СОРБЦИЯ

СКОРОСТЬ АДСОРБЦИИ

Гыстро несутся поезда и автомашины, с сверхзвуко - вой скоростью прочерчивают небо реактивные само­леты, как молния летит стружка из-под резца токаря-ско­ростника — вся соврехменная техника стремится овладеть большими скоростями. Даже такой, казалось бы, узако - ненно медленный процесс, как выращивание больших кристаллов из раствора солей, и тот переведен на большие скорости, чтобы успевать удовлетворять потребности техники в специальных кристаллах[15]).

Стоит ли говорить об ускорении процесса адсорбции? Ведь молекулы газа движутся с огромными скоростями (молекула азота, например, при обычной температуре об­ладает скоростью более четырехсот метров в секунду) и, конечно, практически мгновенно достигнут поверхности адсорбента и закрепятся на ней. Все эти рассуждения правильны, если речь идет об адсорбции на гладкой, плос­кой поверхности, доступной для молекул газов и паров. Но мы уже знаем, что технические адсорбенты — пори­стые тела с очень сильно развитой внутренней поверх­ностью.

Современная техника требует, чтобы и адсорбция была скоростным процессом. Возьмите, к примеру, знакомый всем противогаз. Вам, конечно, известно, что слой активи­рованного угля, находящийся в противогазовой коробке, предназначен для поглощения паров отравляющих веществ, проходящих через него. Так вот, нужно успеть, чтобы весь процесс поглощения завершился в слое угля, чтобы в легкие человека не попало такого количества ве­

Щества, которое, по современным воззрениям медицины, является токсическим, то есть могущим повредить здо­ровью.

С какой же скоростью проходит вдыхаемый воздух через слой адсорбента в противогазе? Сколько времени отпускают нам биологи для защиты одного вдоха чело­века?

Время это очень мало. Работающий человек вдыхает воздух со средней скоростью около пятидесяти литров в минуту. Поперечное сечение коробки противогаза прибли­зительно равно 70 См2. Значит, через каждый квадратный сантиметр свободного сечения воздух проходит со скоро­стью 0,7 литра в минуту. А так как слой поглотителя имеет в среднем толщину 5—7 сантиметров, молекула отравля­ющего вещества проходит через него в течение всего толь­ко нескольких долей секунды. В такой ничтожный проме­жуток времени отравляющее вещество должно быть уда­лено из вдыхаемого воздуха, вернее, удалено в такой сте­пени, чтобы остатки его не представляли вреда для чело­веческого организма.

Вот отсюда и возникает необходимость иметь сорбент с большой скоростью поглощения. Сорбент может обла­дать огромной внутренней поверхностью пор, но, если эта поверхность трудно доступна, кому нужен такой сорбент в наше время больших скоростей?

Техническая мысль направлена по такому пути: со­здать адсорбент со структурой, напоминающей коридор­ную систему в жилых домах. Вот перед нами широкие ко­ридоры, по которым свободно несутся молекулы газа. До­ходя до отдельных квартир, молекулы проникают туда и в них размещаются. Необходимо сделать все точки по­верхности сорбента легко доступными для молекул газа. Только тогда сорбент будет отвечать требованиям боль­шой скорости адсорбции.

Такое требование может быть выполнено. Вспомните, что активированный уголь, приготовленный из порошка антрацита, будет отвечать этим условиям: промежутки

Между порошинками представляют собою «коридоры», а разрыхленная поверхность каждой порошинки — отдель­ные «квартиры». Вот почему активированный уголь, при­готовленный из порошкообразного материала, повсемест­но вошел в технику противогазового дела и вытеснил уголь, получаемый из натурального растительного сырья.

Не удивляйтесь тому, что мы сейчас перенесемся на десятки лет назад, к войне 1914 года. Именно в этой войне немецкие империалисты впервые применили против наших войск страшное оружие — отравляющие газы. На борьбу с химическим оружием выступили русские химики; это бы­ло вполне естественно: раз оружие химическое, то и сред­ства защиты должны были тоже основываться на химии.

