СОРБЦИЯ

МИЛЛИОНЫ РУБЛЕЙ НА ВЕТЕР

ЦД ы уже говорили о том, что в некоторых производствах ** * применяется большое количество летучих растворите­лей. При выделке прорезиненных тканей для плащей на тканевую основу наносятся тонкие слои каучуковой смеси, растворенной в бензине. Этот резиновый клей содержит по весу около 85% бензина. На один квадратный метр тка­ни намазывается последовательно до 10 слоев, или, как говорят производственники, «штрихов», резинового клея. После каждого штриха бензин, содержащийся в клее, дол­жен испариться, для чего ткань пропускается над горячей плитой.

Для того чтобы изготовить один рулон — 300 мет­ров ткани, приходится испарять около 15 килограммов бензина, причем высокосортного бензина. А количество бензина, затрачиваемого на большом заводе за одни сут­ки, уже исчисляется тоннами.

Куда же девается этот бензин? Чаще всего он улету­чивается в трубу, на ветер, и улетучивается, конечно, без­возвратно.

Но бензин — сравнительно дешевый растворитель. В технике применяются значительно более дорогие лету­чие вещества: ацетон, амилацетат, спирт и эфир. Неужели и им можно позволить уходить в трубу? Конечно, хорошо оборудованное производство не может разрешить себе такое расточительство народных средств.

Над плитой, о которой только что шла речь, находится вытяжной колпак, соединенный с вентиляционной систе­мой: нельзя же пары бензина выбрасывать просто в цех. Вот по дороге к этой системе мы и поставим аппараты, улавливающие пары бензина,— так называемые рекупе­раторы.

Рис. 9 представляет собою схему рекуперационной установки. Рассмотрим несколько подробнее ее устрой­ство. Это необходимо потому, что последовательность по­глощения и извлечения паров повторяется почти во всех производственных установках этого типа.

Центральное место здесь занимают адсорберы 1 и 2. Они представляют собою вертикально поставленные ци­линдрические стальные котлы, внутри которых, на решет­ке 3, насыпан слой зерненого сорбента 4. Воздух, содер­жащий пары бензина, входит через трубу 5, а выходит через трубу 6. Как видите, установка содержит довольно большое количество вентилей и задвижек. Сейчас мы вы­ясним их назначение и последовательность действия.

Вы спросите: а зачем нужно иметь два адсорбера? Очень просто: пока в одном идет процесс адсорбции, в другом завершается десорбция. Если адсорбция и десорб­ция идут с разными скоростями, ставят не два, как пока­зано на рисунке, а большее количество адсорберов. Этим самым соблюдают важнейший принцип производства — непрерывность процесса.

Воздух с парами бензина входит через трубу 5 — за­движка 7 открыта, а 8 — закрыта. Проходя через слой поглотителя 4У воздух оставляет в нем пары бензина и чэрез задвижку 9 (задвижки 10, 11 и 12 закрыты) уходит в вытяжную вентиляцию.

Постепенно слой адсорбента заполняется поглощен­ными им парами бензина. Наступает момент «проскока» паров. Вы уже знаете, что к этому времени заполнена не вся емкость поглотителя, но ничего не поделаешь, он уже непригоден для дальнейшей работы. Нужно извле­кать из сорбента поглощенные им пары, иначе все боль­шее и большее количество их будет идти «в трубу».

Мы знаем, что при повышении температуры величина адсорбции уменьшается: наступает процесс десорбции поглощенного вещества. Значит, нужно нагреть слой по­глотителя. А куда же денутся десорбированные молекулы бензина? Их нужно как-то увести из объема адсорбера. А что, если пропустить через адсорбер чистый горячий воздух? Одновременно мы и нагреем слой поглотителя, и выведем из адсорбера пары бензина. Кажется, все полу­чается очень хорошо.

Ну, прекрасно. А что же делать дальше? Снова погло­щать адсорбентом получившуюся смесь паров бензина с воздухом?

Технологи поступают не так. Они пропускают через слой сорбента не воздух, а горячий водяной пар, открывая вентиль 13. При этом достигаются сразу две цели: горя­чий пар нагревает слой сорбента и в то же время сам вы­тесняет из него пары бензина. Правда, водяной пар, да еще при высокой температуре, сорбируется хуже паров бензина, но не забывайте, что он присутствует в гораздо большем количестве, концентрация его несоизмеримо ве­лика, и это обстоятельство неизбежно сказывается: водя­ной пар практически нацело вытесняет пары бензина.

