50037211-Mecanismul-adsorbtiei-cationice.pdf

8/18/2019 50037211-Mecanismul-adsorbtiei-cationice.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/50037211-mecanismul-adsorbtiei-cationicepdf 1/20

Universitatea ”Al.I.Cuza” din IaşiFacultatea de Geografie şi Geologie

Specializarea Geochimie

MECANISMUL ADSORBTIEI CATIONICE

LA INTERFATA SOLID-SOLUTIE

Hr!an Sorin

Iaşi"#$#



Cuprins

I. Introducere%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%.&

II. Fenomenul de adsor'!ie%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%.(

II.$ )o!iuni generale%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%(

II." Adsor'an!i%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%.*

II.& Su'stan!e tensioactive%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%...+

III. ,ecanismul adsor'!iei cationice%%%%%%%%%%%%%%%%%.$#

III.$. Structura chimic- a suprafe!ei silicei%%%%%%%%%%%%%%..$#

III.". eac!ii chimice la interfa!a solid/solu!ie%%%%%%%%%%%...%.$#

III.& 0unctul izoelectric%%%%%%%%%%%%%%%%%%%......%$$ III.( ,odele de adsor'!ie%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%...$$

III.* Influen!a pH/ului asupra sta'ilit-!ii sistemului coloidal silice/ap-%%%$1

I2. Concluzii%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%.$3

Ane4a%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%.$+

5i'liografie%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%$6

"



I. Introducere

7in cele mai vechi timpuri capacitatea de adsor'!ie a unor su'stan!e a fost folosit- pe

scar- larg- n diverse activit-!i umane cum ar fi separarea pigmen!ilor din solu!ii apoase8

filtrarea apelor naturale8 o'!inerea s-punului8 n minerit8 ş.a.

,ai t9rziu8 odat- cu apari!ia şi dezvoltarea industriei8 necesitatea n!elegerii

fenomenului de adsor'!ie a deschis por!ile unei cercet-ri mai aprofundate n domeniu.

Aplicativitatea acestui fenomen se reflect- n foarte multe procese industriale moderne8

av9nd o importan!- economic- nsemnat-.

:4emple;

/ <n ind. alimentar-/ folosirea de s-ruri anorganice anhidre cu scopul re!inerii

impurificatorilor din amestecuri policomponente

/ =a tratarea şi epurarea apei > folosirea de car'une activ8 gel de silice8 care au

propriet-!i adsor'ante8 astfel nc9t diferi!i poluan!i sunt re!inu!i pe suprafa!a

acestora.

/ =a fa'ricarea filtrelor pentru m-ştile antito4ice militare sau civile.

/ =a fa'ricarea filtrelor pentru hotele de 'uc-t-rie sau cele din vopsitoriile auto.

/ <n ind. chimic- > la separarea8 purificarea şi separarea diferi!ilor componen!i./ <n ind. farmaceutic- > folosirea de materiale avansate nanocompozite cu

proprieta!i anti'acteriene

/ ?o!i detergen!ii au la 'az- fenomenul de adsor'!ie n procesul lor de cur-!ire >

aceştia func!ioneaz- ca adsor'an!i pentru particulele nedorite de pe diferite

materiale. 7easemeni8 mai nou8 'alsamul de p-r sau de rufe8 se @depune” pe p-rul

sau pe rufele curate8 oferind cunoscuta elasticitate8 tot datorit- aceluiaşi fenomen

dar de data aceasta se comport- ca adsor'it.

,aoritatea acestor procese au loc n sisteme coloidale. Aceste sisteme sunt formate din

cel pu!in dou- faze Bo faz- dispers- şi o faz- dispersat- separate ntre ele printr/o

interfaţă. =a nivelul acestei interfa!e apare fenomenul de adsor'!ie.

