Модифіковані Адсорбенти та межі їх використання

1. Валентність елемента якоря . Ясно, що утворюючого якірне угрупування елемент повинен буде не менше, чим двовалентний, так як в іншому випадку він не може реагувати з поверхнею.
2. Селективність. Реакція між поверхневими групами та модифікатором повинна проходити однозначно і по можливості швидко.
3. Стабільність. Що утворюється між поверхнею та модифікатором системи зв’язків повинна бути стійкою в умовах використання та зберігання синтезованого матеріалу.
4. Доступність. Бажано, щоб синтез модифікатора був не дуже важким.
5. Токсичність. Зрозуміло, що слід намагатися використовувати не токсичні модифікатори. В цьому випадку використання алкільних сполук олова чи ртуті в якості модифікаторів поверхні, хоча і доступні, але вимагають спеціальних правил безпеки [13].

 

5. Механізм модифікування поверхні адсорбенту
1. Модифікація кремнезему

 

 

Одним з важливих питань в хімії поверхні є питання про те, за яким механізмом відбувається реакція модифікування. Потрібно відзначити, що детально механізми модифікування були досліджені тільки для кремнезему. Це, мабуть, пов'язано з тим, що саме кремнезем частіше інших носіїв виступає в якості матриці для подальшого модифікування. Однак хімія поверхні більшості оксидних мінеральних носіїв - це, в першу чергу, хімія гідро - ксильных груп. Тому хімія поверхні кремнезему в першому наближенні схожа на хімію поверхні інших мінеральних носіїв, і можна очікувати, що механізми модифікування оксидних носіїв будуть багато в чому схожі з механізмами модифікування кремнезему [14].

Метод модифікування кремнеземів кремнійорганічними сполуками є основним у синтезі ХМК, він добре вивчений і дозволяє отримувати різноманітні ХМК з необхідними властивостями (наприклад, високою гідролітичною та термічною стабільністю).

Механізм реакції модифікування являє собою звичайну реакцію нуклеофільного заміщення йде групи при якорном атомі силанольной групою поверхні. Однак при вивченні модифікування носіїв зручніше розглядати в якості «основи» реакції саме носій, а не модифікатор. В цьому випадку реакція модифікування повинна бути розглянута як електро - фильне заміщення протона силанольной групи якірним атомом модифікатора. Ніякої різниці в сутності реакції в цих двох випадках немає. Питання тут тільки в тому, що вважати «основним» речовиною реакції, тобто речовиною, по відношенню до якого реакція відбувається, - модифікатор або носій. Більшість дослідників в області хімії поверхні за «основу» бере саме носій. Наприкладр такої термінології дотримуються автори монографії [14] . Питанняы присвячені механізмам модифікування поверхніи в цій монографії висвітлені досить детально. Результатом реакції щеплення може бути як збереження, так і звернення конфігурації прищепленої молекули.

При рассмотрении реакций модифицирования кремнеземов следует также учитывать, что фиксированность реакционных центров на поверхности обусловливает изменение их реакционной способности по мере увеличения степени протекания реакции. Это связано как со стерическими препятствиями, так и с изменением электронной плотности у атома кислорода под воздействием уже привитых групп. Модифицирование пористых носителей осложняется также уменьшением диаметров пор в процессе прививки, что может сказываться на скорости и полноте протекания реакции [15].

 

2. Модифікування вуглецевих матеріалів

 

 

Хімічне модифікування вуглецю здійснюється шляхом хімічних реакцій з участю поверхневих груп. Специфіка вуглецевих матеріалів, на відміну від оксидних, полягає в багатому розмаїтті поверхневих груп. І якщо під хімічним модифікуванням поверхні оксидів зазвичай мають на увазі зміна їх функціонального покриву під дією різних реагентів, то для вуглецевої модифікації хімічним модифікуванням слід вважати зміну їх функціонального покриву під дією реагентів, так і в результаті термічної обробки.

Дійсно, функціональні групи на поверхні вуглецевого модифікатора можуть піддаватися термічній деструкції та/або вступати у взаємодію з сусідніми групами, наприклад:

  і т.д.

Крім того, може відбуватися відщеплення функційних груп з видаленням частини поверхневих атомів вуглецю, зміною структури поверхні і стану гібридизації:

Подібні перетворення спостерігаються при нагріванні у вакуумі попередньо гідрованого алмазу - грань (100), що має структуру (1x1), набуває структуру (2x1), і на поверхні утворюються зв'язку С=С [16].

