АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить язык
О РУВИКИ
Ответ на вопрос

Адсорбент

Pause

Адсорбе́нты — класс высокопористых природных или синтетических твёрдых материалов, обладающих способностью избирательно поглощать газообразные вещества, пары или компоненты растворов за счёт физических (Ван-дер-Ваальсовых) или химических сил, действующих на их развитой поверхности[1]. Это свойство лежит в основе адсорбции, фундаментального поверхностного явления, при котором происходит концентрирование адсорбата (поглощаемого вещества) на границе раздела фаз адсорбент — газ или адсорбент — жидкость.

Согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), адсорбент — это конденсированная фаза, на поверхности которой может происходить адсорбция (при этом конденсированная фаза может быть как твёрдой, так и жидкой)[2]. Однако жидкие поглотители, осуществляющие абсорбцию (поглощение веществ всем объёмом), относят к более широкой категории сорбентов, но не к адсорбентам. В российском государственном стандарте ГОСТ Р 51878-2002 (пункт 3.3)[3] закреплено, что адсорбент — это твёрдый поглотитель для улавливания паров или газов.

Общие сведения
Адсорбент

История

История изучения адсорбентов берёт начало в XVIII веке, однако их целенаправленное промышленное применение началось в годы Первой мировой войны с разработкой противогазов (противогаз Зелинского — Кумманта), где в качестве основного поглотителя отравляющих веществ использовался активированный уголь. С тех пор адсорбционные технологии прошли долгий путь эволюции — от примитивных фильтров до высокоселективных наноматериалов, став незаменимым инструментом в решении ключевых задач современности: обеспечении человечества чистой водой, очистке атмосферного воздуха от токсичных выбросов, производстве высокочистых веществ и развитии «зелёной» энергетики. Способность адсорбентов извлекать молекулы загрязнителей даже при их сверхнизких концентрациях делает эту технологию зачастую единственно возможной для достижения нормативов предельно допустимых концентраций.

Описание

Ключевой параметр, отличающий адсорбент от любого другого твёрдого тела, — удельная поверхность, то есть общая площадь всех доступных для адсорбции поверхностей, отнесённая к единице массы материала. В то время как неспециализированное твёрдое тело может иметь удельную поверхность менее 1 м²/г, эффективные промышленные адсорбенты характеризуются значениями от 200 до 3000 м²/г. Для достижения таких колоссальных величин адсорбенты изготавливают высокопористыми.

В соответствии с классификацией IUPAC, поры в адсорбентах подразделяются на:

  • микропоры (шириной менее 2 нм): вносят основной вклад в общую площадь поверхности и определяют адсорбционную способность материала при низких концентрациях и давлениях. Именно в них происходит первичное «захватывание» молекул адсорбата;
  • мезопоры (шириной от 2 до 50 нм): выполняют функцию транспортных каналов, по которым молекулы адсорбата диффундируют внутрь зерна адсорбента к микропорам;
  • макропоры (шириной более 50 нм): обеспечивают быстрый подвод адсорбата к мезопорам и снижают гидравлическое сопротивление потоку газа или жидкости через слой адсорбента.

Промышленные адсорбционные процессы основаны на взаимодействии пористого материала с потоком газа или жидкости. По способу организации потоков различают два основных режима — статический адсорбционный процесс (периодический контакт адсорбента с обрабатываемой средой в реакторе идеального смешения) и динамический адсорбционный процесс (непрерывная фильтрация потока через неподвижный слой гранул адсорбента в колонне). На практике наиболее распространён второй режим — адсорбция в неподвижном слое. В аппарате-адсорбере процесс протекает циклически, включая стадии фильтрации через слой адсорбента (до момента «проскока») и термической регенерации насыщенного адсорбента горячим инертным газом.

Классификация

Основными подходами к систематизации являются разделение по природе происхождения, по химической природе поверхности, по геометрической структуре пор и по механизму адсорбционного взаимодействия.

undefined

По происхождению

  • Природные — полезные ископаемые, прошедшие первичную механическую обработку (дробление, классификацию, сушку). К ним относятся цеолиты, бентонитовые глины, диатомиты, трепелы.
  • Искусственные — материалы, получаемые в результате химической переработки природного сырья. Например, силикагели и активированные глинозёмы из алюмосиликатов.
  • Синтетические — материалы, создаваемые из чистых химических веществ и имеющие строго контролируемый состав и свойства. К ним относятся большинство полимерных сорбентов и металлоорганические каркасы (MOFs).

