Adsorbția

Adsorbţia este un proces mai nou decât sedimentarea sau filtrarea şi au fost utilizate pentru prima dată în tratarea apelor la sfârşitul sec. XIX pentru îndepărtarea culorii şi a gustului. Apele reziduale conţin cantităţi apreciabile de compuşi organici care sunt toxici, dar şi nedoriţi datorită mirosului, gustului neplăcut, culorii sau spumei. Aceste substanţe sunt rezistente la biodegradare şi nu pot fi îndepărtate cu metodele convenţionale de coagulare-floculare, sedimentare, filtrarea.

Baze teoretice

Adsorbţia este procesul unitar de transfer de masă prin care o substanţă aflată într-o fază fluidă (gaz, lichid) este reţinută pe suprafaţa unui solid (sau lichid). In tratarea apelor, adsorbţia din soluţii se aplică când impurităţile din apă se acumulează la interfaţa solid-lichid.

Noţiunile principale cu care se operează sunt:

Adsorbitul/solutul este substanţa care se îndepărtează din faza lichidă la interfaţă

adsorbantul este faza solidă pe care are loc reţinerea (acumularea).

In soluţia aflată în contact cu adsorbantul se află adsorbitul (solutul) care urmează a se reţine pe cel dintâi. In soluţii apoase diluate adsorbţia are loc când concentraţia adsorbitului în apă este atât de mică încât se apropie de idealitate şi respectă legea Henry: presiunea parţială a adsorbitului este proporţională cu fracţia molară şi raportul între activitatea adsorbitului şi concentraţie (coeficient de activitate) este unitar.

Mecanismul de adsorbţie

Solidul care este masa adsorbantǎ are anumite proprietǎţi superficiale, liofobie sau liofolie care pot sǎ determine modificarea stǎrii de echilibru.

Adsorbţia se produce ca urmare a interacţiunii a douǎ forţe:

- afinitatea solutului (adsorbitului) pentru faza solidă şi

- liofobia adsorbitului faţă de solvent.

Pe măsură ce liofobia adsorbitului faţă de solvent este mai accentuată, creşte tendinţa de acumulare a acestuia la suprafaţa solidului. Datorită faptului că liofobia este determinată de gradul mare de solubilitate a compuşilor în solvent (în particular în apă), aceştia se adsorb foarte greu pe suprafaţa adsorbantului.

Substanţele organice prezintă grupări hidrofile şi hidrofobe ceea ce determină orientarea moleculelor la interfaţă. Afinitatea adsorbitului faţă de adsorbant se datoreşte unei atracţii adsorbit-solid, unor forţe van der Waals sau unor forţe de natură chimică.

Adsorbţia datorită atracţiei electrostatice se mai numeşte adsorbţie prin schimb ionic/Weber/şi mecanismul ei constă în concentrarea ionilor la suprafaţa solidului ca urmare a atracţiei electrostatice între ioni şi zonele încărcate ale adsorbantului. Fenomenul depinde de pH, tăria ionică şi sarcina ionilor. In cazul în care nu intervin alte procese de sorbţie, ionii cu sarcina mare sunt cel mai puternic atraşi la suprafaţa solidului. In cazul în care sarcina ionilor este identică se adsorb preferenţial ionii cu raza mai mică.

Adsorbţia electroliţilor se utilizează la îndepărtarea metalelor grele, fluorurilor pe adsorbanţi răşini sintetice. Adsorbţia pe adsorbanţi nepolari (cărbune activ) a acizilor şi bazelor depinde de valoarea pH-ului.

Deşi prezintă tendinţa de adsorbţie pe cărbune, compuşii puternic ionizaţi se stabilizează în soluţie prin interacţiunea lor cu moleculele de apă şi de aceea formele neutre se adsorb mai puternic, iar pH-ul corespunzător îndepărtării maxime a acizilor sau a bazelor depinde de constantele lor de disociere.

Adsorbţia fizică este determinată de forţele van der Waals care apar între substanţe nepolare şi adsorbanţii nepolari (cărbune activ). Particulele adsorbite nu sunt fixate la suprafaţa adsorbantului într-o poziţie specifică, ci se pot deplasa liber prin translaţie la interfaţă. La adsorbţia fizică, în soluţia apoasă se consideră trei interacţiuni aflate în competiţie:

1) interacţiunea între adsorbit şi apă;

2) interacţiunile între adsorbit şi suprafaţă;

3) interacţiunile între apă şi suprafaţă.

