fakultet za fizicku hemiju

1. Belgrade 2018 © Dragoljub Vuksic
Sorpcija na čvrstim sorbertima
Sorpcija na čvrstim sorbertima
OKFK-2

2. 2
2
• Sorpcija na odgovarajućim sorbentima se pokazala kao praktična, efikasna i
ekonomski opravdana metoda za uklanjanje zagađujućih supstanci iz vodenih rastvora
i za razdvajanje sorbovanih vrsta u cilju dalje analize ili regeneracije.
Pravilnim projektovanjem i vođenjem sorpcionog procesa moguće je dobiti npr
prečišćenu vodu visokog kvaliteta
• Brojni prirodni materijali u izvornom obliku ili nakon tretmana, sintetički materijali,
otpaci ili sporedni proizvodi industrije i poljoprivrede testirani su i koriste se kao
sorbenti zagađujućih supstanci iz vodenih rastvora.

3. 3
• Kao kod tečnosti, i kod čvrstih supstanci privlačne sile molekula, atoma ili jona na
površini faze nisu uravnoteţene,
• Zbog toga čestice na površini čvrste supstance kada su u dodiru sa gasom ili
rastvorom imaju teyznju da vezuju molekule ili jone iz te druge faze,
• To dovodi do povećanja koncentracije stranih molekula, atoma ili jona na čvrstoj
površini, što predstavlja proces …

4. 4
• … spontanog povećanja koncentracije neke od komponenti heterogenog sistema na
granici dodira faza u odnosu na unutrašnjost faza- Adsorpcija.
• Razlikuju se adsorpciju na površini tečnosti (na granici tečnost/gas i tečnost/tečnost) i
adsorpciju na čvrstoj površini (granica faza čvrsto/gas i čvrsto/tečnost)
• Povećanje koncentracije stranih molekula, atoma ili jona na dodirnoj površini između
čvrste faze i faze sa kojom je čvrsta faza u kontaktu predstavlja adsorpciju na čvrstoj
fazi.
• Adsorpcija čistih tečnosti na dodirnoj površini sa čvrstom fazom naziva se
autoadsorpcija.
• Autoadsorpcijom se menja koncentracija tečnosti u graničnom sloju u odnosu na
zapreminu tečne faze i dovodi do promena fizičkih osobina tečnosti, kao što su gustina
i viskoznost

5. 5
• Najčešće je proces adsorpcije kompleksan i mešovit, tj. rezultat zajedničkog
delovanja nekoliko različitih vrsta sila.
• U slučaju fizičke adsorpcije može da nastane višeslojna adsorpcija sorbata po površini
sorbenta. Molekuli sorbata su vezani Van der Wals-ovim silama na površini sorbenta i
mogu se translatorno kretati po površini. Van der Waals-ove sile spadaju u slabe sile,
• Kod hemisorpcije, pri interakciji sorbenta i sorbata nastaju hemijske veze i to najčešće
kovalentne i gradi se monosloj adsorbovane supstance.
• Hemisorbovane čestice su pretrpele hemijsku promenu (reakcija ili disocijacija) čime
gube svoj hemijski identitet i ne mogu se vratiti u rastvor prostom desorpcijom.
• Hemijski adsorbovani molekuli nemogu da se kreću po adsorpcionoj površini jer so
rbat formira jaku lokalnu vezu sa aktivnim centrima na sorbentu, pri čemu se menja
sastav i osobina površine

6. 6
• Supstanca koja je vezana za površinu čvrste faze naziva se adsorbovana faza ili
adsorbat, a supstanca za čiju površinu je vezan adsorbat naziva se adsorbent
• Pojava adsorpcije (latinski adsorptio što znači koncentrisanje molekula gasa na čvrstoj
površini) se razlikuje od pojave apsorpcije (latinski absorptio što znači primanje u
sebe) koja za razliku od adsorpcije nije isključivo površinska pojava.
• Međutim, u slučajevima kada je ove procese teško ili nemoguće razlikovati, koriste se
izrazi – sorpcija odnosno sorbent i sorbat

7. 7
• Sorpcija u najširem smislu podrazumeva promenu koncentracije neke od
komponenata na graničnoj površini faza heterogenog sistema (Đorđević i Dražić,
1987).
• Princip sorpcije se zasniva na kontaktu rastvora ili gasa sa nekom čvrstom površinom
pri čemu dolazi do separacije komponenata sorbenta na površini ili unutar sorbenta.
• Priroda međučestičnih interakcija u čvrstom telu uslovljava postojanje energetskog
polja na njegovoj površini; zato površina preferira privlačenje i vezivanje određenih
komponenata, a sorpcija je limitirana veličinom dodirne površine, brojem i
dimenzijama pora

8. 8
• Aktivni ugalj - veoma efikasan, porozan sorbent, velike specifične površine.
• Ima veliku brzinu sorpcije i veliki kapacitet sorpcije.
• Uklanja širok spektar zagađujućih supstanci pri čemu se dobija efluent visokog
kvaliteta.
• Aktivni ugalj u prahu je prvo komercijalno proizveden u Evropi početkom 19. veka,
upotrebom drveta kao sirovine.
• Primena aktivnog uglja za tretman vode pri kome je uklanjan ukus i miris
kontaminirane vode u Sjedinjenim Državama zabeležena je 1930 .
• Egipćani su koristili karbonizovano drvo kao edicinski sorbent.

