ФІзична та колоїдна хімія 2 восст

Застосування адсорбції

У виробництві харчової продукції адсорбція відбувається при гідромеханічній і тепловій обробці продуктів як супутній самочинний процес. Наприклад, при варінні, смаженні продукт не тільки вивільняє вологу або розплавлений жир, але й поглинає їх, при цьому також адсорбує гази і пари.

Процеси адсорбції відбуваються при кулінарній гідромеханічній обробці круп та бобових культур. При митті і попередньому замочуванні деяких з них відбувається поглинання вологи та набухання. Здатність круп поглинати вологу використовують на практиці. Так, використання адсорбційних властивостей круп при замочуванні сприяє збереженню їх форми при кулінарній обробці. Внаслідок адсорбційних явищ сипкі продукти (мають велику питому поверхню) поглинають із навколишнього середовища водяну пару, гази. Таку властивість мають деякі продукти: не можна зберігати вершкове масло поряд з рибою. Також продукти з низькою вологістю здатні поглинати з навколишнього середовища водяну пару, що сприяє підвищенню вологості продукту, прискорює процеси псування – біохімічні та хімічні реакції, зростає температура продукту, прискорюється розмноження мікроорганізмів.

Десорбційні процеси використовують для відновлення поглинальних (сорбційних) властивостей абсорбентів і адсорбентів з метою їх повторного використання, а також для вилучення з них абсорбованих і адсорбованих речовин з метою їх подальшої переробки. На практиці, як правило, після завершення сорбційних процесів приступають до проведення десорбційних процесів.

Шляхи виконання десорбційних процесів:

нагрівання сорбентів;
зниження загального тиску в системі або парціального тиску сорбтивів;
пропускання через сорбенти інертних газів або рідин, які витискають сорбовані речовини.

Для регенерації сорбентів після хемосорбції використовують відповідні хімічні реактиви.

При виробництві харчової продукції десорбцію використовують при просушуванні та провітрюванні цукру, борошна, солі та інших продуктів, які при зберіганні адсорбувати вологу з оточення.

У хімічній промисловості значну роль відіграє гетерогенний каталіз, в якому вирішальна роль належить процесу адсорбції твердим каталізатором реагуючих речовин.

В адсорберах періодичної дії газова суміш або рідина, з якої видалятимуть компоненти, надходить через патрубок 1 в адсорбер, проходить через шар поруватого адсорбенту 2, розміщеного на горизонтальній решітці 3 та видаляється з адсорбера через патрубок 4. Після насичення адсорбенту (визначається за початком проходження газу або рідини, що поглинають), проводять десорбцію. Шар адсорбенту прогрівають парою, що подається через патрубок 5, при цьому з адсорбенту відганяються пари адсорбованої речовини і через патрубок 6 вони відводяться на конденсацію та подальшу переробку. Потім адсорбент висушують гарячим газом і після охолодження проводять цикл процесів.

В адсорберах безперервної дії (гіперсорберах) зернистий адсорбент переміщується вздовж вертикальної колони, у верхній частині якої відбувається адсорбція, а в нижній частині – десорбція при нагріванні. Також використовують адсорбери безперервної дії з киплячим шаром адсорбенту. У корпусі 1 одноступінчастого адсорбера через розподільчу решітку 2 знизу подається газ, який переводить зернистий адсорбенту у стан киплячого шару 3. Адсорбент безперервно подається зверху і через трубу 4 видаляється на десорбцію.

Адсорбер безперервної дії Адсорбер періодичної дії

Залежно від того, що адсорбується на поверхні адсорбенту, розрізняють:

Молекулярна адсорбція

(речовина адсорбується у вигляді цілих молекул)

полярні адсорбтиви краще адсорбуються на полярних адсорбентах – з неполярних розчинників;
неполярні адсорбтиви краще адсорбуються на неполярних адсорбентах із полярних розчинників;
чим краще речовина розчиняється у розчиннику, тим гірше вона адсорбується.

Іонна адсорбція

(речовина адсорбується у вигляді іонів)

Хімічна реакція між іонами розчиненої речовини і твердою поверхнею адсорбенту.