Amploarea adsorbţiei este determinată de tăria interacţiunilor adsorbit-suprafaţă în comparaţie cu tăria interacţiunilor adsorbit-apă şi apă-suprafaţă. Interacţiunea adsorbit-suprafaţă este determinată de chimia suprafeţei, iar interacţiunile adsorbit-apă şi apă-suprafaţă sunt în funcţie de solubilitatea adsorbitului.

Pentru chemosorbţie, primul factor care controlează reacţia este tipul de reacţie chimică care intervine la suprafaţă. In alte cazuri, este important să fie furnizată o suprafaţă de adsorbţie. Volumul porilor mici este de asemenea important pentru aplicaţiile în fază gazoasă, dar nu în cele în fază lichidă.

Factori care influenţează adsorbţia: Suprafaţa şi mărimea porilor sunt factorii care determină numărul centrilor activi (de adsorbţie) şi accesibilitatea lor pentru adsorbit. In general este o relaţie inversă între dimensiunea porilor şi suprafaţă: cu cât porii sunt mai mici pentru un volum al porilor dat, cu atât suprafaţa valabilă pentru adsorbţie este mai mare. In plus, mărimea adsorbitului care poate pătrunde în por este limitată de dimensiunea porului de pe adsorbant şi ţine cont de efectele sterice.

Adsorbţia în poziţii specifice este predominantă la temperaturi scăzute şi se caracterizează de energii scăzute de adsorbţie.

Forţele care intervin la suprafaţa de adsorbţie: Intervin trei suprafete la adsorbţie:

1. adsorbit-adsorbant

2. adsorbit-apă

3. apă-adsorbant.

Forţele active care apar la fiecare din aceste interfeţe sunt următoarele:

1. atracţie coulombiană (sarcină (-) –sarcină (+) )

2. repulsie coulombiană (sarcină (-)-(sarcină (-) )

3. atracţie între specii ionice şi dipolii apei

4. atracţie între doi dipoli

5. atracţie între un dipol şi un dipol indus

6. atracţie între specii ionice şi specii neutre.

Adsorbţia chimică (chemosorbţia) se caracterizează prin apariţia unor legături puternice (energia de legătură este mai mare de 10 kcal/mol) între adsorbant şi adsorbit. Adsorbţia chimică sau chemosorbţia intervine când adsorbitul reacţionează cu suprafaţa adsorbantului pentru a forma o legătură covalentă sau o legătură ionică. In chemosorbţie, atracţia între adsorbant şi adsorbit apare ca o legătură chimică covalentă sau electrochimică între atomi în care cu cât lungimea legăturii este mai mică cu atât energia legăturii este mai mare. In general adsorbiţii legaţi prin chemosorbţie la suprafaţă nu pot să se acumuleze la mai mult de un strat molecular din cauza specificităţii legăturii între adsorbit şi suprafaţa adsorbantului. Legătura poate să fie specifică la anumiţi centri sau grupări funcţionale de la suprafaţa adsorbantului.

O serie de fenomene de adsorbţie chimică au loc datorită unor interacţiuni specifice între elemente structurale identice ale adsorbantului şi ale adsorbatului, fenomen care se numeşte adsorbţie specifică. Un exemplu de astfel de adsorbţie specifică este adsorbţia metalelor grele pe silicaţi şi pe oxidul de aluminiu care se găseşte în argile şi nisipuri şi reacţia ar fi de tip acid-bază:

MOH (aq) + SOH  SOM + H2O (aq) (1)

unde M este ionul metalic aflat în stare hidratată în soluţie, iar S este oxidul metalic adsorbant (reacţie acid-bază între metal-grupări hidroxilice de pe oxidul metalic /Park, 1975/. Capacitatea de adsorbţie a unui solid depinde de:

- suprafaţa specificǎ a materialului solid. Solidele din mediul natural (argile, silice) au suprafeţe specifice variabile în funcţie de starea mediului apos, pH, natura cationilor legaţi, saturarea suprafeţelor de cǎtre moleculele organice. Anumite argile cum ar fi bentonitele au o suprafaţǎ accesibilǎ multor tipuri de molecule şi variazǎ de la 40-800m2/g. Capacitatea lor de adsorbţie este variabilǎ, dar totuşi este un parametru în schimbul şi mobilitatea elementelor din mediul natural.