Первым отравляющим веществом был газ хлор. Веще­ства, поглощающие хлор, были известны уже давно, и, конечно, они-то и были применены в первую очередь. Рас­твор гипосульфита, хорошо знакомый всем фотолюбите­лям, прекрасно поглощает хлор по следующей реакции:

Ыа25203 + 5Н20 + 4С12 = 8НС1 + Н,504 + Ыаа804.

Гипосульфит вода хлор соляная серная сернокислый

Кислота кислота натрий

Были изготовлены сотни тысяч марлевых повязок-ма­сок, пропитанных раствором гипосульфита — главного по­глощающего вещества, соды — нейтрализатора образую­щихся кислот и глицерина — вещества, обеспечивающего постоянную влажность маски. Последнее было совершенно необходимым, так как перечисленные химические реакции могли происходить только в присутствии влаги. Такая маска довольно хорошо поглощала хлор по крайней мере в тех количествах, которые применялись на войне. Когда немцы применили фосген, в пропитку маски пришлось до­бавить уротропин (известное лекарство), и маска стала более универсальной.

Однако стало ясно, что нельзя же пропитать маску всеми химикалиями, способными поглощать все вещества, которые может применить противник. Необходимо было применить более универсальный способ поглощения паров отравляющих веществ. Этот способ был найден, и вы уже догадываетесь, какой.

Бессмертна заслуга русского химика Николая Дмит­риевича Зелинского, не только предложившего применить адсорбционный метод поглощения отравляющих веществ, но и воплотившего его в жизнь. Ученые хорошо знают, что предложить какое-либо новшество — это даже не полдела, а, скорее, одна десятая всего дела. Ведь важно не только открыть новый способ, нужно опробовать его сначала в лаборатории в сотнях и тысячах опытов, затем перейти к испытаниям в более крупных масштабах, потом в полу - производственных и, наконец, в производственных ус­ловиях.

При этом необходимо позаботиться о доступности ис­ходного сырья. Для сырья же, которое шло на военные средства защиты, ставилось и ставится сейчас еще одно важное условие: оно должно быть отечественного проис­хождения, не должно быть связано с импортом.

Всего этого еще мало. Нужно было связать в единый производственный коллектив несколько отраслей промыш­ленности, так как для изготовления нового противогаза требовался не только активированный уголь, но и жестя­ная коробка и резиновая маска. Вспомните, что в те годы у нас не было своего каучука для изготовления резины, и вы поймете, какие колоссальные трудности пришлось преодолевать Н. Д. Зелинскому и его сотрудникам. Да и этого было еще мало. Нужно было наладить испытания активированного угля, полигонные испытания всего про­тивогаза в целом, разработать специальные инструкции для обучения солдат пользованию этим новым, невидан­ным средством защиты.

Все трудности были преодолены, и русская армия по­лучила первый в мире угольный войсковой противогаз — универсальное средство защиты. Явление адсорбции, по­глощения, спасло на фронте десятки тысяч человеческих жизней.

Стоит ли рассказывать о том, как устроен угольный противогаз? Пожалуй, не стоит: все видели его, занима­лись в кружках противовоздушной обороны, может быть, даже сами о нем рассказывали.

Однако раз мы уж говорим о скорости адсорбции, стоит подробнее ознакомиться с тем, каким образом «ра­ботает» слой угля, помещенный в противогазовой короб­ке. Поглощение молекул отравляющих веществ происхо­дит в условиях движущегося потока воздуха, или, как го­ворят, в динамических условиях. Ясно, что довольно тол­стый — около шести сантиметров — слой угля будет ис­пользован не сразу, а постепенно, послойно.