Особливості:

між іонами і адсорбентом діють сили молекулярного зчеплення і хімічні сили;
утворена сполука залишається в поверхневому шарі, а склад внутрішніх шарів твердої фази не змінюється;
іонна адсорбція – необоротний процес, після проведення адсорбції іоніт (адсорбент) підлягає регенерації;
з підвищенням температури зростає.

Як сорбенти в іонообмінній адсорбції використовують іоніти – тверді, практично нерозчинні у воді і органічних розчинниках матеріали.

Іоніти за походженням класифікують на:

мінеральні;
органічні;
природні;
синтетичні.

Іонообмінні смоли – аморфні полімери сітчастої структури. Присутність в макромолекулах іоноген них груп надає полімеру гідрофільності. Оскільки ланцюги макромолекул полімеру у іонітних смолах «зшиті» один з одним у просторову сітку, розчинник спричиняє лише набухання смоли.

З електрохімічної точки зору іоніт – полівалентний іон з негативним або позитивним зарядом оточений іонами протилежного знаку.

Відмінність іонітів від звичайних сорбентів: поглинальна здатність іонітів практично не залежить від площі поверхні і визначається лише активною частиною іоніту (дисоцийовані іоногенні групи, що беруть безпосередню участь в реакція іонного обміну).

Молекула іоніту містить тисячі атомів, які зв’язані у довгий ланцюг або сітчасту структуру. Це головна частина молекули великий позитивно або негативно заряджений іон, який нейтралізується меншими іонами протилежного знаку, які обмінюються місцями з іонами в розчині.

Іоніти поділяють на дві групи:

катіоніти – смоли, одержані з органічних речовин кислотного характеру (фенолів), здатних обмінюватися іонами гідрогену на катіони металів із розчину.
аніоніти – смоли, одержані з органічних сполук основного характеру (анілін), здатних обмінюватися гідроксильними групами на різні аніони з розчину.

У катіонообмінній смолі відбувається реакція:

R‑COOH + K⁺  R ‑COOK + H⁺

В аніонітах реакція іонного обміну відбувається за схемою:

R‑NH₃OH + An^-  R ‑NH₃ An +OH^-

Катіони легко вимиваються розбавленим розчином НСІ, амінокислоти адсорбуються аніонітами і вимиваються розчином аміаку. Промивання водою завершує регенерацію.

Для регенерації катіонітів використовують 3%, 5%-ві розчини сульфатної або хлоридної кислот, а для аніонітів – 5% розчин гідроксиду натрію.

Із збільшенням ступеня набухання іоніту і зменшенням розміру зерен швидкість встановлення обмінної рівноваги зростає. У набухаючих і сильно іонізованих іонітах процес заміщення всіх рухомих іонів відбувається протягом 2 – 5с. Тому вилучати іони із розчину можна динамічним методом, тобто фільтрацією через колонку, заповнену зернами іоніту.

Останні роки іоніти використовуються у вигляді плівок (мембран).

Установка для проведення іонної адсорбції

а – набухання іоніту;

б – заповнення колонки;

в ‑ пропускання досліджуваного розчину через колонку.

Хроматографія – розділення речовин за допомогою сорбційних процесів при напрямленому русі однієї з фаз. Є фізико-хімічним методом аналізу. В основі хроматографічного методу аналізу покладені різні за механізмом та неодноразові повторювання явищ сорбції та десорбції.

1903р. – російський вчений-ботанік М.С.Цвет (розділення хлорофілу на складові компоненти).

Хроматограма хлорофілу:

	1		1 – безбарвна зона (колоїдні супутники хлорофілу); 2- жовта (ксантофіл β); 3- жовто-зелена (хлорофіллін β); 4 – зелено-синя (хлорофіллін а); 5 – жовта (ксантофіл); 6 - жовта (ксантофіл а); 7 - жовта (ксантофіл а); 8 – сіро-стальна (хлорофіллін).
	2
	3

	4
	5

	6

	7
	8

Рухома фаза:

рідина (розчин досліджуваної суміші речовин);
газ (суміш газів або парів речовин).

Нерухома фаза:

тверда речовина або адсорбована рідина на твердій речовині (носій, сорбент).