&



II. Fenomenul de dsor!"ie

II.# No"iuni $enerle

Adsor!"i reprezin- fenomenul de adeziune a unor atomi8 ioni sau molecule de gaz8

lichid sau suspensieBfaza adsor'it- pe o suprafa!- solid-Bfaza adsor'ant-8 datorat unor

procese fizice sau chimice.D$E

Adsor'!ia fizic-B fiziosorbţia

Adsor'!ia chimic-Bchimiosorbţia

7atorat- for!elor van der alls Caracteristic- leg-turilor covalenteScade odat- cu temperatura Creşte odat- cu temperatura

:nergia caloric- schim'at- ; +/ (# mol :nergia caloric- schim'at-; (#/(## mol:chili'rul este unul dinamic :ste ireversi'il-Formarea de polistraturi moleculare Formarea de monostraturi moleculare

:ste foarte rapid-Identitatea chimic- a adsor'itului r-m9ne

aceeaşi

?a'.$ Caracteristici principale ale celor dou- tipuri de adsor'!ie

7up- natura adsor'antului şi cea a adsor'itului se cunosc patru tipuri de adsor'!ie ;

/ solid/gaz J solid/lichid J lichid/gaz J lichid/lichid .

Adeziunea componentelor unei solu!ii lichide sau gazoase are loc pe anumi!i centri

activiBsitus/uri prezen!i pe suprafa!a solid-.

0rocesele chimice care au loc la nivelul centrilor activi pot fi ;

/ procese de dizolvare Bsolu'ilizare ; CaSK( L CaSK( M "H"K Banhidrit L gips

/ procese de precipitare

/ procese cu schim' ionic; DArgil- > CaE N ")aCl L DArgil- > B)a"E N CaCl"

/ procese 'iochimice

Fenomenul de eliminare a adsor'itului din sistemul adsor'ant/adsor'it se numeşte

desor'!ie şi se realizeaz- n scopul recuper-rii componentului adsor'it8 dac- acesta

reprezint- valoare economic-8 şi regenerarea Breactivarea adsor'antului.

(



II.% Adsor!n"i

0rimele procese de adsor'!ie au utilizat c-r'une activ sau silicagel. 0oten!ialul de

adsor'!ie a fost mult crescut prin utilizarea sitelor moleculare şi n special a zeoli!ilor

sintetici.

Cerin!a ca un adsor'ant s- ai'- o capacitate c9t mai mare de adsor'!ie a dus la c-utarea

unor adsor'an!i cu interes practic cum ar fi adsor'an!ii microporoşi; silicagel8 c-r'une

activ8 alumina activat-8 şi de dat- mai recent- > aluminosilica!i cristalini sau zeoli!ii. <ntre

aceste materiale e4ist- o diferen!iere fundamental-. Astfel8 n adsor'an!ii tradi!ionali

e4ist- o distri'u!ie a m-rimii microporilor şi at9t diametrul mediu al porilor c9t şi l-!imea

'enzii de distri'u!ie n urul valorii medii sunt controlate prin procesul de fa'rica!ie. 0e

de alt- parte8 m-rimea porilor zeoli!ilor este controlat- de structura cristalin- şi nu e4ist-

o distri'u!ie a m-rimii porilor. Aceasta duce la diferen!e semnificative ale proprieta!ilor

de adsor'!ie separ9nd astfel zeoli!ii ntr/o clas- aparte de adsor'an!i.

K calitate important- pe care tre'uie s- o ai'- un adsor'ant este selectivitatea. Aceasta

poate s- depind- de diferen!a de cinetic- a adsor'!iei sau de echili'rul de adsor'!ie. Se

defineşte astfel un factor de separare ;

&A'&B

(AB ) ******

+A'+B

unde &A şi +A sunt frac!iile molare ale componentului A n faza adsor'ant şi respectiv n

faza fluid- de echili'ru. Factorul de separare definit n acest mod este analog volatilit-!ii

relative8 care m-soar- uşurin!a cu care un component poate fi separat prin distilare.

*



C,r!unele cti > este un c-r'une fin cu o suprafa!- intern- mare. :ste utilizat n

industria chimic-8 industria farmaceutic- şi n tratarea apei şi deşeurilor. Car'onul activ

const- n principal dintr/un c-r'une Bn general O 6#P cu o structur- poroas-.

