образование химических связей.

Диффузия, растворимость и капиллярное действие

Абсорбенты впитываются в материалы, проникая в их структуру с помощью поглощающих молекул. Способ поглощения зависит от нескольких факторов, среди которых пористость, межмолекулярные силы, ретрофлексия абсорбента и т.д. Основным способом поглощения молекул является диффузия, при которой частицы мигрируют из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией по всему рассматриваемому материалу. Градиент концентрации определяет скорость диффузии, а температура влияет на ее результат.

Вторым важным фактором, влияющим на абсорбцию, является растворимость - то, насколько сильно вещество растворится в данной жидкой фазе. Зависимость от температуры и давления, растворимость зависит от межмолекулярных сил, которые сохраняются между абсорбентом и абсорбентом. Чем больше растворимость материала, тем выше его поглощение. В некоторых случаях на помощь абсорбции приходит капиллярное действие, например, при использовании адсорбентов с порами. Это происходит, когда силы сцепления между жидким абсорбентом и стенками пор поглотителя становятся больше, чем силы когезии внутри этой жидкости. В результате такая жидкость втягивается адсорбентом в поглощающую среду, усиливая ее поглощение.

Применение адсорбции в реальной жизни

Адсорбция в водоподготовке

В процессах водоподготовки адсорбция является важным процессом для удаления загрязнений, тяжелых металлов и органических загрязнителей. Например, активированный уголь широко используется в качестве адсорбента в системах очистки воды благодаря своей высокой площади поверхности и пористой структуре. Он эффективно адсорбирует широкий спектр загрязнений, включая хлор, пестициды, гербициды и летучие органические соединения (ЛОС). Процесс адсорбции в водоподготовке может осуществляться различными способами, такими как неподвижный слой или порошкообразная форма, когда активированный уголь проходит через воду, или активированный уголь смешивается с водой и затем отделяется от нее путем фильтрации соответственно. Цеолитовый порошок является еще одним примером, который действует как тип молекулярного сита, широко используемого в качестве адсорбента в системах очистки воды благодаря его большой площади поверхности и селективным адсорбционным свойствам. Цеолиты эффективно поглощают множество различных примесей, таких как аммиак, тяжелые металлы и органические соединения. Например, они могут работать как в стационарном режиме, так и в режиме суспензии, когда частицы добавляются непосредственно в воду, а затем отфильтровываются.

Еще один случай адсорбции в водоподготовке - ионообменные смолы. Эти смолы содержат функциональные группы, которые избирательно забирают из раствора определенные ионы, заменяя их другими. В частности, катионообменные смолы могут удалять положительно заряженные ионы, такие как кальций и магний, которые вызывают жесткость питьевой воды. Анионообменные смолы, напротив, могут устранять отрицательно заряженные ионы, например, нитраты и сульфаты. Ионообменные смолы обладают обратимой адсорбцией, поэтому их регенерация возможна путем промывки концентрированными растворами, содержащими замещающие ионы.

Адсорбция в очистке воздуха

Очистка воздуха - одно из основных применений адсорбции для удаления нежелательных веществ, запахов и органических растворителей (ЛОС) из наружного и внутреннего воздуха. В качестве адсорбентов в системах фильтрации воздуха принято использовать молекулярные сита, такие как цеолиты. Кристаллическая структура цеолита обладает четко определенными порами и поэтому может избирательно адсорбировать определенные газы или загрязняющие вещества в зависимости от их размера или формы на молекулярном уровне. Например, диоксид углерода, оксиды азота и диоксид серы - вот некоторые из газов, которые эффективно удаляются цеолитами из промышленных выхлопных газов, что помогает снизить потенциал глобального потепления, а также улучшить качество воздуха.

Помимо цеолитов, активированный уголь - еще один известный адсорбент, используемый в процессе очистки воздуха. Он способен удалять многие виды органических веществ, таких как летучие органические соединения, запахи и ядовитые газы. В производственных отраслях, таких как химическое производство, где в окружающую среду выбрасывается большое количество газов, фильтры из активированного угля помогают контролировать выбросы. Активированный уголь с его высокой площадью поверхности и пористой природой задерживает различные типы загрязняющих веществ в воздухе, тем самым оставляя более чистую атмосферу, которая, безусловно, гарантирует безопасность как для здоровья работников, так и для всей экосистемы.