Під час руху рухомої фази вздовж нерухомої компоненти адсорбуються на нерухомій фазі (сорбенті). Адсорбовані сорбентом молекули можуть перейти в рухому фазу та рухатися разом з нею далі, потім знову сорбуватися, тобто відбувається розподіл молекул кожного компоненту між двома фазами. Так як компоненти суміші мають різну спорідненість до сорбенту, то при переміщенні суміші вздовж сорбенту відбувається розподілення її на складові. Зі збільшенням спорідненості компонента до сорбенту швидкість руху компонента зменшується і він довше затримується на сорбенті.

Хроматографічний процес поєднує два фактори:

термодинамічний (встановлення рівноваги між фазам);
кінетичний (рух компонентів з різною швидкістю).

Хроматографічний аналіз складається:

І етап. Розділення речовин.

ІІ етап. Ідентифікація та кількісне визначення речовин.

Результат хроматографічного аналізу – хроматограма.

У випадку газового аналізу хроматограма – послідовність піків.

В нутрішня хроматограма (сорбент із зонами)

Газова хроматограма

Площинна хроматографія (хроматографія на папері)

Газова хроматографія використовується для розділення та визначення компонентів летких сумішей. Використовуються спеціальні прилади – хроматографи.

Вибір газу-носія залежить від детектора, а швидкість потоку встановлюється постійною.

Суміш, що розділяють, вводять за допомогою мікрошприца.

Розділення компонентів відбувається під час проходження крізь колонку парів проби разом із газом-носієм. Компоненти розподіляються між рухомим газом-носієм і нерухомою фазою, і переміщуються всередині колонки з різними швидкостями, які залежать від природи компонентів, що розділяють, природи нерухомої фази і температури. Після цього окремі компоненти суміші надходять, у порядку їх розташування в колонці, на детектор. Сигнал детектора залежить від концентрації компонента. Для автоматичного запису сигналу, детектор підключають до реєстру вального приладу (комп’ютер).

Рідинно-високошвидкісна хроматографія (РВХ) використовують для розділення розчинних нелетких сполук. Рухома фаза подається в колонку під тиском від 2 до 40 МПа і більше. Колонки виготовляють із нержавіючої сталі діаметром 1 – 3мм, довжиною 0,5 – 1,0м. Зразок вводять мікрошприцем. Найчастіше використовують УФ-детектор із λ = 254нм (при цій довжині хвилі поглинаються всі ароматичні та органічні речовини).

Використовують також детектор, який визначає кут заломлення світла, порівнюють значення кута заломлення світла чистого розчинника із значенням кута заломлення суміші, яка вийшла з колонки. Позитивне: РВХ дає велику швидкість розділення і низьку концентрацію визначення (10^-9г).

Питання	Газова хроматографія	Газорідинна хроматографія	Рідинна хроматографія
Рухома фаза	газ (N₂, He, H₂)	газ (N₂, He, H₂, Ar)	рідина (досліджувана суміш)
Нерухома фаза	тверда речовина; рідина, нанесена на твердий носій	рідина з високою температурою кипіння (алкан з довгим ланцюгом), що підтримується твердим носієм (порувата інертна речовина – глинозем, SiO₂, вугілля).	тверда (дрібнозернисті речовини-носії)
Ввід проби	у вигляді пари	вприскують рідину медичним шприцом	розчин рідкий
Результат	газова хроматограма	газова хроматограма (послідовність піків)	внутрішня хроматограма фронтальна хроматограма елюентна хроматограма хроматограма на папері (на пластинці)
Приклади	газотвердофазна газо адсорбційна газорозподільна	газорідинна	колоночна хроматографія, ВЕРХ ТШХ (тонкошарова хроматографія), паперова хроматографія
Застосування	ідентифікація та визначення органічних і неорганічних сполук	кількісне визначення інсектицидів, що містять галогени, в різних продуктах, визначення S, P, N – в досліджуваних речовинах	для швидкого виявлення різних домішок, забруднень і натуральних компонентів в харчових продуктах
Примітка			просування суміші через поруватий носій відбувається під: високим тиском (ВЕРХ); під впливом сил тяжіння (колоночна); під дією капілярних сил (ТШХ, паперова).

Содержание