0orii sunt conecta!i ntr/o structur- asemenatoare unui 'urete. Suprafa!a specific- este

ntre *## and "### m"g. 7ensitatea aparent- este ntre "## si 1## Qgm&.

C-r'unele activ este n general utilizat pentru adsor'tia plouan!ilor din aer şi gaze şi a

mirosurilor nepl-cute. Filtrele cu c-r'une activ sunt utilizate at9t la adsor'!ia gazelor

to4ice8 vaporilor de solven!i şi emisiilor to4ice8 c9t şi la purificarea şi tratarea lichidelor.

Car'unele activ se poate reactiva termic.

Fig.$. C-r'une activ v-zut la microscopul electronic

Silic$el BSiK"n > este o form- granular-8 sticloas- a silicei8 av9nd o porozitate ridicat-

şi se o'!ine industrial din silicatul de sodiu. Granulele au m-rimi varia'ile de ordinulmilimetrilor p9na la c9!iva microni. Cunoscut pentru afinitatea sa pentru molecula de ap-8

este folosit n principal ca esicator Bdeumidificator. Astfel el ac!ioneaz- ca un

micro'urete ram9n9nd uscat chiar şi la capacitatea sa ma4ima de adsor'!ie.

<n chimie este utilizat n cromatografie ca faz- sta!ionar- folosidu/se diferite marimi

ale granulelor.

)u este to4ic8 nu este inflama'il şi nu este reactiv n condi!ii sta'ile de lucru.

1



Fig.". Granule de silicagel

eoli"ii > sunt naturali şi sintetici. Cei naturali sunt reprezenta!i prin aluminosilica!i

naturali de calciu8 stron!iu8 sodium8 potasiu8 'ariu8 magneziu8 şi se gasesc n natur- mai

ales n tufurile vulcanice.

Fig.&. Reolit naturalD"E

Fig.(. Structura molecular- microporoas- a zeolituluiD"E

Reoliti sintetici ;

)a$"Al$"Si$"K(+."3H"K > zeolit tip A Bfolosit la detergen!i

)a$1Al$1Si&"K61.$1H"K > Analcime

)a$"Al$"Si$"K(+T H"K > =osod

3



II./ Su!stn"e tensioctie

Su'stan!ele tensioactive Bsurfactan!ii prezint- o structur- molecular- asimetric-8compus- din dou- p-r!i8 cu propriet-!i fundamentale diferite; una nepolar- sau sla' polar-

Bhidrocar'onatat- şi alta puternic polar- Bioniza'il- sau neioniza'il-. 0artea nepolar-

este insolu'il- n ap- Bhidrofo'- şi n lichide puternic polare dar este uşor solu'il- n

uleiuri Blipofil- şi n general n lichide nepolare. 0artea polar-8 din contra8 este hidrofil-.

7atorit- diverselor afinit-!i pe care le prezint- pentru diferitele faze8 astfel de molecule se

numesc amfifile.

Acumularea su'stan!elor tensioactive la interfe!e se datoreaz- structurii asimetrice a

moleculelor8 care prezint- afinit-!i diferite fa!- de diferitele faze care formeaz- sistemul.

Stratul de adsor'!ie care se formeaz- serveşte ca legatur- ntre fazele insolu'ile B e4. ;

apa/ulei.

Industrial su'stan!ele tensioactive se mpart n patru categorii n func!ie de sarcina

electric- prezent- n moleculele lor n solu!ii ;

a Su'stan!e tensioactive anionice ; CH& > BCH"n > CKK/ )aN

grupa hidrofo'- grupa hidrofil- Bcu sarcina negativ- ' Su'stan!e tensioactive cationice; CH

& > BCH

"n

> )NBCH&&Cl/

grupa hidrofo'- grupa hidrofil- Bcu sarcina pozitiv-

c Su'stan!e tensioactive neionice; CH& > BCH

"n > KBCH

" > CH

"K

n > CH

" > CH

"KH

grupa hidrofo'- grupa hidrofil- format- din mai

multe grupe de hidratare far- sarcini

CH&

d Su'stan!e tensioactive amfolitice;

CH& > BCH

"n > )N / CH

"CKK/

+



CH&

grupa hidrofo'- grupa hidrofil- cu sarcina pozitiv-

sau negativ-8 func!ie de pH/ul solu!iei

Fig.*. ,olecula de su'stan!- tensioactiv- şi ac!iunea sa n fenomenul de adsor'!ieD&E

6



Fig.1. Sarcinile electrice ale moleculelor de su'stan!- tensioactiv-D(E

III. Mecnismul dsor!"iei ctionice

III.# Structur c0imic, supr1e"ei silicei

!

