Προσρόφηση νερού

Τι είναι η προσρόφηση νερού;

Απορρόφηση νερού στις επιφάνειες είναι κρίσιμης σημασίας για την επιστήμη των υλικών, τη χημική μηχανική, ακόμη και την κατάλυση. Η προσρόφηση νερού, γνωστή και ως επιφανειακή ενυδάτωση, συμβαίνει όταν το νερό προσροφάται φυσικά ή χημικά στις επιφάνειες των στερεών. Είναι ζωτικής σημασίας για τη ρύθμιση των ιδιοτήτων των διεπαφών, των οδών χημικής αντίδρασης και της καταλυτικής απόδοσης σε μια ευρεία ποικιλία συστημάτων.

Στην περίπτωση του φυσικώς προσροφημένου νερού, η επιφανειακή ενυδάτωση συχνά εξαλείφεται κατά τη διαδικασία ξήρανσης, κάτι που συμβαίνει σε πιέσεις και θερμοκρασίες που έχουν ως αποτέλεσμα την πλήρη εξάτμιση του νερού. Στο χημικά προσροφημένο νερό, η ενυδάτωση μπορεί να συμβεί με μοριακή προσρόφηση.

Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ των αλληλεπιδράσεων νερού-μετάλλου και των μορίων του νερού διέπει την προσρόφηση νερού σε μεταλλικές επιφάνειες.

Τύποι προσρόφησης

Φυσική προσρόφηση

Οι δυνάμεις Van der Waals συγκρατούν τα προσροφητικά σωματίδια στην επιφάνεια του προσροφητικού κατά τη φυσική προσρόφηση. Επειδή οι ελκτικές δυνάμεις είναι αδύναμες, μπορούν εύκολα να τις ξεπεράσουν αυξάνοντας τη θερμοκρασία ή μειώνοντας την πίεση. Η φυσική προσρόφηση μπορεί να είναι αναστρέψιμη.

Χαρακτηριστικά φυσικής προσρόφησης

Χαμηλή ενθαλπία προσρόφησης

Οι δυνάμεις Van der Waals είναι αδύναμες στα προσροφητικά μόρια και στο προσροφητικό. Αναστρέψιμη φύση Επειδή η φυσική προσρόφηση είναι αναστρέψιμη και επιτυγχάνει την ισορροπία γρήγορα. Έτσι,

Στερεό + Αέριο ⇔ Αέριο/Στερεό + Θερμότητα

Η αύξηση της πίεσης (ή η μείωση του όγκου) μετατοπίζει την ισορροπία προς τα εμπρός, αυξάνοντας την προσρόφηση. Έτσι, όσο αυξάνεται η πίεση, τόσο περισσότερο αέριο απορροφάται. Η μείωση της πίεσης αφαιρεί το αέριο.

Επίδραση της θερμοκρασίας

Η φυσική προσρόφηση συμβαίνει γρήγορα σε χαμηλές θερμοκρασίες και μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, σύμφωνα με την αρχή του Le-Chatelier.

Τα μόρια του αερίου αποκτούν κινητική ενέργεια και εγκαταλείπουν την επιφάνεια του προσροφητή καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει την προσρόφηση.

Έλλειψη ειδικότητας

Είναι μη ειδικής φύσης. Επομένως, όλα τα αέρια προσροφούνται εξίσου σε όλα τα στερεά. Οι προσροφητικές επιφάνειες δεν προτιμούν ένα συγκεκριμένο αέριο αφού οι δυνάμεις van der Waals είναι καθολικές.

Φύση του προσροφητικού

Επειδή οι δυνάμεις van der Waals είναι σχεδόν κρίσιμες θερμοκρασίες, τα αέρια υγροποιούνται εύκολα και απορροφώνται.

Κατάσταση προσρόφησης

Το προσροφητικό είναι στην ίδια κατάσταση με το όγκο στη φυσική προσρόφηση.

Χημική προσρόφηση

Η προσρόφηση συμβαίνει όταν τα προσροφητικά μόρια συγκρατούν την επιφάνεια ενός προσροφητικού μέσω χημικών δυνάμεων ή δεσμών. Τα προσροφημένα μόρια αντιδρούν με το προσροφητικό στην επιφάνεια, με αποτέλεσμα την μη αναστρέψιμη προσρόφηση.

Χημικά χαρακτηριστικά προσρόφησης

Ενθαλπία προσρόφησης

Η μοριακή θερμότητα της προσρόφησης είναι υψηλή επειδή τα μόρια προσροφητικού και προσροφητικού έχουν ισχυρούς χημικούς δεσμούς.

