Сорбенты, теоретические основы сорбционных процессов

1.2. Сорбенты, теоретические основы сорбционных процессов

Сорбенты — твердые и жидкие вещества, применяемые для поглощения растворимых соединений, газов или паров. Термин "сорбент" включает в себя адсорбенты, абсорбенты, ионообменные материалы и комплексообразователи. Сорбент обладает способностью взаимодействовать и связываться с сорбатом. В многокомпонентных системах это взаимодействие позволяет выделить сорбент из общей смеси. Каждый из сорбентов имеет свои особенности и отличительные свойства. Адсорбент удерживает адсорбированное вещество на границе раздела. Вещества могут адсорбироваться на границах раздела газ — жидкость или жидкость — жидкость, но наиболее важные в практическом отношении системы используют адсорбцию на границе раздела газа или жидкости с твердой фазой. Твердый адсорбент обычно применяется в виде гранул, имеющих пористое внутреннее строение. Внутренняя поверхность очень развита и, как правило, ее структура определяется пересекающимися порами малого диаметра [12].

Сорбенты делятся на пять типов: тонкодисперсные порошки, пористые угли, ионообменные гели, пористые смолы, молекулярные сита. Не следует рассматривать эти типы как абсолютно различные или, напротив, как частные случаи других типов. Проходят медико-биологическую оценку жидкие мембраны, которые нельзя отнести ни к одному из перечисленных типов сорбентов.

Адсорбционные свойства адсорбентов зависят от химического состава и физического состояния поверхности, характера пористости и удельной поверхности (поверхности, приходящейся на 1 г вещества). Непористые адсорбенты (молотые кристаллы, мелкокристаллические осадки, частицы дымов, сажи) имеют удельные поверхности от 1 м2/г до 500 м2/г. Удельные поверхности пористых адсорбентов (силикагелей, алюмогелей, алюмосиликатных катализаторов, активированных углей) достигают 1000 м2/г [81].

Непористые высокодисперсные адсорбенты получают, главным образом, при термическом разложении или неполном сгорании углеводородов (получение саж), сжигании элементоорганических и галогенных соединений (получение высокодисперсного кремнезема-аэросила). Пористые адсорбенты получают следующими способами:
— создавая сети пор в грубодисперсных твердых телах химическим взаимодействием;
— приготавливая гели из коллоидных растворов — золей;
— синтезируя пористые кристаллы типа цеолитов, имеющие особенно большое значение как катализаторы, адсорбенты и молекулярные сита.

Адсорбенты получают также термическим разложением карбонатов, оксалатов, гидроокисей, некоторых полимеров, молекулярной возгонкой твердых тел в вакууме и др. способами [11]. Для препаратов, используемых в качестве сорбентов, характерна твердая структура и значительная (как правило) физическая, ионитная сорбция. Один из старейших сорбентов, действие которого основано на физической сорбции, — активированный уголь, а ионной сорбции — пектиновые вещества и растительные продукты, содержащие их в большом количестве [82].

В последнее время для сорбции разработаны способы производства новых видов активированных углей, имеющих высокую механическую прочность. К ним относятся угли марок СКТ-6А ВЧ, ИГИ, СКН, изготовленные из различных углеродсодержащих материалов (каменный уголь, торф, спекающиеся угли) и характеризующиеся наличием суммарного объема пор в пределах 0,7—1,5 см3/г [27].

Активированные угли, в принципе, способны извлекать значительное количество веществ с молекулярной массой от нескольких десятков до нескольких тысяч дальтон — азотистые шлаки (креатинин, мочевая кислота, индол, гуанидиновые основания, полиамины и др.), нейромедиаторы (адреналин, норадреналин, серотонин, ацетилхолин), аминокислоты, пептиды средней молекулярной массы, триглицериды, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, сахара, кетокислоты, компоненты желчи, стероидные гормоны и др. Кроме того, сорбции подвергаются тяжелые металлы, алкалоиды, гипнотики, антидепрессанты, анальгетики, антипиретики, хлорированные углеводороды, фосфорорганические инсектициды, гербициды, дефолианты и др. Поскольку избирательная способность активированных углей мала, то можно предполагать, что в растворах смеси веществ в большей степени на них будет сорбироваться тот компонент, концентрация которого будет более высокой [19, 20].

Среди препаратов для сорбции применяют угольные, кремниевые и полимерные сорбенты. Для энтеросорбции чаще всего используются угольные сорбенты марок СКН, что означает карбонат насыщенный.

Сорбенты СКН относятся к группе поливалентных физико-химических антидотов. Имеют хорошо развитую микро- и мезопористость (объем сорбционных пор колеблется от 1,0 до 1,5 см3/г, поверхность пор — 1260—1600 м2/г) и хорошо адсорбируют алкалоиды, барбитураты, соли тяжелых металлов, токсины бактериального, растительного и животного происхождения, производные фенолов, салициловую кислоту, сульфаниламиды и т.д.

1.3. Механизм сорбции

Вещества сначала диффундируют к внешней поверхности гранулы сорбента. Потом с помощью внутренней диффузии через мембрану, если гранула инкапсулирована, адсорбат поступает по макропорам в мезопоры, где и происходит процесс адсорбции путем объемного заполнения. Поглотительная способность сорбентов обусловлена их пористой структурой. Линейные размеры пор должны совпадать с диаметром молекулы веществ, которые адсорбируются.

Между поверхностью сорбента и стенками клеток разных видов патогенных бактерий происходит неспецифическое взаимодействие, которое не приводит к деструкции микробных клеток. Это взаимодействие проходит в две стадии: сначала главную роль играют дальнодействующие, а потом — близкодействующие электростатические силы и взаимосвязи, которые возникают между структурами клеток и функциональными группами поверхности сорбента. Наибольшую степень адгезии (прилипания) обеспечивает соответствие размеров сорбента и микроорганизмов.