Адсорбция в промышленных процессах

Адсорбция - это процесс, который широко используется в промышленных процессах, а молекулярные сита и активированный глинозем являются одними из самых распространенных адсорбентов. Когда речь идет об очистке и разделении углеводородов, молекулярные сита широко используются в нефтяной и нефтехимической промышленности. Они избирательно поглощают определенные молекулы углеводородов в зависимости от их размера или формы, что способствует эффективному выделению нужных продуктов из смесей. Например, цеолиты используются для удаления примесей и повышения октанового числа бензина в процессе производства.

Кремнеземное желе - это влагопоглощающее вещество, которое обладает отличными свойствами для промышленного использования в качестве влагопоглотителя. Его часто кладут в упаковки с электроникой, лекарствами и продуктами питания, которые в противном случае испортились бы от сырости. Кремнеземное желе всегда поглощает влагу из окружающего воздуха, сохраняя сухость внутри упаковки. Кроме того, они также помогают в разделении и очистке различных соединений в химической промышленности, поскольку используются в качестве стационарной фазы в хроматографии. Сродство к адсорбенту обеспечивает эффективное разделение на силикагеле благодаря избирательной адсорбции на различных веществах.

Еще одним важным адсорбентом, который находит применение в различных отраслях промышленности, является активированный глинозем. В газовой промышленности активированный глинозем может использоваться для удаления воды или сернистых соединений из потоков природного газа, которые могут оказывать серьезное воздействие на людей, контактирующих с ними, а также вызывать повреждения оборудования, например, трубопроводов, по которым они транспортируются. Процедура абсорбции активированного глинозема гарантирует, что природный газ соответствует жестким спецификациям, необходимым для передачи по трубопроводам или обычного потребления. Активированный глинозем также может служить вспомогательным материалом при изготовлении катализаторов, где активные металлические компоненты будут поддерживаться структурой среды такого типа. Высокая площадь поверхности активированного глинозема благодаря его пористой природе представляет собой идеальную среду, на которой каталитические металлы могут распределяться, повышая тем самым свою активность и селективность в отношении химических реакций, происходящих на ней.

Применение абсорбции в реальном мире

Абсорбция в холодильных системах

В холодильных системах абсорбция очень важна, особенно в случае абсорбционных холодильников и чиллеров, которые находят широкое применение в промышленности. Типичным хладагентом для этих систем является вода или аммиак, которые поглощаются абсорбентом, таким как бромистый литий или вода, соответственно. Процесс абсорбции, который можно классифицировать как физическую или химическую абсорбцию, происходит в абсорбере, где пары хладагента поглощаются раствором абсорбента, выделяя при этом тепло. Отсюда поглощенный хладагент перекачивается в генератор, где он нагревается, что приводит к десорбции хладагента из абсорбента и его последующему испарению. Пары хладагента снова проходят весь цикл охлаждения и в то же время повторяют этот процесс, а именно возвращают абсорбент обратно в абсорбер.

По сравнению с традиционными системами сжатия пара абсорбционные холодильные системы имеют ряд преимуществ, включая источники энергии и экологические вопросы. Они могут работать на низкопотенциальном тепле, таком как отходы промышленных процессов или солнечная тепловая энергия, что делает их более экологичными и эффективными. Кроме того, абсорбционные системы используют неозоноразрушающие хладагенты и имеют меньше движущихся частей, что приводит к меньшим затратам на обслуживание, чем у установок такого типа; хотя они крупнее и дороже парокомпрессионных систем, поэтому не получили широкого распространения.

