Adsorptio

Adsorptio on fysikaalinen prosessi, jossa kaasumainen aine (tai neste) muodostaa ohuen kalvon kiinteän aineen pintaan.Adsorption Encyclopædia Britannica   Tyypillisin esimerkki adsorption hyötykäytöstä on aktiivihiilisuodatin.Aktiivihiilisuodattimet kaasufaasille  KW Filter  Aineen pinnassa olevat atomit ja molekyylit eivät ole kaikilta tahoilta viereisten atomien tai molekyylien ympäröimänä, ja siksi niillä on käyttämättömiä valenssi- tai muita vetovoimia, joilla ne voivat kiinnittää vieraita molekyylejä. Adsorption voimakkuus riippuu sekä adsorboivasta aineesta että adsorboituvasta aineesta. Huokoiset ja hienojakoiset aineet adsorboivat usein hyvin johtuen suuresta pinta-alasta. Zeoliiteilla voidaan poistaa hiilidioksidia kaasusta ja sinkkioksidilla (ZnO) rikkivetyä (H2S), jolloin muodostuu sinkkisulfidia (ZnS). Adsorptio voi olla fysikaalista tai kemiallista riippuen siinä vaikuttavista voimista ja syntyvistä sidoksista. Kemiallista adsorptiota kutsutaan kemisorptioksi ja fysikaalista adsorptiota fysisorptioksi.

IUPAC:n määritelmän mukaan adsorptio on kaasun, nesteen tai kiinteän kerroksen muodostuminen kiinteän aineen tai nesteen pinnalle. Adsorptiota on kahdenlaista riippuen kiinnittymistavasta. Kemisorptiossa yksi kerros molekyylejä, atomeja tai ioneita kiinnittyy adsorbentin pintaan kemiallisin sidoksin. Fysisorptiossa adsorboituneet molekyylit ovat kiinnittyneet heikommilla van der Waalsin voimilla. Adsorptio on tärkeä ja ominainen prosessi pintareaktioissa, kuten korroosiossa ja heterogeenisessa katalyysissa.R. Rennie, A dictionary of chemistry, 7th ed., Oxford University press, 2016

  Teoria 
Adsorptio tapahtuu aineen pinnalla toisin kuin absorptio, jossa molekyyli tunkeutuu aineen sisään.K. Kalliorinne, K. Kalliorinne, Fysikaalinen kemia. 3, Dynamiikka, Kirjayhtymä, Helsinki, 1990, 189 sivua

Fysisorptiossa adsorboituvat partikkelit eivät vaihda sisäisiä sidoksiaan, vaan sitoutuminen tapahtuu heikoilla van der Waalsin voimilla. Kemisorptiossa sitoutuminen tapahtuu kemiallisilla sidoksilla, joissa entalpiamuutokset ovat suurempia kuin fysisorptiossa.T. Engel, P. Reid, Physical chemistry, Pearson, San Fancisco, 2005, 1061 sivua

Peittoaste θ kuvaa varattujen adsorptiopaikkojen suhdetta niiden kokonaismäärään. Adsorboituneiden ja vapaiden molekyylien määrän välillä vallitsee tasapainotila. Peittoasteen muutosta paineen suhteen vakiolämpötilassa kutsutaan adsorptioisotermiksi. 

 Langmuirin malli 
Yksinkertaisin kineettinen malli adsorptiolle on Langmuirin malli, jota voidaan kuvata reaktioyhtälöllä  

missä R on adsorbaatti, M on vapaa adsorptiopaikka adsorbentin pinnalla, RM on varattu adsorptiopaikka, ka on nopeusvakio adsorptiolle ja kd on nopeusvakio desorptiolle.  

Langmuirin mallissa on käytetty kolmea approksimaatiota: 

1)    Adsorptiota tapahtuu vain yhdessä kerroksessa

2)    Kaikki adsorptiokohdat ovat samanlaisia ja pinta on yhdenmukainen

3)    Adsorptio ja desorptio ovat toisistaan riippumattomia prosesseja.

Näillä approksimaatioilla peittoasteen muutos riippuu adsorption nopeusvakiosta, adsorbaatin paineesta P ja tyhjien adsorptiopaikkojen lukumäärästä, joka on kaikkien paikkojen lukumäärä N kerrottuna vapaiden paikkojen osuudella (1-θ).

Tasapainotilassa peittoasteen muutos ajan suhteen on nolla  

Langmuirin isotermin yhtälöksi saadaan

missä K on tasapainovakio ka/kd.

Langmuirin yhtälö on tilavuuden avulla ilmaistuna

missä v on adsorboituneen kaasun tilavuus ja vmax kaasun tilavuus pinnan peittoasteella 1.