Μη αναστρέψιμη φύση

Η χημική απορρόφηση είναι μη αναστρέψιμη λόγω του σχηματισμού ένωσης.

Επίδραση της θερμοκρασίας

Η χημική προσρόφηση αυξάνεται με τη θερμοκρασία μέχρι ένα σημείο και στη συνέχεια μειώνεται. Σε υψηλές θερμοκρασίες, ένα αέριο που απορροφάται από φυσική προσρόφηση μετατρέπεται σε χημική απορρόφηση.

Υψηλή επιλεκτικότητα

Η χημική προσρόφηση περιλαμβάνει χημικούς δεσμούς μεταξύ των προσροφημένων μορίων και της επιφάνειας του προσροφητικού, και επομένως είναι πολύ επιλεκτική και η χημική προσρόφηση εξαρτάται από τις χημικές ιδιότητες του αερίου και του προσροφητικού. Για παράδειγμα, τα μέταλλα προσροφούν οξυγόνο μέσω του σχηματισμού οξειδίων ενώ τα μέταλλα μετάπτωσης προσροφούν υδρογόνο μέσω του σχηματισμού υδριδίου.

Κατάσταση των προσροφημένων ειδών

Επειδή αυτή η μορφή προσρόφησης περιλαμβάνει μια χημική αντίδραση, η κατάσταση των προσροφημένων μορίων μπορεί να διαφέρει από την κατάσταση χύμα.

Απορρόφηση νερού μεταλλικού-οργανικού πλαισίου

Ωστόσο, ορισμένα μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (MOFs) μπορεί να προσροφήσουν νερό σε ενεργές περιοχές και να παραμείνουν σταθερά. Δεν υπάρχει μη αναστρέψιμη δομική αλλαγή. Η Προηγμένη Πηγή Φωτονίων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ αποκάλυψε κρυσταλλογραφικά στοιχεία επιδράσεων φόρτωσης νερού σε μεταλλικό-οργανικό πλαίσιο που δεν αλλάζει δομικά. Η κατανόηση αυτών των ουσιών μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση των βιομηχανικών και ιατρικών χρήσεων.

Υλικά με πολυτοπικούς οργανικούς συνδέτες και ανόργανους κόμβους σχηματίζουν MOF. Οι δομές MOF μπορούν να συντονιστούν σε εφαρμογές όπως η χημική ανίχνευση, ο διαχωρισμός και αποθήκευση αερίων, η κατάλυση και η παροχή φαρμάκων. Αυτή η έρευνα απαιτεί χημική σταθερότητα και αλληλεπιδράσεις επισκέπτη-ξενιστή.

Οι αλληλεπιδράσεις νερού με τα MOF δείχνουν τη σταθερότητα και τις ιδιότητες προσρόφησής τους. Λόγω της τάσης κατευθυντικής συγκόλλησης του νερού, οι επισκέπτες του νερού στους οικοδεσπότες MOF ενδέχεται να έχουν διαφορετικές αλληλεπιδράσεις. Αναδιατάσσουν τους δεσμούς του πλέγματος MOF χωρίς να προκαλούν μη αναστρέψιμες δομικές αλλαγές.

Η κατευθυντικότητα του δεσμού υδρογόνου του νερού προκαλεί αλληλεπιδράσεις επισκέπτη-ξενιστή εντός του πλαισίου MOF, επηρεάζοντας τη σταθερότητα και την απορρόφηση. Η προσρόφηση νερού επηρεάζει τις ιδιότητες MOF. Το νερό παίρνει ενεργές θέσεις και στις θέσεις προσρόφησης συν-προσροφάται κατά την αποθήκευση και το διαχωρισμό αερίου.

Οι ερευνητές της Georgia Tech, του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ, του Πανεπιστημίου του Σικάγο και του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne δημιούργησαν ένα πλαίσιο MOF με ομάδες μεθυλίου στον τερεφθαλικό συνδέτη. Οι ομάδες μεθυλίου αυτού του MOF του επιτρέπουν να απορροφά τεράστιους όγκους νερού διατηρώντας παράλληλα σταθερότητα και συγγένεια CO2 χαμηλής πίεσης. Μπορεί επίσης να απελευθερώσει νερό χωρίς να αλλάξει τη δομή του. Οι ερευνητές μελέτησαν την προσρόφηση νερού σε τρεις διακριτές κρυσταλλικές μορφές για να δουν πώς επηρεάζει τη δομή και συνέθεσαν το MOF που εκτίθεται στο νερό.