Ученик Н. Д. Зелинского профессор Николай Алек­сандрович Шилов [16]) в период первой империалистической войны, во фронтовых условиях, развернув работу по­ходного вагона-лаборатории, детально исследовал новое явление—поглощение газов и паров из тока воздуха. Что­бы наблюдать, с какой скоростью идет постепенное запол­нение слоя угля молекулами отравляющего вещества, Ши­лов построил модель этого слоя. Небольшие количества угля были помещены в стеклянные трубочки, соединенные последовательно друг за другом. Все трубочки были пред­варительно взвешены на чувствительных весах. Опыт на­чинался с того, что через такую цепь пропускался ток воз­духа, содержащий пары хлора. Через определенные про­межутки времени трубочки разъединялись и по отдельно­сти взвешивались.

Шилов изменял в отдельных опытах скорость тока воздуха, концентрацию хлора в нем, число отдельных тру­бочек и их размеры — словом, поступал так, как поступает всякий исследователь-экспериментатор, пытающийся объ­яснить, осмыслить новое явление.

Огромное количество разнообразных опытов было про­делано и в вагоне-лаборатории, и по возращении с фрон­та. Н. А. Шилову удалось выразить довольно сложные фи­зические закономерности, управляющие поглощением га­зов и паров в динамических условиях, очень краткой ма­тематической формулой; она и до сих пор называется «формулой Шилова». Формула отвечала на основной вопрос противогазового дела: сколько времени будет за­щищать человека слой угля такой-то длины при таких-то условиях пользования противогазом?

Давайте и мы с вами построим модель противогаза. Только мы выберем другой способ моделирования, часто применяющийся в науке и технике. Что больше всего ин­тересует нас в свойствах угля, применяемого в противога­зе? Во-первых, его емкость, способность поглощать то или иное количество паров, и, во-вторых, как мы уже не раз говорили, скорость поглощения этих паров. Ну вот, мы и возьмем вместо отдельных слоев угля сосуды с постоянной емкостью, а вместо газовоздушной смеси — воду.

На рис. 8, А изображена такая модель из нескольких сосудов, стоящих на лесенке так, что из первого сосуда вода может переливаться во второй, из второго — в тре­тий и т. д.

Пустим струю воды в первый сосуд. Пройдет некото­рое время, пока из нижнего сосуда вода начнет выливать­ся в чашку. От чего будет зависеть это время? Конечно, от скорости потока: чем сильнее пустим мы воду, тем бы­стрее заполнится вся система. Это время уменьшится, если мы возьмем сосуды меньшей емкости (рис. 8, б).

Вот мы и получили на нашей модели уже две закономер* ности: чем больше скорость тока газовоздушной смеси, чем меньше емкость угля, тем меньше «время защитного действия», то есть время от начала пропускания газа че­рез слой до появления его за слоем.

Посмотрите на рис. 8, В. Емкость сосудов осталась той же, но скорость заполнения их значительно уменьшилась: у сосудов очень узкие горлышки. Вода, не успев заполнить первый сосуд, уже перебрасывается во второй, частично заполняет и третий — в общем, нарушилась вся строй­ность и последовательность процесса. Ясно, что вода нач­нет выливаться в чашку еще задолго до того, как будут использованы емкости всех сосудов. Последний из них только-только начнет заполняться, а опыт придется закон­чить: истекло «время защитного действия».

Мы сделали на нашей модели еще одно важное наблю­дение. Чем меньше скорость заполнения емкости угля ад­сорбируемым веществом, тем меньше время защитного действия, тем хуже будет использован весь слой угля за время опыта. Последний слой угля почти не будет отрабо­тан, он только-только начал адсорбировать пары, а про­тивогаз придется сменить: он уже не годен и пользоваться им опасно.

Значит, уголь, применяемый для поглощения, должен обладать не только большой адсорбционной емкостью, но и структурой, обеспечивающей большую скорость погло­щения. А как достигается такая структура, мы уже гово­рили.

