Podstawowe typy 

adsorbentów: 

rodzaje i klasyfikacja

 

 

Adsorbent - to ciało, na 

powierzchni którego zachodzi 

proces polegający na 

powierzchniowym wiązaniu 

cząsteczek płynu (cieczy lub gazu) 

przez cząsteczki ciała stałego.

 

 

            Podział adsorbentów ze względu na porowatość:



 Adsorbenty nieporowate -  mają one niewielką powierzchnię          

    właściwą, rzadko przewyższającą 10 m

2

/g. Najczęściej powierzchnia 

    ta wynosi od 0,1 do 1 m

2

/g.

 

Należą do nich:

  sadza grafitowana,
  BaSO

4

, 

  aerożele krzemionkowe.



 Adsorbenty porowate - ciała stałe o powierzchniach właściwych od 

    setek do tysiąca m

2

/g. Adsorbenty takie stosuje się w postaci 

    ziarnistej (tabletki, granulki, kulki) w celu nadania im odpowiedniej 
    wytrzymałości i zmniejszenia oporu w stosunku do strumienia gazu 
    lub cieczy. Rozmiary ziaren wynoszą najczęściej od 0,1 do 2 nm. 

 

Wyróżniamy wśród nich:

  żele krzemionkowe,
  uwodniony Al

2

O

3,

  węgle aktywne,
  sita molekularne (zeolity),
  szkła porowate.

 

 

                     

Metody otrzymywania adsorbentów

Adsorbenty nieporowate otrzymuje się przez:



 strącanie krystalicznych osadów, jak np. BaSO

4

, 



 mielenie szklistych lub krystalicznych ciał stałych,



 niepełne spalanie substancji organicznych (tzw. czarne sadze) lub

    krzemoorganicznych (tzw. białe sadze), 



 hydrolizę chlorowcobezwodników kwasu ortokrzemowego np. SiCl

4

    

 
    lub SiF

4

 w silnie przegrzanej parze wodnej, uzyskując tzw. aerozole 

    krzemionkowe,



 obróbkę zwykłej sadzy polegającą na ogrzewaniu jej w temperaturze

    3000°C pod zmniejszonym ciśnieniem, w atmosferze gazu obojętne- 

    go lub atmosferze redukującej. W temperaturze 3000°C cząsteczki 
    sadzy przybierają postać wielościanów, których płaszczyzny 
    zbudowane są z grafitu. Otrzymujemy tu sadze grafitowane. 
    

 

 

                                Metody otrzymywania adsorbentów

Wyróżniamy dwie główne metody otrzymywania adsorbentów porowatych:

 1. synteza (aglomeracja) - która polega na zbudowaniu sztywnego szkieletu
     adsorbentu z małych cząstek o rozmiarach koloidalnych; cząstki te
     (korpuskuły) zlepiają się lub zrastają w miejscach zetknięcia, tworząc 
     szkielet o olbrzymiej powierzchni wewnętrznej; w ten sposób otrzymuje się 

     m.in. żele krzemionkowe, uwodniony Al

2

O

3

;

 

 

Cząstki żelu krzemionkowego zbudowane są z tetraedrów SiO

4

 

ułożonych w postaci przestrzennej nieuporządkowanej sieci.

 

 

                           Metody otrzymywania adsorbentów

2. wywarzanie porów w litym materiale wyjściowym - polega na
    działaniu na porowate lub nieporowate ciała (koks, szkło), 
    aktywnymi gazami lub cieczami. 

 Przykłady:



 węgiel aktywny z bardzo rozwiniętą powierzchnią (rozmiary porów od

    kilku do kilkudziesięciu nm) - powstaje podczas działania na nieaktywny
    węgiel gazami utleniającymi w temperaturze od 1123 do 1223 K; 
    wówczas część węgla ulega spaleniu; 



 szkła porowate - otrzymuje się działając kwasami na szkło sodowo –

    borowe. Rozmiary porów zależą od obróbki cieplnej szkła i końcowego
    przemywania roztworami NaOH lub KOH; 



 metale porowate, jak np. nikiel Raney’a otrzymuje się poprzez

    wyługowanie NaOH stopu Ni z Al; w stopie tym podczas krzepnięcia
    wydzielają się obydwa metale jako oddzielne fazy; po rozpuszczeniu
    glinu w NaOH pozostaje porowaty szkielet niklowy.