Fig.3. Structura chimic- a suprafe!ei silicei; /anhidr-J !/hidratat- D*E

Fenomenele de adsor'!ie ce au loc la suprafa!a silicei sunt aseman-toare pentru maimulte minerale din clasa o4izilor.

7atorit- faptului c- silicea se g-seşte maoritar n componen!a crustei terestre8 s/au

putut realiza o serie de cercet-ri asupra comportamentului acesteia ca adsor'ant.

<n fig.3.B!2 se o'serv- legaturile de tip coordinativ dintre protonii apei şi o4igenii li'eri

de la suprafa!a silicei8 n timp ce n B avem o suprafa!- hidro4ilat- a silicei.

III.% Rec"ii c0imice l inter1" solid-solu"ie

S/a descoperit c- sarcinile electrice de la suprafa!a silicei8 la interfa!a solid/solu!ie8 sunt

definite de concentra!iile relative ale atomilor de HN şi a grup-rilor KH/ aşa cum rezult-

din urm-toarele reac!ii ;

$#



SiKH N HN V SiKH"N B$ SiKH N KH/ V SiK/ N H"K B"

$ "

,-rimile sarcinilor electrice ale HN şi KH/ din ecua!iile B$ şi B" sunt str9ns legate de

m-rimile constantelor $ şi ". D$#E

III./ 3unctul i4oelectric

0unctul izoelectric BI:0 reprezint- valoarea pH/ului la care o molecul- specific- nu

posed- nici o sarcin- electric- net-.

,oleculele amfoterice BzWiteronii con!in at9t sarcini electrice pozitive c9t şi negative8

n func!ie de grupul func!ional de molecule. Sarcina electric- net- din molecule este

afectat- de pH/ul mediului nconur-tor al acestora8 devenind astfel nc-rcate @mai

pozitiv” sau @mai negativ”8 dup- cum pierd sau c9ştig- protoni B HN.

0unctul izoelectric al silicei se situeaz- la pH X " şi este dependent ntr/o oarecare

m-sur- de natura suprafe!ei acesteia.

$$



Fig.+ Atingerea punctului izoelectric n cazul a dou- molecule organiceD1E

III.5 Modele de dsor!"ie

0entru a putea eviden!ia interac!iunea dintre adsor'ant şi adsor'it la suprafa!a de

contact a acestora8 mai mul!i cercet-tori au ela'orat o serie de modele şi ecua!ii8 plec9ndde la diverse premize. C9teva e4emple;

a) Ecuaţia de adsorbţie a lui Langmuir

Aceast- ecua!ie a fost prezentat- n anul $6$1 de catre Irving =angmuir8 chimist şi

fizician american8 şi ne arat- corela!ia dintre concentra!ia moleculelor adsor'ite

Badsor'it pe o suprafa!- solid- Badsor'ant şi capacitatea de asor'!ie a acesteia8 şi este

de forma ;

! 6 C17 ) 7

m& ******** unde 8

#8 ! 6 C1

$"



7 > adsor'!ia J 7m& > adsor'!ia ma4im- J ! > constant- J C1 > concentra!ia de

echili'ru a speciei adsor'ite

Fig.6. Izoterma de adsor'!ie a lui =angmuirD3E

' Ecuaţia de adsorbţie a lui Freundlich

Aceast- ecua!ie se poate aplic- n cazul proceselor de adsor'!ie cu concentra!ii medii şi

mari ale speciei participante şi este de forma;

9 ) : 1 6 C1 #'n unde8

7 > adsor'!ia J : 1 şi n > constante caracteristice fiec-rei perechi adsor'ant/adsor'at J

C1 > concentra!ia de echili'ru a speciei adsor'ite.