До сих пор нас не очень интересовал вопрос: что же будет, если адсорбент поместить в атмосферу, содер­жащую смесь двух или нескольких газов или паров? Будут ли они все сразу одинаково адсорбироваться или предпочтение будет отдано какому-нибудь одному из них?

Из смеси будут адсорбироваться все пары, но в боль­шей или меньшей степени. Чем сильнее, крепче связь, об­условленная силами молекулярного притяжения между молекулами газа и поверхностью адсорбента, тем более конкурентоспособен данный газ, тем сильнее и полнее вы­тесняет он с поверхности остальные адсорбировавшиеся молекулы. Пары спирта, например, адсорбировавшиеся на поверхности угля, могут быть вытеснены, конечно не пол­ностью, парами бензола, так как молекулы последнего прочнее связываются с поверхностью угля.

Водяные пары очень прочно связываются с поверх­ностью силикагеля и могут вытеснять с нее пары бензола, если они ранее были адсорбированы. Подобных примеров можно привести множество.

Явление вытеснения одного газа другим будет, вероят­но, сказываться и на процессе динамического поглощения. Чтобы убедиться в этом, обратимся снова к нашей модели. Одна жидкость должна вытеснять другую из сосуда. Возьмем для наших целей насыщенный раствор поварен­ной соли и подкрасим его чернилами.

Повторим самый первый опыт и будем вести его почти до конца, когда только-только начнет заполняться послед­ний сосуд. Теперь пустим в верхний сосуд «лучше адсор­бирующийся газ», то есть более тяжелую жидкость, под­крашенный насыщенный раствор поваренной соли. Раст­вор сейчас же начнет вытеснять воду из верхнего сосуда, и вся система придет снова в действие. Из нижнего сосу­да довольно долго будет вытекать неокрашенная вода. Посмотрите на нашу лестницу — на ней вся гамма оттен­ков: на самом верху раствор окрашен наиболее интенсив­но, внизу же в сосуде совсем чистая вода.

Вот еще наблюдение, сделанное при помощи модели, Хорошо адсорбирующийся газ, впущенный в противога­зовую коробку, будет вытеснять из слоя угля ранее содер­жавшееся в нем вещество, если оно сорбируется хуже. В технике явление вытеснения с успехом используется; как это делается, мы увидим в дальнейшем. В противогазо­вом деле вытеснение одного вещества другим иногда пред­ставляет большую опасность. Представьте себе, что про­тивогаз успешно защитил вас от вдыхания паров какого - нибудь отравляющего вещества. Если этим же противога­зом пользоваться в дальнейшем в атмосфере даже не от­равляющего вещества, а такого, пары которого хорошо по­глощаются, например в атмосфере паров бензина, вы рискуете пострадать от вытесненного из противогаза от­равляющего вещества, о котором вы даже могли и за­быть.

Но не тревожьтесь: во-первых, технологи в настоящее время достигли больших успехов в деле приготовления активированных углей с большой удерживающей способ­ностью; стало не так-то легко вытеснить одно вещество другим. Во-вторых, если вы даже не знаете устройства и свойств противогаза, применяемого в промышленности, специальная служба защиты не разрешит вам проделы­вать рискованные опыты, только что описанные мною.

Мы уделили довольно много места описанию процесса поглощения газов и паров из тока воздуха. И это не слу­чайно: все технологические процессы, в которых применя­ется явление сорбции и которые мы опишем в дальнейшем, связаны именно с динамикой поглощения газообразных или растворенных веществ. Технологически всегда удобнее пропускать раствор через слои зерненого адсорбента и непрерывно получать готовый продукт, чем смешивать от­дельные порции раствора с поглотителем и затем отделять готовый продукт от адсорбента при помощи отфильтровы - вания, центрифугирования или других громоздких опера­ций. А уж о газовых смесях и говорить не приходится: пропускание газовоздушной смеси через слой адсорбен­та — единственно технологически возможный способ ее адсорбционной очистки.