 

 

Schemat poglądowy węgla aktywnego z zaznaczeniem 

systemu kanałów

 

 

węglowodory o dużej masie 
cząsteczkowej (barwniki, aminy, 
związki humusowe, benzyna)

 

chlorowane, niearomatyczne 
(tetrachlorek węgla, chloroalkilowe 
etery, heksachlorobutadien itd.)

związki alifatyczne o małej masie 
cząsteczkowej

pestycydy i herbicydy (DDT, 
aldryna, chloran, heptachlor itd.)

związki o bardzo dużej masie 
cząsteczkowej lub koloidy 

wielopierścieniowe węglowodory 
aromatyczne (acenaften, 
benzopireny itd.)

cukry i skrobia

fenol i chlorofenole 

ketony, kwasy i aldehydy o małej 
masie cząsteczkowej

chlorowane związki aromatyczne 
(PCB, chlorobenzeny, 
chloronaftalen)

alkohole

rozpuszczalniki aromatyczne 
(benzen, toluen, nitrobenzeny itd.)

substancje słabo usuwane

substancje dobrze usuwane

Tabela 1. Przykłady organicznych substancji dobrze i źle usuwanych 
                 przez węgiel aktywny [Kowal & Świderska-Bróż 1996]

 

 

                                    Adsorbenty porowate

Klasyfikacja porów wg Dubinina:



 mikropory – pory o promieniach mniejszych od 2 nm, 



 pory pośrednie (mezopory) – pory o promieniach większych od

    2 nm a mniejszych od 200 nm,

   



 makropory – pory o promieniach większych od 200 nm.

 

 

                                        Adsorbenty porowate

SITA MOLEKULARNE:

 ZEOLITY są uwodnionymi, krystalicznymi glinokrzemianami metali 
 I i II grupy układu okresowego (w szczególności Na, K, Mg, Ca, Sr
 i Ba), składające się z przestrzennie ułożonych tetraedrów SiO

4

, AlO

4

. 

 W licznych krzemianach może dojść do zastąpienia części jonów Si

4+ 

 

przez jony Al

3+

, w wyniku czego powstaje nadmiarowy ładunek ujemny,

 który zobojętniany jest przez kationy metali I lub II grupy układu
 okresowego, umieszczone w wolnych przestrzeniach struktury. 
 Ogólny tlenkowy wzór zeolitów można napisać następująco: 

   

           

                             M

2/n

 · Al

2

O

3

 · mSiO

2

 · pH

2

O

gdzie:   n – wartościowość kationu, 
            m i p – liczby charakterystyczne dla danego zeolitu. 

 

 

                        Klasyfikacja struktur zeolitowych

W zależności od przestrzennego ułożenia i sposobu połączeń 
tetraedrów SiO

4

 i AlO

4

 otrzymuje się różne strukturalne odmiany 

zeolitów. Najczęściej stosuje się ich podział na 7 grup na podstawie 
charakteru połączeń tetraedrów (Si,Al)O

4

 w elementy struktury.

Inna klasyfikacja opiera się na średnicy otworu wejściowego zeolitu.
Obowiązują dwie klasyfikacje zeolitów amerykańska i rosyjska.

 

 

                                    

System kanałów w zeolitach

1. System nieprzenikających się kanałów o jednakowych rozmiarach,

2. Dwuwymiarowy system kanałów,

3. Trójwymiarowy system kanałów,

    a) kanały ekwiwalentne,

    b) kanały nieekwiwalentne.

 

 

                       Budowa niektórych typów zeolitów

Obecnie znane są 34 zeolity naturalne i ponad 150 zeolitów 
syntetycznych. Praktyczne znaczenie mają te, które po dehydratacji 
okazują się przeniknięte systemem kanałów połączonych między sobą. 
Wśród zeolitów syntetycznych do najważniejszych można zaliczyć 
zeolity typu A, X i Y, a do naturalnych mordenit i chabazyt.



 Zeolit typu A – jego jednostka strukturalna zbudowana jest z 24

    tetraedrów: 12 AlO

4

 i 12 SiO

4

 i nosi nazwę kubooktaedru, w którym

    wierzchołki stanowią kationy Si

4+

 lub Al

3+

. 

