Что такое абсорбция: сущность процесса и практическое применение
Абсорбция - удивительное явление природы, позволяющее веществам проникать друг в друга и образовывать новые соединения. Этот малоизученный процесс таит в себе огромные возможности для науки и техники. Давайте разберемся, что же такое абсорбция.
1. Сущность абсорбции как физико-химического процесса
Абсорбция - это процесс поглощения одного вещества (абсорбата) другим веществом (абсорбентом). При этом абсорбат проникает в объем абсорбента, в отличие от адсорбции, где поглощение происходит только на поверхности.
Абсо́рбция (лат. absorptio от absorbere — поглощать) — поглощение сорбата всем объемом сорбента. Является частным случаем сорбции.
На молекулярном уровне абсорбция объясняется взаимным притяжением молекул абсорбата и абсорбента. Это притяжение приводит к тому, что молекулы абсорбата проникают в структуру абсорбента и удерживаются там.
Различают два основных типа абсорбции:
- Физическая абсорбция - обратимый процесс, при котором не происходит химической реакции между компонентами.
- Химическая абсорбция (хемосорбция) - необратимый процесс, сопровождающийся химической реакцией компонентов.
На эффективность абсорбции влияют такие факторы как давление, температура, концентрация, размер частиц и пористость абсорбента. Подбирая условия, можно добиться максимальной степени извлечения нужных веществ.
В отличие от абсорбции, где поглощение идет в объеме, адсорбция представляет собой поглощение веществ на поверхности раздела фаз. Эти два процесса часто путают из-за схожести в названиях.
2. Абсорбция газов жидкостями и твердыми телами
Одно из важнейших практических применений абсорбции - поглощение газов жидкостями или твердыми пористыми телами. Так можно очищать газы от примесей, выделять ценные компоненты, разделять сложные смеси.
Растворимость газов подчиняется закону Генри:
Согласно закону Генри растворимость газа в жидкости пропорциональна давлению, под которым газ находится, но при условии, что газ при растворении не образует новых соединений и молекулы его не полимеризуются.
Для каждого газа и жидкости существует свой коэффициент абсорбции, показывающий, какой объем газа может быть поглощен.
Лучшими абсорбентами среди твердых веществ являются активированный уголь, силикагель, цеолиты. Их пористая структура обладает огромной внутренней поверхностью.
Принцип абсорбции газов используется в платиновой губке Деберейнера. Губчатая платина уплотняет кислород воздуха и водород, поступающий через отверстие. Это приводит к нагреву платины и воспламенению газа.
| Абсорбент | Объем поглощенного аммиака на 1 объем абсорбента |
| Буковый уголь | 90 |
| Пемза | 85 |
Как видно из таблицы, древесный уголь и пемза относятся к наиболее эффективным поглотителям газообразного аммиака. Это свойство используется в промышленных установках очистки газов методом абсорбции.
3. Абсорбция в природных процессах
Абсорбция играет важную роль во многих природных процессах. Растения поглощают из почвы воду с минеральными веществами, а затем используют ее в процессах жизнедеятельности. Семена набухают, абсорбируя влагу, что запускает их прорастание.
Животные усваивают питательные вещества из пищи благодаря процессам всасывания и абсорбции в кишечнике. Витамины, белки, жиры, углеводы - все они переходят из пищеварительного тракта в кровоток и лимфу с помощью абсорбции.
Удивительный природный механизм фотосинтеза тоже основан на что такое абсорбции. Зеленые растения поглощают энергию света и углекислый газ, превращая их в органические вещества.
4. Нежелательные эффекты абсорбции в природе
Однако абсорбция влаги древесиной может иметь и негативные последствия. Избыточная влажность приводит к набуханию древесины, потере ее прочности, появлению трещин и гниению.
Вследствие абсорбции атмосферной влаги происходит набухание и последующее расслоение деревянных изделий.
По той же причине в помещениях с высокой влажностью деревянная мебель может деформироваться и терять товарный вид.
5. Химическая абсорбция и ее особенности
При что такое химической абсорбции возникает химичесая связь между молекулами абсорбата и абсорбента. Этот процесс уже необратим и сопровождается незворотними изменениями свойств.
Например, поглощение кислорода вызывает окисление и старение многих материалов - резины, нефтепродуктов, пищевых жиров. Происходит это как раз по механизму химической абсорбции кислорода.
6. Фильтрация жидкостей с помощью абсорбентов
Абсорбция активно используется для очистки жидкостей с помощью специальных материалов-абсорбентов. Так, древесный уголь издавна применяют для обесцвечивания растворов сахара, очистки водки и других жидкостей.
Современные синтетические абсорбенты, например силикагели или ионообменные смолы, позволяют извлекать из воды тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты, радионуклиды и многие другие загрязнители.
7. Применение абсорбции в нефтегазовой отрасли
Абсорбция нашла широкое применение в нефтегазовой промышленности. С ее помощью осуществляется осушка природного газа, очистка нефтепродуктов, извлечение ценных фракций из газового конденсата.
В качестве абсорбентов используются как жидкие поглотители (например, масла), так и твердые вещества вроде активированного угля или цеолитов. Подбирая условия, можно эффективно отделять метан, этан, пропан и другие газы.
8. Переработка нефтешламов методом абсорбции
Одна из проблем нефтедобычи - накопление больших объемов нефтешламов, загрязняющих почву и воду. С помощью абсорбентов из них можно извлекать ценные углеводороды для дальнейшей переработки.
В качестве абсорбентов часто используют торф, опилки, активированный уголь. Это позволяет решить сразу две задачи - утилизировать нефтешламы и получить дополнительное сырье для нефтеперерабатывающих заводов.
9. Предотвращение разливов нефти с помощью сорбентов
Еще одно важное применение абсорбции в нефтяной сфере - локализация и ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов. Специальные сорбенты эффективно впитывают углеводороды, не давая им растекаться по почве или водной поверхности.
В качестве сорбентов для сбора нефтеразливов используют как природные (торф, опилки), так и синтетические материалы. Главное, чтобы они обладали высокой нефтеемкостью и малой плотностью.
10. Перспективы совершенствования технологий абсорбции
Несмотря на широкое применение, процессы абсорбции далеки от совершенства. Актуальными задачами являются разработка новых высокоэффективных абсорбентов, оптимизация условий регенерации, создание компактных абсорбционных установок.
Решение этих задач позволит существенно расширить использование методов абсорбции в промышленности, экологии, медицине, повысив эффективность соответствующих технологий.