По химической природе

По химической природе поверхности и основному элементному составу весь спектр адсорбентов можно разделить на три класса: неорганические, углеродные, полимерные и композитные.

К неорганическим адсорбентам относятся цеолиты, глины, силикагель и активированный оксид алюминия; к углеродным — активированный уголь, фуллерены и углеродные нанотрубки; к полимерным — мембраны и ионообменные смолы.

  • Углеродные адсорбенты — наиболее обширный и универсальный класс пористых материалов, основным компонентом которых является элементарный углерод в различных аллотропных модификациях. Ключевой представитель — активированный уголь, получаемый путём термической (пиролиз) и химической активации разнообразного углеродсодержащего сырья: древесины, скорлупы кокосовых орехов, каменного угля и бурых углей. Высокоразвитая пористая структура с большой удельной поверхностью (обычно 800—1500 м²/г, для специальных марок до 3000 м²/г) обусловливает исключительную адсорбционную способность активных углей по отношению к большинству органических молекул, что находит широкое применение в системах очистки воды, улавливания летучих органических соединений (ЛОС), в технологиях рекуперации растворителей, а также в средствах индивидуальной защиты органов дыхания. Кроме гранулированных и порошкообразных форм, существуют специализированные модификации: углеродные молекулярные сита с узким распределением микропор, используемые для разделения газов (например, азота из воздуха), а также углеродные нанотрубки и графен, представляющие значительный интерес для создания высокочувствительных сенсоров и суперконденсаторов[4].
  • Синтетический цеолит типа NaX (экструдат) ТУ 2163-077-05766575-2004 с изм. 1-6.
    Цеолиты — микропористые кристаллические алюмосиликаты с регулярной структурой каркаса, образованного тетраэдрами SiO₄ и AlO₄, соединёнными через общие атомы кислорода. Наличие алюминия в каркасе создаёт отрицательный заряд, который компенсируется катионами щелочных или щёлочноземельных металлов, что придаёт цеолитам высокую полярность поверхности и ионообменные свойства. Адсорбционные свойства цеолитов определяются двумя факторами: эффектом молекулярного сита (строго определённый размер пор, варьирующийся от 0,3 до 1,0 нм в зависимости от структуры) и сильным электростатическим взаимодействием полярных адсорбатов (вода, диоксид углерода, аммиак) с катионами. Благодаря высокой термической стабильности и селективности, цеолиты незаменимы в процессах глубокой осушки газов, выделения азота из воздуха в установках PSA, а также в адсорбционных тепловых насосах и системах охлаждения, где используется экологичная пара цеолит — вода.
  • Силикагель — аморфная форма диоксида кремния, получаемая поликонденсацией кремниевой кислоты с последующей сушкой и активацией. Обладает разветвлённой системой мезопор, что обеспечивает ему высокую скорость поглощения и хорошую кинетику. Основным применением является осушка газов и жидкостей (создание «точки росы» до −40…−60 °С и ниже), защита электроники и лекарственных средств от влаги, а также использование в качестве носителя катализаторов. Поверхность силикагеля богата силанольными группами, что делает его полярным адсорбентом, способным эффективно удерживать воду и другие полярные молекулы.
  • Активированный оксид алюминия — высокодисперсный пористый материал, получаемый дегидратацией гидроксида алюминия при контролируемом нагреве. Он занимает промежуточное положение между силикагелями и цеолитами, обладая развитой поверхностью, механической прочностью, гидрофильностью и химической инертностью во многих агрессивных средах. Применяется для глубокой осушки сжатых газов, в том числе воздуха в пневмосистемах, и в процессах очистки масел. Также активированный оксид алюминия используется как селективный адсорбент для удаления фторидов, мышьяка и некоторых тяжёлых металлов из воды.
  • Металлоорганические каркасы (MOFs) — класс гибридных пористых материалов, в которых органические лиганды (дикарбоновые кислоты и другие органические молекулы) соединяют ионы металлов или небольшие кластеры, образуя трёхмерную кристаллическую структуру. Уникальность MOFs заключается в сверхвысокой удельной поверхности (до 6000—7000 м²/г), беспрецедентной пористости (до 90 % объёма) и возможности точного дизайна геометрии пор и химии поверхности путём выбора различных металлических узлов и органических связок. Благодаря этому MOFs демонстрируют рекордные показатели по ёмкости хранения водорода и метана, высокую селективность к диоксиду углерода в процессах улавливания из дымовых газов, а также способность к адсорбции и деградации химических аэрозольных агентов и стойких органических загрязнителей. Однако их более высокая стоимость и потенциальная гидролитическая нестабильность ограничивают их массовое промышленное применение[5][6].
  • Ионообменные смолы — синтетические полимеры с трёхмерной сетчатой структурой, содержащие функциональные группы, способные к обмену ионов (катиониты для обмена катионов, аниониты для обмена анионов)[7]. Строго говоря, их механизм работы включает не только классическую абсорбцию в объёме геля, но и ионообменную адсорбцию на поверхности полимерной матрицы. Основная область применения — водоумягчение (удаление Ca²⁺ и Mg²⁺), деминерализация воды, а также избирательное извлечение ценных или токсичных металлов из растворов[8].
  • Биоадсорбенты — класс материалов, основанный на использовании возобновляемой биомассы. Сырьём для них могут служить сельскохозяйственные отходы (рисовая шелуха, скорлупа орехов, опилки), а также микробная биомасса (бактерии, грибы). Их главное преимущество низкая стоимость и экологичность, однако часто им свойственна более низкая механическая прочность по сравнению с синтетическими аналогами.