$&



Fig.$#. Izoterma de adsor'!ie a lui FreundlichD+E

c) Modelul BET (Brunauer, Emmett şi Teller)

Acest model este mai evoluat dec9t celelalte dou- de mai sus. :ste introdus conceptul

de adsor'!ie polimolecular-8 ceea ce nseamn- c-8 nainte ca un strat de adsor'!ie s- fie

ocupat n totalitate8 un al doilea strat şi poate ocupa centri activi ntr/o succesiune

polimolecular- multistrat. ,atematic8 modelul este e4primat prin ecua!ia ;

Ci # ;:-#2Ci

***** ) **** 8 ***** unde8;C<-Ci2 6 : 6 C<

$(



Ci8 C< > concentra!ii ini!iale şi la echili'ru J > cantitatea de specie adsor'it- gram

adsor'ant J > cantitatea de specie adsor'it- aflat- n strat monomolecular gram

adsor'ant J : > constant-

Fig.$$ 0ozi!ionarea multistrat a moleculelor Bdup- 5runauer8 :mmett şi ?eller D6E

d Modelul două tre!te"B Y. Gao8 . 7u8 ?. Gu

$*



Fig.$$. ,odelul @dou- trepte” pentru su'stan!ele tensioactive cationice adsor'ite pesuprafa!a silicei. Ba Forma general- a izotermei de adsor'!ie. C > concentra!ia rezidual-de su'stan!- tensioactiv-J Z > adsor'!ia. B' ,odelul de adsor'!ie propus de autori D$#E

Acest model sugerat de Gao şi cola'oratorii s-i8 ne prezint- fenomenul de adsor'!ie la

suprafa!a silicei mp-r!ind procesul n patru regiuni;

I > regiunea cu e4ces de suprafa!- scazut

II > regiunea primului platouIII > regiunea de interac!ie hidrofo'ic-

I2 > regiunea celui de/al doilea platou

<n regiunea BI asist-m la o fiziosor'!ie8 e4cesul de suprafa!- fiind determinat n

principal de nc-rcarea electric- a suprafe!ei. <n acest caz avem o adsor!ie neuniform

r-sp9ndit-8 interac!iile dintre moleculele su'stan!elor tensioactive fiind neglia'ile.

<n regiunea BII sarcinile electrice ale suprafe!ei au fost neutralizate. Cu toate acestea

su'stan!ele tensioactive continu- s- fie adsor'ite ca monomeri.

In regiunea BIII8 odat- cu creşterea concentra!iei su'stan!ei tensioactive8 are loc o

interac!ie hidrofo'ic- ntre monomeri.

<n regiunea BI2 se atinge nivelul de satura!ie a suprafe!ei adsor'antului şi se formeaz-

agregate.D$#E

III.= In1luen" p>-ului supr st!ilit,"ii sistemului coloidl silice-p,

$1



Fig. $" Influen!a pH/ului asupra sta'ilit-!ii sistemului coloidal silice/ap-D$$E

Activitatea ionilor de hidrogen este direct r-spunz-toare de cinetica tuturor reac!iilor

fizico/chimice ce au loc n sistemele coloidale şi nu numai.

Aşa cum rezult- din graficul din fig.$"8 la o valoare a pH/ului de X $#8* silicea ncepe

s- se dizolve. Cu toate acestea8 pH/ul unei solu!ii coloidale silicatice se poate austa

prin ad-ugarea unui acid sla' Bacid acetic.

7e asemenea8 adsor'!ia cationic- este favorizat- ntr/un mediu 'azic mai ales atunci

c9nd suprafa!a silicei este hidro4ilat-. <n acest caz cationii sunt lega!i de suprafa!a

adsor'ant- prin for!e electrostatice.