А дальше все очень просто. Смесь паров бензина и водяного пара конденсируется в холодильнике 14, куда она попадает при закрытии задвижек и вентилей 7, 9, 12 И открытии 11. В сепараторе (разделителе) 15 слой жидкого бензина, который легче воды, располагается на­верху и после выпуска нижнего водяного слоя может быть слит в соответствующую емкость — цистерну.

Пока мы с вами занимались десорбцией и конден­сацией паров бензина, второй адсорбер, наверное, уже на­сытился этими парами, и его пора включить в уже извест­ный нам процесс десорбции. Так осуществляется непре­рывный производственный процесс рекуперации паров ле­тучего растворителя.

Какой адсорбент выбрать нам для осуществления только что описанного процесса? Правда, мы с вами зна­комы только с двумя: активированным углем и силикаге­лем. Активированный уголь значительно сильнее погло­щает пары бензина — от 15 до 30 граммов на 100 грам­мов угля, в то время как силикагель поглощает только 8—15 граммов. Вывод как будто напрашивается сам: нужно применить активированный уголь.

«Не спешите с выводами,— скажут нам технологи.— И уголь, и силикагель мы должны поместить в какие-то емкости — адсорберы». Значит, для конструкторов имеет большее значение объем сорбента, нежели его вес. И вот оказывается, что сто кубических сантиметров угля погло­щают почти ровно столько же паров бензина, сколько их поглощают те же сто кубических сантиметров силикагеля. А все это потому, что силикагель по удельному весу тя­желее угля. Технологов больше интересует активность адсорбента не на единицу веса, а на единицу объема. Скажем, к примеру, если бы обыкновенная рыхлая ва­та могла конкурировать по адсорбционной способности с углем, все равно она не получила бы практического применения. Адсорберы выросли бы в многоэтажные дома, а противогаз едва ли уместился бы в большом рюкзаке.

Применение силикагеля имеет и другие преимущества. Силикагель более «гидрофилен», то есть он лучше погло­щает пары воды, нежели пары бензина; водяной пар легче вытесняет из силикагеля пары бензина, чем из активиро­ванного угля. Наконец, механическая прочность силика­геля больше, чем у угля, зерна его не разрушаются при переменах температур адсорбции и десорбции, а это очень важно для технологов. В противном случае пыль раздробленного адсорбента может засорять проходы для пара и увеличивать сопротивление всей установки.

Ы уже знаем, что при адсорбции проявляются силы взаимодействия между молекулами поглощаемого га­за или пара и атомами поглотителя, расположенными на его поверхности. Здесь действуют и силы электрического притяжения, и молекулярные силы, так называемые ван - дер-ваальсовы силы, благодаря которым притягиваются даже нейтральные молекулы. Они проявляются, напри­мер, в явлении сцепления молекул жидкости между собою.

По мере возрастания давления пара над поверхностью сорбента на последней образуются адсорбционные слои толщиною сначала в одну, потом в две, три и более моле­кул. Что же удерживает молекулы пара на самой границе многомолекулярного слоя, уже вдали от поверхности сор­бента? Да те же самые силы молекулярного притяжения, для которых слой уже сидящих молекул достаточно «про­зрачен», иначе говоря, силы Ван-дер-Ваальса обладают дальнодействием и не экранируются промежуточными слоями молекул. Значит, нет предела утолщению адсорб­ционного слоя?

Нет, этот предел возникает вполне естественно, сам собою. По мере удаления от поверхности сорбента сила притяжения все же убывает, и самые крайние молекулы пара уже могут преодолевать ее вследствие достаточно интенсивного молекулярного движения. Крайние моле­кулы могут «улететь» из зоны притяжения и не вернуться более в нее. Вся картина во многом напоминает земную атмосферу, в которой воздух имеет большую плотность вблизи поверхности Земли, удерживаясь силами всемир­ного тяготения. Но по мере удаления от поверхности сила притяжения убывает и атмосфера становится более разреженной.

Адсорбционный слой, состоящий по толщине из мно­гих молекул, похож уже на слой жидкости, правда, свое­образной. Переход пара в жидкость на поверхности сор­бента под действием молекулярных сил притяжения — довольно распространенное явление. Особенно оно харак­терно для пористых сорбентов, структура которых обра­зована мельчайшими капиллярами, например для угля и силикагеля.

Заполнение пор сорбента жидкостью, образовавшейся из пара под действием молекулярных сил, носит название капиллярной конденсации.

При каких же условиях в порах и капиллярах сорбен­та может конденсироваться пар жидкости? Чтобы отве­тить на этот вопрос, нам с вами нужно припомнить неко­торые простые физические явления.

Почему гусь выходит «сухим из воды» или почему го­ворят «как мокрая курица»? Потому что перья гуся по­крыты тонким жировым слоем и не смачиваются водой, вода с них скатывается («как с гуся вода») мелкими от­дельными капельками. У курицы же нет на перьях жиро -

Рис. 10. Капли жидкости, несмачивающей и смачивающей поверхность.

