Что такое адсорбция

Адсорбция — самопроизвольный процесс увеличения концентрации молекул газа или растворенного вещества и их удержания на поверхности твердого сорбента (поглотителя) за счет физических или химических сил притяжения. Методы на основе адсорбции широко применяют в различных отраслях, в том числе для очистки газов и воды в очистных сооружениях. С их помощью предприятия эффективно удаляют вредные примеси, защищая окружающую среду от их негативного воздействия.
Кроме того, адсорбция позволяет возвращать в технологический процесс выловленные ценные компоненты для их повторного использования, там самым снижая производственные затраты.
Существует два вида адсорбции:

• Физическая адсорбция обусловлена слабыми межмолекулярными силами (ван-дер-ваальсовыми). Молекулы адсорбата на поверхности адсорбента не теряют своей индивидуальности. Они удерживаются ее силовым полем в течение некоторого времени, после чего десорбируются.
• Химическая адсорбция (хемосорбция) связана с образованием химических связей между адсорбентом и адсорбтивом. В случае применения этого способа очистки реакции на поверхности адсорбента могут существенно повысить эффективность удаления загрязняющих веществ.

Типичными адсорбентами являются активированный уголь, силикагель, цеолиты, которые эффективно улавливают загрязняющие вещества, такие как летучие органические соединения (ЛОС) или пары воды.

Адсорбцию необходимо отличать от абсорбции. Это два разных процесса, хотя оба относятся к методам сорбционной очистки. Основное различие заключается в механизме взаимодействия вещества с сорбентом и в природе самого сорбента. В ходе адсорбции одно вещество (адсорбат) накапливается на поверхности другого вещества (адсорбента), тогда как абсорбционная очистка предполагает поглощение вещества всем объемом жидкого абсорбента. В этом случае молекулы газа или растворенного вещества проникают внутрь жидкости, растворяясь в ней или вступая в химическую реакцию. Процесс происходит в жидкой фазе и его эффективность зависит от растворимости газа в жидкости, а также от химической активности абсорбента. Например, вода может поглощать аммиак за счет его высокой растворимости, а щелочные растворы эффективно связывают кислые газы, такие как CO₂ или SO₂, за счет химического взаимодействия. Так как в отличие от адсорбции, абсорбционная очистка основана на движении молекул в объем жидкости, очистку можно проводить в специальных аппаратах, таких как насадочные или пенные скрубберы.
Абсорберы условно относят к одной из трех групп:

• Поверхностные (насадочные, пленочные, с горизонтальным зеркалом жидкости, механические).
• Барботажные (со сплошным барботажным слоем, трельчатого типа, с плавающей насадкой, с механическим перемешиванием жидкости).
• Распыливающие (полые форсуночные, скоростные прямоточные, механические).

Некоторые устройства могут работать в разных режимах, например, насадочные колонные устройства способны функционировать как в барботажном, так и в колонном режимах.
Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может работать в разных режимах. Так, например, насадочный колонный абсорбер может функционировать в пленочном и в барботажном режимах. Широкое применение абсорберов связано с жесткими нормами природоохранного законодательства. Кроме того, они необходимы для получения готового продукта, например, гидрата аммиака, для чего методом абсорбции выполняется очистка газов от газообразного аммиака водой.

Для эффективной очистки газов адсорбционными методами выбирают вещества-поглотители, у которых большая удельная поверхность. Удельная поверхность твердого вещества равна отношению его общей площади поверхности к массе. Чем больше на поверхности адсорбента пор и щелей, тем глубже в него проникает адсорбат и тем активнее взаимодействует с материалом.
Наряду с большой удельной поверхностью адсорбент должен обладать и другими необходимыми свойствами:

• длительный срок использования, в ходе которого адсорбент сохраняет свои свойства;
• избирательность;
• способность выдерживать высокие температуры и механическое воздействие;
• возможность регенерации.

Кроме того, для адсорбентов, применяемых на промышленных предприятиях, важный критерий выбора — доступность и дешевизна.
Всем этим свойствам соответствуют активированный уголь, силикагели, цеолиты, алюмогели как природные, так и синтетические. В частности, у активированного угля высокий процент КПД, отличные способности к регенерации и невысокая цена. Все это делает этот адсорбент наиболее востребованным, особенно для очистки органических соединений. Синтетические адсорбенты, такие как цеолиты, получили широкое распространение благодаря их способности работать при высокой температуре и в агрессивных средах. Для достижения максимальной эффективности очистки в промышленных установках часто используют комбинацию нескольких сорбентов.

На производствах адсорбционная очистка потоков газов выполняется с использованием специальных устройств — адсорберов. Их корпуса заполняются подходящим адсорбентом, Например, это может быть активированный уголь. Для повышения качества очистки в современных адсорберах применяют насадки, обеспечивающие равномерное распределение газового потока.
Когда устройство используется для очистки воздуха, процесс протекает по следующей схеме:

• Загрязненный воздух попадает в фильтр и равномерно распределяется через специальные канальца. 
• Адсорбент накапливает внутри себя все «посторонние» молекулы.
• Очищенный воздух выходит наружу.

Адсорбционное оборудование подходит не только для очистки газовых потоков, но и:

• Осушки, т. е. удаления влаги из газов в ходе производства сжатого воздуха или транспортировке природного газа.
• Избирательного извлечения компонентов из газовой или жидкой фазы. В этих целях используются адсорбенты с молекулярно-ситовыми свойствами и с высокой удельной поверхностью, такие, как цеолиты. Они позволяют разделять газы по размерам молекул. Например, цеолиты эффективно используются для получения чистого азота из воздуха.

Надо понимать, что на данный момент не существует универсального газоочистительного оборудования. В частности, адсорберы не подходят для производств, где много пыли. При эксплуатации в таких условиях адсорбент быстро забьется и не будет выполнять поставленную задачу. В таких случаях компании применяют предварительные фильтры, такие как рукавные или скрубберы, для удаления твердых частиц перед подачей газа в адсорбер.
Разработка проектов адсорбционных установок проводится с учетом особенностей состава загрязненного воздуха и требований к чистоте атмосферы.