Адсорбция микропористыми сорбентами

Процесс адсорбции по существу ничем не отличается от ионного обмена, с той лишь разницей, что на микропористых сорбентах обычно сорбируются не ионы, а целиком молекулы, чаще неполярных веществ. Соответственно в качестве сорбентов выступают не ионообменные смолы, а материалы без функциональных групп или микропористые адсорбционные смолы. Связывание субстанций на этих сорбентах происходит не по стехиометрическим соотношениям, как в ионитах, например, а под воздействием сил Ван-дер-Ваальса.

Важнейшими характеристиками этих сорбентов являются:

- объем пор;

- удельная поверхность;

- средний диаметр пор;

- распределение пор по размерам.

Наиболее типичным и первым из такого рода сорбентов является активный уголь. Сейчас выпускаются полимерные сорбенты, которые по качеству превосходят активный уголь. Химический состав этих сорбентов:

- неполярные - стирол;

- полуполярные - акриловые эфиры;

- полярные - сульфоксиды, амиды.

Физические свойства:

- внутренняя поверхность 20 - 800 м²/г (для сравнения: у активного угля - около 60 м²/г);

- объем пор 0,5 - 1,2 мл/г;

- средний диаметр пор 5 - 130 нм (у активного угля - около 13 нм).

Практически любое вещество, которое можно экстрагировать органическим растворителем, можно связать и специально подобранным сорбентом.

Особенность адсорбентов - их емкость увеличивается при возрастании концентрации солей в среде (для ионообменников, наоборот, уменьшается). В остальном сорбция микропористыми сорбентами протекает аналогично ионному обмену (имеется изотерма адсорбции, динамика сорбции подчиняется тем же закономерностям, что и ионный обмен). Соответственно аппаратура и технологические схемы для этого процесса также аналогичны используемым для ионного обмена.

Хроматография

Сорбция в двух изложенных ранее модификациях – ионный обмен и адсорбция микропористыми сорбентами – предполагает высокую селективность сорбентов или отсутствие в обрабатываемом растворе веществ, имеющих близкие характеристики по селективности. Между тем в биологических растворах часто оказывается смесь близких по природе веществ, имеющих в то же время различную биологическую активность. Сорбенты при этом адсорбируют всю эту смесь, да и при десорбции в конечном счете все эти вещества выделяются вместе, хотя и очищенными от других загрязняющих веществ. Возникает задача разделения этих близких по природе веществ. Эту задачу выполняет процесс хроматографии. Хроматография известна больше в измерительной технике, где с ее помощью решают задачу количественного определения вещества, находящегося в сложной смеси близких по составу веществ (например, углеводороды нефти или углеводы в сложных прир0дных смесях сахаров). Между тем в технологии на тех же принципах основан процесс, который более точно называют препаративная хроматография. По существу, это специфический способ десорбции сорбированной любым способом смеси веществ, чаще всего на микропористых сорбентах. Как уже было сказано, при обычной схеме десорбция не очень то различает разные вещества близкого состава и молекулярной массы, которые при десорбции выделяются вместе. Хроматография позволяет это сделать.

При хроматографии поток элюента, выходящий из слоя сорбента, не собирается весь в одну емкость, а фракционируется по времени пропускания элюента через колонку. Дело в том, что десорбция разных по молекулярной массе или, точнее, разных по сродству к сорбенту веществ протекает с разной скоростью. Поэтому сначала в поток перейдут вещества с меньшей молекулярной массой и менее связанные с сорбентом, а затем все более и более трудно десорбируемые. Если измерять концентрацию вещества в потоке элюента во времени, то можно наблюдать ряд пиков различной высоты, разделенных участками низкой концентрации.

B измерительных приборах (хроматографах) высота и площадь пиков являются основой для определения концентрации вещества. В препаративной хроматографии поток элюента, собираемый за различные промежутки времени (t₁, t₂, … t_i), является основой для разделения смеси веществ на более однородные по составу растворы. Так можно разделять разные белки, разные аминокислоты или разные сахара. За основу разделения берется время выхода.

Преимущества хроматографии:

- высокая селективность;

- возможность разделения веществ с близкими свойствами;

- мягкие условия проведения процесса.

Недостатки:

- более низкая скорость десорбции, необходимая для улавливания разных «пиков» выделения веществ;

- обычно более разбавленные растворы;

- более сложное аппаратурное оформление процесса.

Биосорбция

Биосорбцией обычно называют такие процессы, в которых в качестве сорбента используются сами микроорганизмы, клетки или их компоненты. Наиболее известно применение биосорбентов для извлечения металлов из растворов. Микроорганизмы обладают биохимическими механизмами сорбции металлов, позволяющими достигать концентраций металлов, в тысячи и даже в миллионы раз больших по сравнению с их концентрацией в жидкости, из которой металл извлекается. Некоторые из таких сорбируемых металлов входят в состав ферментов и нужны клеткам. Поэтому сорбция железа, магния, цинка, меди, молибдена - нормальная физиологическая функция клеток. Но эти же пути связывания клетки используют и для совсем чужеродных металлов, таких, как серебро, ртуть, уран, которые клетке для нормального развития не нужны. Но клетка сорбирует эти металлы как бы «по привычке».