Вого слоя, вода смачивает их, перья слипаются и при­дают курице весьма жалкий вид.

Ну, хорошо, а что же характеризует «смачивание» и «несмачивание»? Если на стекло, покрытое жиром, поме­стить капельку воды, она будет лежать на нем и кататься, как бусинка, не растекаясь (рис. 10, а). На чистом же стекле капля воды растечется в плоскую лепешку (рис. 10, Б).

Угол А (альфа) называется углом смачивания. Если он тупой, говорят, что жидкость не смачивает поверхности, а если острый, то — смачивает. Вот угол а, краевой угол, и характеризует смачивание и несмачивание.

Погрузите чистую узкую стеклянную трубочку в ртуть и вы увидите, что уровень ее в трубочке будет стоять ниже поверхности ртути в чашечке (рис. 11, а), а если трубочку погрузить в керосин, последний даже несколько поднимется в трубочке (рис. 11, б). В первом случае, слу­чае несмачивания, поверхность жидкости в трубочке, на­зываемая мениском, имеет выпуклую форму, а во вто­ром — вогнутую.

Капиллярная конденсация может происходить только при том условии, если стенки пор и капилляров сорбента смачиваются сконденсированными парами жидкости, то есть при условии образования вогнутого мениска.

Вогнутый/ мениск

Б)

Рис. 11.Жидкость, несмачивающая и смачивающая стенки капилляра.

Это вызвано следующим явлением. Посмотрите на рис. 12, А, на котором схематически изображена молекула пара жидкости, находящаяся над плоской поверхностью

А)

Рис. 12. Схематическое изображение сил притяжения, действующих на молекулу пара, находящуюся над поверхностью жидкости.

Той же жидкости. Молекулярные силы притяжения обозна­чены стрелками, расположенными вокруг молекулы. Ясно, что молекула пара взаимодействует с поверхностью жидкости и притягивается к ней.

Но обратите внимание на следующий случай (рис. 12, б), когда молекула пара находится не над плос­кой, а над вогнутой поверхностью жидкости. Здесь взаимо­действие проявляется гораздо сильнее, молекула пара име­ет меньшую вероятность оторваться от поверхности жидко­сти и уйти в пространство. Все молекулы пара жидкости, попавшие в пространство над вогнутым мениском, будут сорбироваться на этом мениске, а это и есть капиллярная конденсация.

Чем уже капилляр, тем больше вогнутость мениска. Значит, для поглощения паров путем капиллярной конден­сации нужны сорбенты с большим количеством узких пор; заметное поглощение наблюдается при порах диаметром в тысячные доли миллиметра. За счет капиллярной конден­сации некоторые сорбенты могут поглотить столько паров жидкости, что вес этих паров будет более 50% веса погло­тителя. Это значительно превосходит обычную адсорб­цию.

Конечно, ни один сорбент, природный или искусствен­но полученный, не обладает капиллярными трубочками или порами. Они выглядят как трещины, углубления, из­вилистые ходы и т. п. между частицами материала, состав­ляющего сорбент. Но все равно, если где-нибудь в углубле­нии, трещине или в местах соприкосновения частиц образо­вался вогнутый мениск жидкости, капиллярная конденса­ция началась, и она будет продолжаться по мере доставки ларов извне к поверхности сорбента.

Таким образом, мы познакомились еще с одним видом сорбции. Находит ли капиллярная конденсация примене­ние в технике? Да, с нею мы имеем дело чаще всего, когда речь идет о поглощении паров при большой их концентра­ции; вспомните рекуперационную технику, поглощение па­ров бензина в резиновой промышленности.

Особое место в технике применения сорбционных про­цессов занимает в последнее время осушка воздуха, при­чем его огромных количеств. Так как количество водяных паров в атмосфере очень велико, только капиллярная кон­денсация может справиться с их поглощением. Общеприз­нанным поглотителем в подобных процессах является си­ликагель. Поверхность его пор хорошо смачивается водой, да и структуру и размеры пор можно регулировать в про­цессе изготовления силикагеля, меняя режимы химических операций. Силикагель прочен, не горит и при продувке го­рячим воздухом хорошо отдает сорбированную влагу, по­сле чего он снова готов к работе. При помощи силикагеля, применяя аппаратуру, похожую на описанную в разделе о рекуперации, осуществляют так называемую «глубокую осушку» воздуха, когда в одном кубометре его можно на­считать немногие миллиграммы водяных паров. Регенера­цию силикагеля, как мы уже сказали, ведут горячим воз­духом.