По геометрической структуре пор

По геометрической структуре пор различают адсорбенты с неупорядоченной (аморфной) пористостью, характерной для активных углей и силикагелей, где поры образуют сложную систему с разным размером и формой, и с упорядоченной (кристаллической) пористостью, как в цеолитах, где поры имеют строго определённый размер, образуя регулярную сеть каналов и полостей. В последнем случае адсорбент действует как молекулярное сито, пропуская внутрь себя только те молекулы, чей геометрический размер меньше диаметра входных окон.

По энергии взаимодействия с адсорбатом

По энергии взаимодействия с адсорбатом выделяют физическую адсорбцию, основанную на слабых Ван-дер-Ваальсовых силах и хемосорбцию, где между поверхностью и адсорбатом образуются прочные химические связи.

Теоретические основы адсорбции

Для описания равновесных состояний в системах «адсорбент — адсорбат» разработан ряд фундаментальных теорий, каждая из которых применима к определённым диапазонам давлений и типов пористости.

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра (1916) постулирует существование на поверхности адсорбента конечного числа одинаковых активных центров, каждый из которых способен связать лишь одну молекулу адсорбата, после чего наступает насыщение монослоя. Эта модель хорошо описывает хемосорбцию и физическую адсорбцию газов при малых давлениях.

Теория полимолекулярной адсорбции Брунауэра — Эммета — Теллера (БЭТ) (1938 г.) расширила концепцию Ленгмюра, допустив возможность образования на поверхности нескольких слоёв адсорбированных молекул. Теория БЭТ легла в основу главного экспериментального метода определения удельной поверхности адсорбентов (низкотемпературная адсорбция азота), который стал стандартом в материаловедении. Однако классический метод БЭТ не применим к узким микропорам (менее 2 нм), где перекрывание полей потенциала с противоположных стенок поры приводит к аномальному усилению адсорбции.

Теория объёмного заполнения микропор (ТОЗМ) М. М. Дубинина, основанная на постулате, что адсорбция в микропорах происходит не послойно, а путём заполнения порового объёма по механизму, напоминающему капиллярную конденсацию.

Для эффективного применения адсорбентов в промышленности материалы должны не только обладать высокой ёмкостью, но и соответствовать ряду эксплуатационных требований:

  • Высокая пористость и большая удельная поверхность: обеспечивают максимальную контактную площадь между адсорбентом и обрабатываемой средой.
  • Селективность: способность преимущественно поглощать одни компоненты смеси в присутствии других. В частности, для обработки влажных газов адсорбент должен иметь гидрофобную поверхность, чтобы вода не конкурировала с целевыми загрязнителями.
  • Механическая прочность: зерна адсорбента должны выдерживать нагрузки при засыпке в аппараты и воздействие движущегося потока газа или жидкости без истирания и разрушения.
  • Термическая и химическая стабильность: способность сохранять структуру и свойства при нагреве в процессе регенерации и в агрессивных средах.
  • Регенерируемость: возможность многократного восстановления адсорбционной способности после насыщения без необратимой деградации свойств.
  • Низкая стоимость: соотношение цены и эффективности является критическим фактором при выборе технологии для крупнотоннажных процессов.

