Absorptsioon (keemia)

Absorptsioon on keemias gaasi või gaasisegu neeldumine vedelikus või tahkises, harvem mõeldakse selle all vedeliku neeldumist tahkises. Kõige üldisemas mõttes on absorptsioon mingi aine neeldumine mis tahes aines. Neeldumiskeskkonda või -ainet nimetatakse absorbendiks ja neelduvat ainet absorbaadiks. Tavaliselt eeldatakse, et absorbent ja absorbaat on eri faasides. Enamasti on absorptsiooni puhul tegu vedeliku neeldumisega gaasis. Tahke absorbendiga absorptsiooni näited on divesiniku absorptsioon metallides, madalmolekulaarsete vedelike ja gaaside absorptsioon tseoliitides ja naftasaaduste absorptsioon kummitehnilistes toodetes. Erinevalt adsorptsioonist jaotuvad absorptsiooni puhul absorbaadi osakesed (aatomid, molekulid või ioonid) absorbendis ühtlaselt kogu selle ruumala ulatuses; adsorptsiooni puhul neelab ainet ainult piirpind. See erinevus aga kaob, kui neelavas aines on palju tühimikke või see on mikroskoopiliste osakeste agregaat, sest neil juhtudel on neelav aine kogu oma ulatuses pinnal. Absorptsioon algab alati adsorptsiooniga. Koos adsorptsiooni ja ioonreaktsiooniga on absorptsioon üks sorptsiooni liike. Eri adsorbendid neelavad erinevaid aineid. Absorptsiooni käigus vabaneb soojus. Absorptsiooni käigus toimub peale absorbeeriva materjali massi suurenemise ka paisumine ja füüsikaliste omaduste muutumine, mõnikord isegi agregaatoleku muutumine. Vastavalt sellele, kas absorptsiooni käigus toimub keemiline reaktsioon, eristatakse füüsikalist ja keemilist absorptsiooni. Füüsikalise absorptsiooni puhul absorbendi ja absorbaadi vahel keemilist reaktsiooni ei toimu ja ka absorbaat ei polümeriseeru. Kui gaas absorbeerub vedelikus, siis suletud süsteemi puhul liiguvad gaasi, näiteks dihapniku aatomid või molekulid difusiooni teel vedelikku, näiteks vette, kuni jõutakse lahustuvuse piirini. Tekib keemiline tasakaal: osakeste voog vedelikku võrdub osakeste vooga gaasi. Massiülekanne toimub vedeliku ja gaasi pinnal kiirusega, mis sõltub nii gaasist kui ka vedelikust. Selline absorptsioon sõltub gaaside lahustuvusest, rõhust ja temperatuurist. Absorptsiooni kiirus ja määr sõltuvad ka pinna pindalast ja protsessi kestusest. Näiteks kui vesi on pihustunud ja õhuga segunenud nagu näiteks jugades, absorbeerib vesi rohkem hapnikku. Füüsikalise absorptsiooni puhul kehtib madala rõhu korral ligikaudselt Henry seadus. Etteantud temperatuuri korral on gaasi kontsentratsioon c {\displaystyle c} võrdeline gaasi rõhuga p {\displaystyle p} vedelikule: c = k ⋅ p {\displaystyle c=k\cdot p} Siin on k {\displaystyle k} Ostwaldi absorptsioonikoefitsient, mis sõltub temperatuurist ja osalevatest ainetest. Kui absorbeerub mitu gaasi, siis lahustuvad nad üksteisest sõltumatult vastavalt oma partsiaalrõhkudega p x {\displaystyle p_{\mathrm {x} }} : c x = k x ⋅ p x {\displaystyle c_{x}=k_{\mathrm {x} }\cdot p_{\mathrm {x} }} (Henry-Daltoni seadus) Kui gaas absorbeerub mitmes omavahel segunematus vedelikus, siis on kontsentratsioonide suhe sõltumatu gaasi ja vedelike kontsentratsioonidest, sõltudes ainult temperatuurist ja ainetest (Nernsti jaotusseadus). Kui tahkis