I?. Conclu4ii

$3



Studiul mecanismului adsor'!iei cationice la interfa!a solid/solu!ie ne aut- s-

ntelegem mai 'ine procesele care au loc n cadrul acestui fenomen8 cu scopul de a g-si

sau crea adsor'an!i cu o c9t mai mare capacitate de adsor'!ie a diferitelor su'stan!e

utile care le putem recupera ulterior de pe suprafa!a adsor'antului8 sau inutile8 cum ar fi

diverse to4ine nocive pentru organism8 n cazul filtrelor pentru aer sau ap-.

Cercet-rile n domeniu din ultimii ani au dus la rezultate remarca'ile. Cu toate

acestea8 fenomenul de adsor'!ie r-m9ne un [ c9mp de lupt- \ deschis ntre oamenii de

ştiin!- şi minunatul microcosmos al fiziochimiei.

7e ce fiziochimie ] 7eoarece g-sim at9t procese fizice Bfenomene electrostatice c9t

şi chimice Breac!ii chimice propriu/zise.

<n figura din ane4- se poate o'serva cu uşurin!- activitatea su'stan!ei tensioactive la

interfa!a solid/solu!ie8 la diferite valori ale concentra!iei. D$#E

Suprafa!a silicatic-8 a carei centri activi sunt nc-rca!i cu sarcini electrice negative8

atrage partea hidrofil- a moleculelor su'stan!ei tensioactive8 p9na la ocuparea n

totalitate Bla concentra!ie mai mare a acestor centri activi. 7ac- se va m-ri n

continuare concentra!ia8 moleculele su'stan!ei tensioactive Bpar!ile hidrofile ne maiav9nd [ parteneri de semn contrar \ cu care s- formeze leg-turi8 se vor orienta spre

moleculele de ap- cu care vor forma micele.

<n literatura de specialitate se gasesc mai multe modele de adsor'!ie cationic- prin

care se art- c- acest fenomen poate avea loc direct pe suprafa!a adsor'antului c9t şi prin

intermediul moleculelor de ap- legate ini!ial de centri activi.

Ane&

$+



$6



Bi!lio$r1ie

D$E http;en.WiQipedia.orgWiQiAdsorption

D"E http;it.WiQipedia.orgWiQiReolite

D&E http;entertainment.hoWstuffWorQs.compla^/doh&.htm

D(E http;commons.WiQimedia.orgWiQiFile;Surfactant.pg

D*E http;commons.WiQimedia.orgWiQiFile;Schematic_silica_gel_surface.png

D1E http;WWW.nc'i.nlm.nih.gov'ooQs)5"+(&$

D3E http;en.WiQipedia.orgWiQi=angmuir_eTuation

D+E http;en.WiQipedia.orgWiQiFreundlich_eTuation

D6E http;WWW.infosources.orgWhat_is=angmuir_adsorption_model.html

D$#E R. Atkin et al. / Advances in Colloid and Interface Science 103

(2003) 219–304

D$$E http ;WWW.silco/intl.comtechnicalinde4.html

"#

http://en.wikipedia.org/wiki/Adsorption

http://it.wikipedia.org/wiki/Zeolite

http://entertainment.howstuffworks.com/play-doh3.htm

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surfactant.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schematic_silica_gel_surface.png

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28431/

http://en.wikipedia.org/wiki/Langmuir_equation

http://en.wikipedia.org/wiki/Freundlich_equation

http://www.infosources.org/what_is/Langmuir_adsorption_model.html

http://www.silco-intl.com/technical/index.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Adsorption

http://it.wikipedia.org/wiki/Zeolite

http://entertainment.howstuffworks.com/play-doh3.htm

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surfactant.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schematic_silica_gel_surface.png

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK28431/

http://en.wikipedia.org/wiki/Langmuir_equation

http://en.wikipedia.org/wiki/Freundlich_equation

http://www.infosources.org/what_is/Langmuir_adsorption_model.html

http://www.silco-intl.com/technical/index.html

Date post:	06-Jul-2018
Category:	Documents
Upload:	marcela-matasari
View:	216 times
Download:	0 times

50037211-Mecanismul-adsorbtiei-cationice.pdf

Documents