Применение адсорбентов

Очистка сточных вод и водоподготовка

Наиболее масштабное применение адсорбентов связано с удалением загрязнителей из водной среды. Активные угли являются наиболее эффективным и широко применяемым средством для удаления микроколичеств органических веществ: нефтепродуктов, фенолов, пестицидов, лекарственных препаратов и синтетических красителей, которые плохо удаляются традиционной биологической очисткой. В водоподготовке для питьевых нужд адсорбция используется для устранения привкусов и запахов, а также для удаления остаточного хлора (преимущественно за счёт каталитического восстановления на поверхности угля). Неорганические адсорбенты (активированный оксид алюминия, модифицированные цеолиты) эффективно связывают ионы тяжёлых металлов (свинец, кадмий, никель), мышьяк и фториды.[9]

Очистка воздуха и газовые разделения

В газовой фазе адсорбенты решают широкий круг задач: от защиты атмосферы до получения целевых газовых компонентов. Улавливание летучих органических соединений (ЛОС) — бензола, толуола, ксилолов, стирола — на активных углях является стандартом в лакокрасочной, полиграфической и химической промышленности. Адсорбционные системы осушки сжатого воздуха на силикагелях или активированном оксиде алюминия обеспечивают подачу осушенного воздуха в пневматические системы, контрольно-измерительные приборы и для создания инертной атмосферы. В процессах короткоцикловой безнагревной адсорбции (PSA) применяются цеолиты и углеродные молекулярные сита. Например, литий-замещённые низкокремнистые цеолиты (Li-LSX) обладают высокой селективностью по азоту, что позволяет получать кислород из воздуха с концентрацией до 95 %. Для получения азота (до 99,9 %) чаще используют углеродные молекулярные сита, которые преимущественно адсорбируют кислород. В нефтегазовой отрасли цеолиты применяются для осушки природного газа перед трубопроводным транспортом, а также для удаления сероводорода и диоксида углерода.

Типичный вид воздухоразделительных установок и их принципиальное устройство описано в статьях Азотная установка, Азотная станция и Кислородная установка.

Нефтепереработка и нефтехимия

Адсорбционные процессы играют важную роль в получении высокооктановых бензинов и чистых ароматических углеводородов. Адсорбционное разделение на цеолитах типа 5А нормальных парафинов (алканов) от разветвлённых и изоциклоалканов (по размерному эффекту — нормальные парафины проникают в поры, а разветвлённые — нет) с последующим крекингом выделенных нормальных парафинов позволяет целенаправленно повышать октановое число бензиновых фракций. Процесс адсорбционной депарафинизации масел удаляет твёрдые предельные углеводороды, улучшая низкотемпературные свойства смазочных материалов. Адсорбция также используется для очистки мономеров перед полимеризацией (удаление ингибиторов, осушка), а также для обезвреживания технологических выбросов[10].

Медицина и фармацевтика

В медицине адсорбенты применяются для детоксикации организма при отравлениях (пероральный приём активированного угля связывает токсины в желудочно-кишечном тракте), для гемоперфузии (прямая очистка крови от токсинов вне организма), а также как носители для лекарственных форм пролонгированного действия, в которых адсорбированное лекарственное вещество постепенно десорбируется в кровоток.

Аналитическая химия и хроматография

Адсорбенты являются неотъемлемой частью современного химического анализа. В адсорбционной хроматографии (жидкостной и газовой) твёрдые сорбенты — силикагель, оксид алюминия, пористые полимеры, графитированная сажа, активные угли, цеолиты — служат стационарной фазой. Разделение компонентов смеси достигается за счёт различия в энергиях взаимодействия с поверхностью адсорбента.

Наиболее значимое применение — хроматография, где адсорбенты выполняют функцию неподвижной фазы:

  • Газоадсорбционная хроматография (ГАХ) — неподвижной фазой служит твёрдый адсорбент (активный уголь, силикагель, молекулярные сита, пористые полимеры), разделение основано на различиях в адсорбируемости компонентов газовой смеси.
  • Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) — широкопористые цеолиты, модифицированные силикагели и другие адсорбенты применяются в качестве неподвижных фаз для разделения сложных органических смесей.
  • Тонкослойная хроматография (ТСХ) — полярные адсорбенты, такие как силикагель и оксид алюминия, служат основой для хроматографических пластин.
  • Твердофазная экстракция (ТФЭ) — адсорбенты (модифицированные кремнезёмы, полимерные сорбенты) используются для концентрирования и очистки проб перед инструментальным анализом.

