2.1.7. Адсорбция на границе раздела твердое тело-раствор

При адсорбции из растворов различают два случая: молекулярную адсорбцию, когда на поверхности твердого адсорбента адсорбируются из раствора неэлектролиты или слабые электролиты в виде молекул, и адсорбцию электролитов, когда на поверхности адсорбента адсорбируются сильные электролиты в виде ионов.

2.1.7.1 Молекулярная адсорбция

Адсорбция из растворов – более сложный процесс, чем адсорбция газов. Связано это с тем, что, если газ – однокомпонентная система, то раствор как минимум двухкомпонентен и при адсорбции вместе с растворенным веществом адсорбируются и молекулы растворителя. Количества адсорбированных частиц растворенного вещества и растворителя зависят от их собственной адсорбционной способности и концентрации раствора. При малых концентрациях преобладает адсорбция растворенного вещества, при больших – адсорбция растворителя. Это следует из изотермы зависимости удельной адсорбции (С₀-С)/m от концентрации адсорбтива С₀ в растворе, где: С₀ – концентрация растворенного вещества до адсорбции; С – концентрация вещества после адсорбции; m – масса адсорбента от концентрации адсорбтива (рис. 2.10).

Согласно изотермы, вначале количество адсорбируемого вещества растет с увеличением его концентрации в растворе (подъем кривой), а затем начинает преобладать адсорбция растворителя. В результате концентрация самого растворенного вещества в единице объема раствора повышается и наступит момент, когда, по мере убыли растворителя, концентрация растворенного вещества С₀ до адсорбции станет меньше возросшей концентрации неадсорбировавшихся молекул С; разность (С₀-С) окажется меньше нуля, а дробь - отрицательной (кривая опустится ниже оси абсцисс). Отсюда следуют выводы:

- более полно адсорбция адсорбтива происходит из растворов низкой концентрации;

- адсорбции веществ из растворов мешают хорошо адсорбируемые адсорбентом растворители.

Например, адсорбция воды на угле низкая, поэтому уголь хорошо адсорбирует вещества из водных растворов. Но тот же уголь значительно хуже адсорбирует вещества, растворенные в бензоле, так как бензол сам хорошо адсорбируется на угле.

Получаемые из второго вывода результаты Л.А. Ребиндер сформулировал в виде правила (правило выравнивания полярностей): на полярных адсорбентах лучше адсорбируются полярные адсорбтивы из малополярных растворителей; на неполярных адсорбентах – неполярные из полярных растворителей.

При адсорбции ПАВ на границе раздела твердое тело-раствор, так же, как и на границе жидкость-газ и жидкость-жидкость, имеет место пространственная ориентация молекул адсорбтива. В системе полярный адсорбент – неполярный растворитель молекулы адсорбтива обращены полярной частью (головой) к поверхности адсорбента, а неполярная их часть (хвост) погружена в растворитель (рис. 2.11,а). Для системы неполярный адсорбент – полярный растворитель, наоборот, неполярная часть молекулы обращена к поверхности адсорбента, а полярная погружена в растворитель (рис. 2.11,б), воду.

Закономерности распределения веществ между раствором и твердой фазой важны для понимания процессов обмена веществ. Правила рассредоточения и ориентации растворенных молекул на границе неполярной фазы липидного бислоя мембраны и полярной внутри- и межклеточной жидкости управляют поступлением питательных веществ и удалением продуктов метаболизма. С явлением адсорбции биологически активных соединений на клеточных мембранах, из полярных сред организма, связано и физиологическое действие многих лекарственных препаратов (барбитуратов, анестезирующих средств и др.), а также токсическое действие отравляющих веществ (например, иприта и люизита). Существует специальный механизм окисления неполярных или малополярных чужеродных для организма веществ (ксенобиотиков), в результате чего они приобретают полярные группировки и их способность адсорбироваться на липидных мембранах падает. В итоге чужеродные тела переходят в водную фазу, откуда покидают организм с выделениями.

Молекулярная адсорбция твердыми адсорбентами из растворов широко распространена в медицинской практике. Уже давно при отравлениях растительными ядами, токсинами, малополярными лекарственными препаратами (например, барбитуратами) применяют активированный уголь для удаления их из пищеварительного тракта. В настоящее время осуществляют сорбционную детоксикацию крови и лимфы больного пропусканием через пористые адсорбенты. Гемо- и лимфосорбция позволяют очищать организм и от токсичных жидкостей, таких как дихлорэтан, от фосфорорганических соединений и др. Адсорбцию из растворов используют при удалении молекулярных примесей из питьевой воды и сточных вод.