absorbeerib vedelike segu või mõnd selle komponenti, siis tahkisesse liigub vedelikumass. Näiteks keraamiline veenõu võib mingil määral vett absorbeerida. See massiülekanne toimub tahkise ja vedeliku piiril kiirusega, mis sõltub nii tahkisest kui ka vedelikust. Näiteks keraamilise veenõu puhul sõltub see savi koostisest. Füüsikalise absorptsiooni näited on ammoniaagi neeldumine vette, maagaasi dehüdratatsioon veeauru neeldumise tõttu vedelatesse glükoolidesse ning metaani, etaani, propaani ja butaani segust propaani ja butaani eraldumine neeldumise tõttu kõrgmolekulaarsete vedelate süsivesinike segusse. Keemilise absorptsiooni puhul toimub absorbendi ja absorbaadi vahel keemiline reaktsioon. Mõnikord toimuvad füüsikaline ja keemiline reaktsioon korraga. Selline absorptsioon sõltub reaktsiooni stöhhiomeetriast ja reagentide kontsentratsioonist. Keemiline absorptsioon toimub tavaliselt paremini kui füüsikaline. Keemilise absorptsiooni näide on maagaasi puhastumine mõne etanoolamiini vesilahuses, mille puhul divesiniksulfiid, süsinikdioksiid ja teised happelised gaasid reageerivad etanoolamiiniga. Absorptsioon võib olla pöörduv või pöördumatu. Väikese hapnikukoguse füüsikalist absorptsiooni vees saab tagasi pöörata vee soojendamisega. Happeliste gaaside keemilist absorptsiooni etanoolamiini vesilahuses saab tagasi pöörata etanoolamiini destilleerimisega. Süsinikdioksiidi keemiline absorptsioon naatriumhüdroksiidi vesilahuses on pöördumatu. Füüsikalise absorptsiooni puhul kasutatakse absorbeerunud aine absorbendist uuesti kättesaamiseks muuhulgas absorbendi kuumutamist ja mitteabsorbeeriva vedelikuga lahjendamist. Mõnikord on võimalik regenereerida ka keemiliselt absorbeerunud ained. Selleks võidakse kasutada absorptsioonisaaduste keemilist või termilist lagundamist. Paljudel juhtudel on see võimatu või tehnoloogiliselt või majanduslikult ebaotstarbekas. Absorptsioon võib seisneda gaasi lahustumises vedelikus. Absorptsioonimahtuvus näitab, kui palju gaasi mingi vedelikukogus saab vastu võtta. Henry seaduse järgi see kasvab gaasi rõhu kasvades; temperatuuri kasvades see kahaneb. Gaasisegude puhul kehtib madalate partsiaalrõhkude korral Henry-Daltoni seadus. Looduses on absorptsiooni näiteks seemnete paisumine. Õhuniiskuse füüsikaline absorptsioon põhjustab puitesemete paisumist ja kihtideks lagunemist. Hapniku keemiline absorptsioon kummis põhjustab kummi elastsuse kadu ja pragunemist. Absorptsiooni kõige sagedasem kasutusala on selliste segude lahutamiseks, mille komponentide absorbeerumisvõime sobivas absorbendis on erinev. Aineks, mida niiviisi saadakse, võib olla absorbeeritav komponent kui ka absorbeerimata jääv komponent. Näiteks on absorptsiooni kasutatud benseeniaurude eemaldamiseks söegaasist. Absorptsiooni abil puhastatakse ka heitgaase mürgistest komponentidest. Absorptsiooni abil toodetakse joodi jt aineid, seotakse lahustiaure ja tehakse keemilist analüüsi. Gaaside kuivatamiseks või mõne gaasisegus sisalduva komponendi absorbeerimiseks kasutatakse absorptsioonikolonni, millest gaas läbi lastakse. On ka teisi absorptsiooniaparaate. Adsorptsioon Sorptsioon Silikageel