Основные типы адсорбентов.

Неорганические материалы. Большинство минералов и многие синтети-ческие неорганические материалы могут считаться адсорбентами. А некото-рые из-за низких цен на них используются для этих целей, даже несмотря на то, что на самом деле являются адсорбентами весьма некачественными. Тем не менее, среди остальных встречаются вещества, действие которых доста-точно эффективно.

Некоторые неорганические твердые материалы, зачастую относимые к ад-сорбентам, в действительности ведут себя не только как адсорбенты. В них жидкость проникает внутрь частиц, а не просто удерживается на поверхности пор. К таким веществам относятся хлорид кальция, оксиды кальция, магния и цинка, сульфат кальция, силикат магния, даломитовые земли, бикарбонат на-трия. Они имеют широкий спектр применения - от процессов сушки, до из-влечения полихлорированных бифенилов. Некоторые из подобных материа-лов используются в безводном виде, другие - в гидратированных формах.

Многие недавно разработанные неорганические адсорбенты, такие, как гра-нулированные глины, мезопористые адсорбенты и алюмофосфаты, пока еще не получили на рынке достаточной известности. Но, с другой стороны, суще-ствуют адсорбенты, которые уже давно опробованы на производстве, и они заслуживают более пристального рассмотрения. Представим их в алфавитном порядке :

Активный оксид алюминия изготавливается из гидратированного оксида алюминия Al2O3 nH2O ( где n равняется 1 или 3 ) обжигом в контролируемых условиях, позволяющих получить вещество с той же формулой при n, равном приблизительно 0,5. Это вещество белого или желтоватого цвета, по внешне-му виду напоминающее мел.

Разными производителями выпускается несколько модификаций такого ад-сорбента, которые различаются кристаллической структурой оксида алюми-ния.

Стабильные кристаллические формы обычно не относятся к адсорбентам, поскольку для них характерны низкие величины площади поверхности. На-пример, переходные формы, такие, как гамма- или бета-оксиды алюминия, со-держат дефектные (октаэдрические) кристаллы шпинели, благодаря которым на их поверхности увеличена концентрация кислотных остатков. Эффективная площадь поверхности для этих адсорбентов определяется интервалом 200-400 м2/г. Обычно подобные модификации представлены шарообразными час-тицами диаметром от 1 до 8 мм, гранулами, экструдатами (крупинки) диамет-ром от 2 до 4 мм или представляют собой порошки.

В качестве адсорбента активированный оксид алюминия применяется, на-пример, для удаления продуктов окисления и меркаптанов из углеводородных смесей, фторид-ионов из воды или для отделения хлористого водорода от во-дорода при каталитическом риформинге на нефтеперерабатывающих заводах. Его применение для разделения в газовой фазе, как правило, требует предва-рительного нагрева адсорбента примерно до 2500С. Однако чаще это вещество используется как катализатор (или носитель для других катализаторов) и осу-шитель, а не в качестве адсорбента.

Силикагелевые (SiO2) адсорбенты применяются в нескольких формах, со-держащих различные виды самого силикагеля, пористое борсиликатное стек-ло или аэрогели (сравнительно новые материалы с чрезвычайно высокой по-ристостью). Такой гель имеет жесткую, но не кристаллическую структуру, со-стоящую из сферических микрочастиц коллоидного диоксида кремния. Этот адсорбент характеризуется наличием открытых ячеек и пористой структурой. Эффективные величины площади поверхности могут быть разными - от 300 до 900 м2/г - в зависимости от плотности. Материалы с более высокой плотно-стью имеют более мелкие поры и соответственно более высокую площадь по-верхности.

Обычно частицы диоксида кремния бесцветны или слабоокрашены, про-зрачны или полупрозрачны. Но некоторые марки силикагеля производятся с примесью оксида алюминия и поэтому имеют вид непрозрачных белых или желтоватых порошков.

Силикагель и пористое стекло устойчивы к истиранию и не образуют пы-левидных частиц. Обычно они изготавливаются в виде частиц сферической формы диаметром 1-3 мм, в виде гранул и экструдатов диаметром 2-4 мм или в форме порошков.

Как адсорбент силикагель применяется для разделения углеводородов, снижения температуры конденсации природного газа, осушения жидких угле-водородов. При использовании для адсорбции компонентов из газовой фазы в качестве предварительной подготовки может потребоваться нагрев примерно до 2000С.

Цеолиты обычно представляют собой алюмосиликаты, то есть стехиомет-рические соединения диоксида кремния и оксида алюминия. Большинство из них имеют белый цвет, непрозрачны и по внешнему виду напоминают мел. Если в их составе содержание оксида алюминия значительно, то они обладают гидрофильными с войствами, а если преобладает диоксид кремния - гидро-фобными.

Внутренняя структура цеолитов кристаллическая, но внутри кристаллов имеется много микропор, которые практически одинаковых размеров. Эти микропоры настолько малы и однородны по величине, что обычно ими различаются даже почти идентичные по размерам молекулы (поэтому для них существует особое название - молекулярные сита).

Часто в состав кристаллов входит гидратационная вода. Из-за дефектов кристаллической решетки в структуре могут возникать электрические заряды, и, чтобы их сбалансировать, катионы ассоциируются с оксидом алюминия. Обычно эмпирическая формула цеолита, содержащего катион М с валентно-стью n, имеет вид: M2/n Al2O3 xSiO2 yH2O, где х представляет собой молеку-лярное отношение (которое обычно больше 1) диоксид кремния / оксид алю-миния, а у - число молекул гидратационной воды.

В сущности, все поступающие в продажу цеолитные адсорбенты являются композициями, состоящими из очень мелких кристаллов, которые удержива-ются друг с другом с помощью связующего вещества. Последнее часто само по себе обладает существенной адсорбционной емкостью. Связанная с микро-пористой структурой адсорбционная емкость цеолитов настолько мала, что выражать ее через эффективную площадь поверхности не имеет смысла.

Лишь немногие цеолиты представляют коммерческий интерес (например, те, которые получили обозначения А, Х, Y, ZSM-5 и, кроме того, морденит и силикалит). Изготавливаются они в различных ионообменных формах (на-пример, кальциевой или натриевой), частицы которых могут иметь различный вид и различные размеры. Некоторые марки из всего многообразия цеолитов предствлены в таблице 6.2. Существуют модификации в форме экструдатов с диаметром частиц 1-6 мм, в форме шариков диаметром 0,5-3 мм, а также в форме гранул с размерами от 20х40 до 6х12 меш, а так же в порошкообразных формах.

В качестве адсорбентов цеолиты применяются для извлечения кислорода из воздуха, парафинов нормального строения из бензино-лигроиновой фрак-ции, пара-ксилола из смесей изомерных ксилолов. При применении цеолитов для разделений в газовой фазе обычно необходимы более жесткие условия, чем в случае применения силикагеля или оксида алюминия. Например, может

потребоваться их предварительная выдержка при 3000С в глубоком вакууме или при продувке инертного газа.