Περιλάμβανε δεδομένα σχετικά με τις παραμέτρους του κρυσταλλογραφικού πλέγματος, την καθίζηση του νερού και τα ελαττώματα που προκαλούνται από το νερό. Προσδιόρισαν τη δομική απόκριση κάθε πλέγματος σε κάθε συνθήκη.

Μέσω αλληλεπιδράσεων επισκέπτη-ξενιστή, όπως αναδιατάξεις δεσμών που προκαλούνται από το νερό, η προσρόφηση νερού προκάλεσε μοριακές δομικές αλλαγές. Αυτές οι μελέτες δείχνουν μια πηγή σταθερότητας στα MOF. Στις μελέτες, οι επισκέπτες του νερού προκάλεσαν δυναμικές δομικές αλλαγές στα χαρακτηριστικά των κυψελών μονάδας, στα φάσματα δόνησης, στη μικροστέλεση και στην ατομική δομή. Μπορεί να μην είναι λογικό να κατανοήσουμε τη δομική σταθερότητα με αυτόν τον τρόπο.

Αυτή η μελέτη δίνει έμφαση στις ανάγκες διερεύνησης σταθερών MOF για την κατανόηση της δυναμικής δομικής απόκρισης και αυτή η κατανόηση μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό σταθερών MOF. Οι ερευνητές θα διερευνήσουν τώρα τον συντονισμό του νερού στο πλαίσιο του MOF για να κατανοήσουν καλύτερα το ενεργειακό εμπόδιο. Ωστόσο, επισημαίνει πολλούς παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση και τη σταθερότητα του MOF.

Διαφορά μεταξύ απορρόφησης και προσρόφησης

Απορρόφηση

Απορρόφηση είναι η διαδικασία κατά την οποία μια ουσία εισέρχεται εντελώς σε μια άλλη ουσία. Μια διαδικασία κατά την οποία ένα άτομο ή μόριο απορροφάται σε πολλά άλλα μόρια. Πρέπει να είναι μέρος μιας ουσίας με πλήρη είσοδο σε αυτήν και μπορεί να είναι μια χημική ή φυσική διαδικασία. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του άνθρακα απορροφάται στην απάντηση του ανθρακικού καλίου και πρόκειται για περίπτωση χημικής απορρόφησης επειδή συμβαίνει μια αντίδραση.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι η διάλυση του αέρα στο νερό. Είναι σωματική απορρόφηση όταν ο αέρας εισέρχεται στο νερό μέσω της πίεσης ισορροπίας. Όταν μια ουσία ή μια παροχή απορροφά υγρό ή βενζίνη, έχει απορροφήσει την άλλη παροχή. Έτσι, η απορρόφηση συμβαίνει όταν ένας παράγοντας χτυπά μέσα σε ένα υλικό.

Απορρόφηση

Η προσρόφηση είναι η μέθοδος όπου η βενζίνη ή το υγρό σχηματίζεται στο έδαφος αντί να απορροφάται. Οι επιχειρήσεις χρησιμοποιούν προσρόφηση για συνθετικές εφαρμογές και καθαρισμό νερού. Περιλαμβάνει πρόσφυση και μια ουσία κρέμεται από την εναλλακτική ουσία σε αυτό το μάθημα χωρίς να εισέλθει σε αυτήν. Για παράδειγμα, το CO2 βρίσκεται στο προσροφητικό έδαφος σε μια μονάδα προσροφητικής αιώρησης πίεσης.

Συμπέρασμα

Η προσρόφηση νερού στις επιφάνειες έχει διάφορες χρήσεις στην επιστήμη των υλικών, τη χημική μηχανική και την κατάλυση. Η παρουσία φυσικώς ή χημικά προσροφημένου νερού στις επιφάνειες των στερεών, γνωστή και ως επιφανειακή ενυδάτωση, έχει σημαντικό αντίκτυπο στις οδούς χημικής αντίδρασης, την καταλυτική απόδοση και τις ιδιότητες διεπαφής σε συστήματα ευρέος φάσματος. Το απλό στέγνωμα σε θερμοκρασίες και πιέσεις που επιτρέπουν την πλήρη εξάτμιση εξαλείφει την επιφανειακή ενυδάτωση στην περίπτωση του φυσικώς προσροφημένου νερού. Η διασπαστική προσρόφηση μπορεί να προκαλέσει ενυδάτωση του χημικά προσροφημένου νερού, στην οποία τα μόρια H2 διασπώνται σε προσροφημένα στην επιφάνεια OH- και H+ ή μέσω μοριακής προσρόφησης, στην οποία μεμονωμένα μόρια νερού παραμένουν ανέπαφα.