9. 9
• Za proizvodnju aktivnih ugljeva najviše se koriste drvo (130000 tona godišnje), ugalj
(100000 tona godišnje), lignit (50000 tona godišnje), kora kokosovog oraha (35000
tona godišnje) i treset (35000 tona godišnje).
• Međutim, kao sirovine za sintezu aktivnih ugljeva korišćeni su, takođe: drveni ugalj,
lignin, koštani ugalj, strugotina, otpaci destilacionog postrojenja fabrike alkohola, čađ,
pirinčane ljuske, koštunjavi deo breskve, ribe, otpadni talog veštačkog đubriva,
koštice voća, otpaci gume, otpaci guma od točkova, otpaci kože, komunalni otpad,
melasa, orahova kora, novinska hartija, koštice masline, kiseli naftni talog, otpaci
mlevene pulpe, palmino drvo, naftni koks, klipovi kukuruza, seme suncokreta, juta,
žitarice, lišće čaja, zrna kafe i dr.

10. 10
• Proizvodnja aktivnog uglja obuhvata karbonizaciju i aktivaciju.
• Karbonizacija se sastoji od sporog zagrevanja u odsustvu vazduha do temperature
pirolize, obično od 500 do 600 °C, pri čemu se uklanjanja najveći deo isparljivih
materija.
• Tokom aktivacionog procesa, prostor između kristalita se čisti uklanjanjem manje
uređenog slabo vezanog ugljeničnog materijala.
• Kao posledica toga nastaju kanali kroz grafitnu oblast, tj. prostor između elementarnih
kristalita, koji zajedno sa pukotinama unutar grafitnih ravni i paralelno sa grafitnim
ravnima sačinjavaju poroznu strukturu, sa velikom unutrašnjom slobodnom
površinom

11. 11
• Aktivni ugalj je sirovi oblik grafita sa neiskristalisanom ili amorfnom strukturom koja
je veoma porozna.
• Veličine pora se nalaze u širokoj oblasti od vidljivih naprslina, pukotina do otvora
molekularnih dimenzija.
• Aktivni ugljevi koji su korišćeni u istraživanjima se mogu podeliti na:
• komercijalno dostupne aktivne ugljeve i
• ugljeve koji su sintetizovani od sirovina koje se ne koriste komercijalno za
proizvodnju aktivnih ugljeva.

12. 12
• Sorpciona svojstva aktivnih ugljeva su određena:
specifičnom površinom, mikroporoznom strukturom i visokim stepenom površinske
reaktivnosti.
• Sorpcioni kapacitet zavisi od osobina aktivnog uglja, hemijskih osobina sorbata,
temperature, pHvrednosti sredine, jonske jačine, itd
• Poznavanje hemijskog sastava i strukture nekog sorbenta je neophodno za razmatranje
mogućih načina vezivanja različitih sorbata na njegovoj površini
• i metod aktivacija takođe određuje strukturu pora.
Makropore, mezopore i mikropore obrazuju veliku specifičnu površinu do 2000
m2 /g

13. 13
• Dva tipa aktivacije, fizička i hemijska, polaznom materijalu koji ima relativno malu
specifičnu površinu daju poroznu strukturu.
• Fizička aktivacija obuhvata tretiranje ugljeva vodenom parom, ugljen-dioksidom ili
kiseonikom na temperaturama od 800 do 1000 °C, pri čemu se usavršava poroznost i
povećava slobodna površina

14. 14
• Hemijska aktivacija se odvija uvođenjem neorganskih jedinjenja, kao što su hloridi
metala, na primer cink-hlorid ili fosforna kiselina pre karbonizacije.
Cink-hlorid je veoma široko korišćeno hemijsko sredstvo za dehidrataciju.
• Takođe ugljevi sa dobro razvijenom mezo- i mikro-poroznom strukturom mogu biti
dobijeni uvođenjem cink-hlorida.
• Aktivacija kalijum-hidroksidom uspešno uvećava slobodnu površinu i zapreminu pora
aktivnog uglja. Hlorovodonična kiselina, azotna kiselina i sumporna kiselina takođe se
koriste za aktivaciju. Ovi hemijski agensi ubrzavaju stvaranje poprečnih veza kojima
se postiže struktura veće mehaničke čvrstoće i manja sklonost prema isparavanju i
skupljanju tokom zagrevanja na visokim temperaturama.