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ
Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Адсорбенты и адсорбция» необходимо усвоить, что адсорбенты — это твёрдые пористые материалы с высокой удельной поверхностью (обычно 200–3000 м²/г), которые избирательно поглощают вещества на поверхности за счёт физических (Ван-дер-Ваальсовых) или химических сил (хемосорбция). Ключевые представители: активированный уголь (получают пиролизом и активацией древесины, угля, скорлупы кокосов; поверхность до 3000 м²/г), силикагель (SiO₂·nH₂O, применяется для осушки газов и жидкостей), цеолиты (алюмосиликаты с регулярной пористой структурой, действуют как молекулярные сита, разделяют газы по размеру молекул). Важнейшая характеристика — удельная поверхность, её определяют методом БЭТ (низкотемпературная адсорбция азота). По размеру пор различают микропоры (<2 нм, основной вклад в адсорбцию), мезопоры (2–50 нм, транспортные каналы) и макропоры (>50 нм, обеспечивают подвод вещества). Механизмы адсорбции: физическая (слабые силы, обратима) и химическая (образование прочных связей, часто необратима). В промышленности адсорбцию применяют для очистки воды и воздуха (активные угли удаляют органику, цеолиты – ионы тяжёлых металлов), осушки газов (силикагель, активированный Al₂O₃), разделения воздуха в PSA-установках (цеолиты – для получения O₂ до 95 %, углеродные молекулярные сита – для N₂ до 99,9 %), в нефтепереработке (разделение нормальных и разветвлённых парафинов), в медицине (активированный уголь как антидот при отравлениях), в хроматографии (неподвижная фаза). В заданиях части 2 вас могут попросить объяснить, почему активированный уголь эффективно поглощает органические загрязнители (большая удельная поверхность и пористость), сравнить адсорбционную способность угля и силикагеля (уголь – для органики, силикагель – для полярных молекул, особенно воды), выбрать адсорбент для конкретной задачи (например, для осушки природного газа – цеолиты или силикагель; для удаления фенолов из воды – активированный уголь), написать уравнение регенерации адсорбента (например, термическая десорбция при нагреве).

Примечания

  1. ↑ Рудзитис, Г. Е. Химия : 9-й класс : учебник / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 12-е изд., перераб. – Москва : Просвещение, 2023. – 208 с. – ISBN 978-5-09-102553-8.
  2. ↑ adsorbent // The IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triangle Park, NC: International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), 2014-02-24. — doi:10.1351/goldbook.a00153.
  3. ↑ ГОСТ Р 51878-2002 Газоочистители адсорбционные. Требования безопасности и методы испытаний - docs.cntd.ru. docs.cntd.ru. Дата обращения: 19 августа 2026.
  4. ↑ Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. — РХТУ имени Д.И. Менделеева Москва, 2012. — 308 с.
  5. ↑ G. S. Deiko, V. I. Isaeva, L. M. Kustov. New Molecular Sieve Materials: Composites Based on Metal–Organic Frameworks and Ionic Liquids // Petroleum Chemistry. — 2019-08. — Т. 59, вып. 8. — С. 770–787. — ISSN 1555-6239 0965-5441, 1555-6239. — doi:10.1134/s096554411908005x.
  6. ↑ Nanoporous Materials: MOFs and COFs for Adsorption and Separation in Energy and Environmental Applications (англ.). SpringerLink. Дата обращения: 19 августа 2026.
  7. ↑ Назарова О. П., Танащук Л. И. Кинетика гидролиза сахарозы ионообменными смолами // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. — 1990. — № 4.
  8. ↑ Каипбергенова Гулжамила Расбергеновна. Синтез новых ионообменных смол и их применение // Universum: технические науки. — 2025. — № 9 (138). — doi:10.32743/UniTech.2025.138.9.20825.
  9. ↑ Когановский, А. М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко и др. — М.: Химия, 1983, с. 288.
  10. ↑ Vladimir Komarov. Adsorbents and carriers of catalysts. Scientific bases of regulation of porous structure. — Infra-M Academic Publishing House, 2014-02-17. — ISBN 978-5-16-100828-7.

Литература

  • Мухин В.М., Клушин В.Н. Производство и применение углеродных адсорбентов. — РХТУ имени Д.И. Менделеева Москва, 2012.
  • Ягодовский, В. Д. Адсорбция : учебное пособие / В. Д. Ягодовский. — 3-е изд. — Москва : Лаборатория знаний, 2024. — 217 с. — ISBN 978-5-93208-675-9.
  • Карнаухов, А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов / А. П. Карнаухов ; Сибирское предприятие РАН. — Новосибирск : Наука, 1999. — 470 с. — ISBN 5-02-031529-Х.
  • Рудзитис, Г. Е. Химия : 9-й класс : учебник / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 12-е изд., перераб. – Москва : Просвещение, 2023. – 208 с. – ISBN 978-5-09-102553-8.

Дополнительно по теме

Категории

Pause