 

 

W zeolicie typu A kubooktaedry łączą się ze sobą poprzez podwójne 
4-członowe pierścienie, tworząc trójwymiarową sieć, w której istnieją 
dwa rodzaje komór:

  małe – sferyczne, wewnątrz kubooktaedrów (d=0,66 nm)

  



 duże- powstałe przez połączenie kubooktaedrów, również kuliste

             (d=1,14 nm)

 

 

 Zeolity typu X i Y-  mają strukturę fojazytu, który jest zeolitem
    naturalnym. Komórka elementarna zawiera 192 tetraedry (Si,Al)O

4

. 

    Zasadniczym elementem struktury są kubooktaedry zbudowane 
    z 24 tetraedrów SiO

4

 i AlO

4

. Kubooktaedry łączą się ze sobą przez

    6-członowe pierścienie tworzące tak zwaną pryzmę heksagonalną.

  

Powstaje tu luźniejsza sieć przestrzenna niż w przypadku zeolitów 
typu A. Dlatego zeolity typu X i Y mają największą objętość swobodną.

 

 

                              Rodzaje komór w zeolitach X i Y:



 wielkie komory – między kubooktaedrami o kształcie w przybliżeniu 

   elipsoidalnym i średnicy ok. 1,3 nm,



 małe komory – wewnątrz kubooktaedrów, w przybliżeniu sferyczne 

   o średnicy ok. 0,66 nm,



 przestrzenie wewnątrz pryzm heksagonalnych – łączące się

   z kubooktaedrami za pośrednictwem 6-członowych pierścieni 
   tlenowych.

 

 

                              Własności adsorpcyjne zeolitów



 typowe adsorbenty mikroporowate,



 ściśle uporządkowana struktura porowata,



 selektywność absorpcji,

  własności sitowo molekularne.

 

 

 

 

                                      Występowanie

Zeolity naturalne spotyka się najczęściej w zwietrzelinach minerałów 
bazaltowych lub wulkanicznych. Odkryto je też w minerałach 
osadowych, będących produktami przemiany popiołów wulkanicznych.
W Polsce występują:


 natrolit,



 klinoptilolit,



 chabazyt,



 filipsyt.

Zdjęcie 1. Natrolit

 

 

Podział adsorbentów ze względu na charakter powierzchni 

(uwzględnia rozmieszczenie ładunków elektrycznych na 

powierzchni):

 Niespecyficzne - oddziaływania powszechne, występują miedzy 
    dowolnymi partnerami, są to przede wszystkim oddziaływania
    dyspersyjne, związane z uzgodnionym ruchem elektronów 
    (np. grafitowane sadze, węglowodory nasycone, polimery

),

 Specyficzne -  oddziaływania spowodowane niejednorodną
    gęstością elektronów zewnętrznych (peryferyjnych), związane jest
    to z miejscowym zagęszczeniem ujemnych lub dodatnich
    ładunków (np. SiO

2

 

⋅

 n H

2

O, zeolity). 

 

 

              Klasyfikacja adsorbentów według Kisielewa



 TYP I - adsorbenty niespecyficzne. Na ich powierzchni nie ma

     grup funkcyjnych zdolnych do wymiany jonu. Do tej grupy należą 
     przede wszystkim grafitowane sadze, a także węglowodory 
     nasycone i polimery (np. polietylen).



 TYP II - adsorbenty specyficzne dodatnie. Na swojej powierzchni

     mają grupy OH o kwasowym charakterze np. zhydroksylowane 
     powierzchnie tlenków kwasowych, w szczególności SiO

2

*nH

2

O. 

     Do adsorbentów grupy drugiej zaliczamy zeolity.

  TYP III - adsorbenty specyficzne ujemne. Na powierzchni mają
      wiązania lub grupy atomów ze skupionym na ich peryferiach
      ładunkiem ujemnym. Otrzymuje się je przeważnie przez:
      nałożenie na powierzchnię niespecyficznego adsorbentu (typu I), 
        a w szczególności na powierzchnię grafitowanej sadzy, 
        monomolekularnej warstwy cząsteczek lub mikrocząstek grupy B,
      chemiczne modyfikowanie powierzchni adsorbentów innych
        typów, wbudowując odpowiednie grupy funkcyjne, np. - CN.