Brunauerin, Emmetin ja Tellerin adsorptioisotermi on johdettu Langmuirin yhtälöstä, ja sillä mallinnetaan monikerrosadsorptiota. Ennen yhden kerroksen täydellistä muodostumista voi jo tapahtua adsorptiota toiseen, kolmanteen tai useampaan kerrokseen adsorbentin pinnalle. Yhtälöä kutsutaan BET yhtälöksi tekijöiden mukaan. BET-yhtälö on

missä c on vakio, P^* puhtaan adsorbaatin höyrynpaine koelämpötilassa ja P adsorbaatin paine.

 Freundlichin adsorptioisotermi 

Kiinteän aineen ja liuoksen rajapinnalle käytetään samoja malleja kuin kaasun ja kiinteän aineen rajapinnalle. Langmuirin ja Freundlichin yhtälöitä voidaan muokata liuokselle sopivaksi. Langmuirin malli saadaan muotoon

missä x on liuenneen aineen määrä, joka on adsorboitunut kiinteän faasin massaan m, a kokeiden perusteella määritettävä vakio, c liuenneen aineen konsentraatio ja c° on 1 mol/dm3. (x/m)max on monomolekulaarisen kerroksen täysi kapasiteetti.

Freundlichin malli saadaan muotoon

missä k ja n ovat kokeiden perusteella määritettäviä vakioita.

 Sovellutuksia 
Adsorptioilmiön löytää useista eri sovelluksista. Seuraavassa muutamia sovelluksia, joissa adsorptiota käytetään: 

 Maaliteollisuus 
Jos kiinteiden ja maalimolekyylien pintojen välillä ei olisi vetovoimaa, maali liukuisi irti eikä tarttuisi pintaan. Adsorptio on siksi olennainen osa maalausprosessia; nestemäisten maalien molekyylit kiinnittyvät metallimateriaaleihin, jolloin se kuivuu paikalleen. Eri maaliformulaatiot ovat välttämättömiä sen varmistamiseksi, jotta adsorptio eri materiaaleille on riittävän voimakas pitämään maalia pinnalla, kunnes se voi muodostaa vahvempia ja pysyviä kemiallisia ja mekaanisia sidoksia Okafor, J.O; Agbajelola, D.O, Peter, Shehu, Adamu, M, David, G.T, Studies on the Adsorption of Heavy Metals in a Paint Industry Effluent Using Activated Maize, 2015. http://www.jmest.org/wp-content/uploads/JMESTN42350433.pdf.

 Vedensuodatin 
Vedensuodattimen sisältämä aktiivihiili adsorboi veteen liuenneita epäpuhtauksia, vetää ne ulos suodatettavasta vedestä ja kiinnittää ne suodattimeen. Se kerää epäpuhtauksia mukaan lukien liuenneet kemikaalit, bakteerit sekä mikroskooppiset kiinteät hiukkaset. Hiili on jauhemaisessa muodossa antaen sille erittäin suuren tehokkaan pinta-alan. Suuri pinta-ala antaa hiilelle hyvän mahdollisuuden poistaa epäpuhtauksia. Kun suodattimen läpi kulkee riittävästi vettä, hiili lopulta tukkeutuu epäpuhtauksien kanssa; kun näin tapahtuu, suodatin poistetaan ja vaihdetaan uuteen Y. K. Siong, J.Idris, M. Mazar Atabaki, Performance of activated carbon in water, 2013..

 Kaasunaamari 
Kaasunaamareissa käytetään aktiivihiilisuodattimia käyttäjien suojaamiseksi toksiineilta, kuten sariinikaasulta.M. Linders, Adsorption Processes in Gas Mask Filter Canisters: Practical Aspects, New Materials and Modeling, in: Recent Advances in Adsorption Processes for Environmental Protection and Security, Springer Netherlands, Dordrecht, 2008, pp. 155-164. 

 Heterogeeninen katalyytti 
Heterogeenisessä katalyysissä adsorptio ja desorptio ovat välttämättömiä prosesseja, koska adsorptio aktivoi lähtöaineiden kemiallisia sidoksia ja desorptio poistaa reaktiotuotteet pinnalta. Tyypillisessä adsorptioprosessissa kaasumainen tai nestemäinen aine (adsorptiivinen) kiinnittyy kiinteään tai nestemäiseen pintaan muodostaen adsorboivan aineen, adsorptiivisen ja adsorption välisen kompleksin.Mark E. Davis, Robert J., Fundamentals of Chemical Reaction Engineering, 2012. http://authors.library.caltech.edu/25070/6/FundChemReaxEngCh5.pdf

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 

Luokka:Fysikaalinen kemia