Зрозуміло, що такі перетворення мають істотний вплив на фізико - хімічні властивості поверхні, такі як адсорбційна здатність, змочуваність і ін., що свідчить про хімічне модифікування. До теперішнього часу досить добре вивчені перетворення поверхневих функціональних груп ВМ під дією зовнішніх реагентів [17]:

Таким чином, на поверхні ВМ можуть бути отримані найрізноманітніші групи. Наприклад:

 

 

6. Межі використання модифікованих адсорбентів

 

 

Межі використання адсорбентів в значній мірі визначаються такими основними характеристиками, як структура, хімічний склад, у тому числі хімічний склад та будова поверхні. Природа поверхні в процесах адсорбції отримує значну роль в просі розробки нових способів модифікування  поверхні адсорбентів, а також в нанотехнологіях та наноматеріалів. У нанопорошках суттєво збільшується питома поверхня і відношення кількості атомів, вийшовших на поверхню, до їх складу в об’ємі. І, як наслідок, хімічна природа поверхневих атомів на поверхні буде визначати й адсорбційну активність таких матеріалів [11,17].

Найбільш пряма та традиційна мета адсорбції – це поглинання шкідливих компонентів із газових та рідких середовищ при рішенні екологічних, технологічних, медичних, військових задач: осушка та очистка середовищ, з урахуванням крові (гемосорбції), лімфи (лімфо - сорбція), плазми (плазмо – сорбція), води для пиття, промислових стоків та газових викидів, спирта, цукру, пива, вин; всмоктування шкідливих домішок (токсичні, ядовиті, вариво небезпечних, радіоактивних та ін..). Цю ж властивість адсорбентів використовують при створенні вакуумних адсорбційних насосів. Основними критеріями ефективності використання адсорбентів при рішенні вказаних задач являється повнота видалення небажаних компонентів з середовища, ступінь очистки цілого продукту, витрат адсорбенту на одиницю маси (об’єму) очищуванного  або поглинутого продукту, можливість багаторазового приміненя адсорбенту у тому ж або іншому адсорбційному процесі. Очистка може проводитися як в стаціонарному, так і в динамічному режимах. В останньому випадку адсорбент може бути як в нерухому, так і в псевдоожижаном та рухомому стані [18].

Здатність адсорбентів поглинати різні речовини в достатньо великих межах (від декількох до десятків масових відсотків) знаходять приміненя  для рішення задач зберігання компонентів у адсорбірованому вигляді. На таких принципах створений дозатори мікрокількості речовин, виконують зберігання, наприклад ацетилену для недопущенні його вибуху при зберіганні його у чистому вигляді в балонах. Одним з варіантів зберігання водню та інших енергоносіїв ( наприклад метана, пропана) може бути адсорбент, насичений при підвищеному тиску відповідною речовиною, яка у подальшому може десорбуватись при атмосферному тиску.

Здатність пористих матеріалів при високих тисках адсорбувати, а при атмосферному десорбувать ( наприклад рідини) може бути використана при створенні демфірних установ [19].

Важливе направлення використання адсорбенту базується на екзотермічних процесах адсорбції та ендотермічності десорбції. На основі таких ефектів з використанням адсорбентів створюють різні види адсорбційних теплових машин, наприклад, адсорбційні холодильники, установки для швидкого розігрівання двигуна авто в зимовий час, кондиціонери для авто, житлових примешкань та ін..

Суттєво скращуються характеристики та розширяються межі використання промислових адсорбентів з модифікованою поверхнею.

Бажано відмітити, що носії з модифікованою поверхнею можуть також знайти єфективне використання при створенні гетерогенних каталізаторів завдяки підвищеній сорбційній активності. Титановмістний силікагель (ТС) був випробуваний в якості носія для отримання гетерогенного родійовмісного каталізатора [20].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

1. Российская академия наук. Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности – М: Клязьма,2010
2. Гришина Е.П. Основы химии окружающей среды. Ч2. Химические процессы в гидросфере – М: Владимир,2009
3. Лисичкин Г.В. Химия привитых поверхностных соединений – М: Физматлит,2003
4. http:\\chemanalytica.com\book\novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa\10_protsessy_i_apparaty_khimicheskikh_tekhnologiy_chast_II\7082.
5. Киселев А.В. Поверхностные химические соединения и их роль в явлении адсорбции – М: МГУ,1960
6. Киселев А.В. Лыгин В.И. Инфракрасные спектры поверхносных соединений и адсорбированих веществ – М: Наука,1972
7. Алесковский В.Б. Журнал прикладная химия,1974
8. Пилипенко А.Т. Аналитическая химия – М: Химия,1990
9. Неймарк Н.Е. Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов – Киев: Наукова думка,1982