Абсорбция в медицинских областях: Введение и доставка лекарств

Абсорбция в медицине - очень важная концепция, особенно в области введения и доставки лекарств. Когда лекарство принимается перорально, оно должно всасываться из желудочно-кишечного тракта в кровоток, где оно может воздействовать на орган-мишень. Факторы, влияющие на всасывание лекарств, включают растворимость препарата, рН среды желудочно-кишечного тракта, наличие пищи в желудке и другие. Некоторые препараты рассчитаны на быстрое всасывание для получения немедленного эффекта, в то время как другие разработаны для медленного всасывания, что обеспечивает устойчивое высвобождение их активного вещества в течение длительного времени.

При местной доставке лекарств абсорбция также играет роль, когда препараты наносятся на кожу или слизистые оболочки. В этом случае, например, некоторые препараты должны всасываться, проходя через кожу или слизистую оболочку, чтобы достичь нижележащих тканей, где они выполняют свое предназначение. Например, трансдермальные пластыри предназначены для доставки лекарств с постоянной скоростью через кожу, что обеспечивает неинвазивный и удобный способ введения. Абсорбция лекарств через кожу зависит от таких факторов, как липофильность препаратов, размер молекул и состояние кератинового барьера.

Поглощение в повседневной жизни: Борьба с разливами

Например, в повседневной жизни мы сталкиваемся с абсорбирующими материалами и, следовательно, используем их для борьбы с разливами и уборки. Бумажные полотенца, губки и швабры - все эти предметы обихода впитывают разлитую жидкость благодаря своей способности поглощать ее. Эти материалы обладают высокой впитывающей способностью, что позволяет им быстро и эффективно избавляться от жидкостей на поверхностях. Именно поэтому в промышленности для уборки нефтяных и химических разливов используются такие абсорбирующие материалы, как полипропиленовые прокладки или боны. Эти материалы естественным образом отталкивают воду, но могут впитывать масла и другие углеводороды, поскольку являются гидрофобными, что делает их пригодными для удаления определенных видов из водных систем.

Кроме того, во впитывающих изделиях, таких как подгузники, женские гигиенические прокладки и средства от недержания для взрослых, используются суперабсорбирующие полимеры, в которые может впитываться большое количество жидкости по весу. В этих материалах при контакте жидкости с пористой структурой полимера происходит притяжение капиллярности и водородная связь, что заставляет жидкость прилипать к нему. Кроме того, суперабсорбенты нашли применение в сфере личной гигиены, совершив революцию в производстве средств личной гигиены, например, подгузников для эффективного впитывания запахов, что обеспечивает высокий уровень комфорта для пользователей.

Jalon: Ваш надежный партнер в области высокоэффективных адсорбентов

Компания Jalon завоевала признание на рынке адсорбентов, постоянно поставляя своим клиентам по всему миру высококачественную продукцию, включая молекулярные сита, цеолитовые порошки и активированный глинозем. Понимая уникальные проблемы, с которыми сталкиваются различные отрасли, такие как нефтепереработка, нефтехимия, производство природного газа, угольная химия или экология, компания Jalon стала надежным партнером, предлагающим индивидуальные решения.

Инвестируя в новые технологии, стимулируя инновации среди команды разработчиков продукции и следя за ее качеством, компания Jalon стала лидером в производстве адсорбентов. Сотрудничество с Jalon открывает для вас широкий выбор высокоэффективных адсорбентов, обширные знания в области промышленности и опытную команду, которая поможет вам оптимизировать ваши процессы. Благодаря высокой ценовой конкуренции и постоянному успеху на стороне клиентов Jalon - лучший вариант для компаний, желающих найти долгосрочных партнеров, которым можно доверять в сфере производства адсорбентов.

Заключение

В заключение следует отметить, что для эффективного использования адсорбентов в различных областях важно понимать разницу между ними и абсорбирующими материалами. Для разных целей адсорбция, которая является поверхностным явлением, и абсорбция, происходящая на объемном уровне, различаются по своим механизмам и характеристикам.

В связи с потребностью в эффективных и устойчивых решениях разработка и оптимизация адсорбентов, а также абсорбентов остается одной из ключевых областей исследований и инноваций. Таким образом, мы сможем разработать новые материалы и технологии, отвечающие меняющимся потребностям различных секторов экономики и способствующие более чистому, здоровому и устойчивому будущему, углубив наше понимание таких явлений и лежащих в их основе механизмов.