Дифузія. Адсорбція на твердому адсорбенті

 

(лат. diffusio – поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) – процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини поміж молекули або атоми іншої, що зазвичай приводить до вирівнювання їхніх концентрацій по всьому займаному об’ємі. У деяких ситуаціях одна з речовин уже має вирівняну концентрацію, і говорять про дифузію одної речовини в іншій. При цьому зазвичай перенесення речовини відбувається з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією (вздовж вектора градієнта концентрації).

Прикладом дифузії може служити перемішування газів (наприклад, поширення запахів) або рідин (якщо у воду капнути чорнила, то рідина через деякий час стане рівномірно пофарбованою). Інший приклад пов'язаний з твердим тілом: атоми дотичних металів перемішуються на кордоні дотику. Важливу роль дифузія частинок грає у фізиці плазми.

Зазвичай під дифузією розуміють процеси, що супроводжуються переносом речовини, однак іноді дифузійними називають також інші процеси перенесення: теплопровідність, в'язке тертя тощо.

Швидкість протікання дифузії залежить від багатьох факторів. Так, у разі металевого стрижня дифузія тепла проходить дуже швидко. Якщо ж стрижень виготовлений з синтетичного матеріалу, дифузія тепла протікає повільно. Дифузія молекул в загальному випадку протікає ще повільніше. Наприклад, якщо шматочок цукру опустити на дно склянки з водою, і воду не перемішувати, то пройде кілька тижнів, перш ніж розчин стане однорідним. Ще повільніше відбувається дифузія однієї твердої речовини в іншу. Наприклад, якщо мідь покрити золотом, то буде відбуватися дифузія золота в мідь, але при нормальних умовах (кімнатна температура і атмосферний тиск) золотовмісний шар досягне товщини в кілька мікронів тільки через кілька тисяч років. Інший приклад: на золотий злиток був покладений злиток свинцю, і під вантажем за п'ять років свинцевий злиток проник в золотий злиток на сантиметр. Кількісно опис процесів дифузії було дано німецьким фізіологом А. Фіком в 1855 р.

Дифузія одна із ступенів численних технологічних процесів (адсорбції, сушки, екстрагування, брикетування зі зв'язуючими тощо). Дифузія відбувається в газах, рідинах і твердих тілах. Механізм дифузії в цих речовинах істотно різний. Дифузія що відбувається внаслідок теплового руху атомів, молекул, – молекулярна дифузія. Дифундувати можуть як частинки сторонніх речовин (домішок), нерівномірно розподілених у середовищі, так і частинки самої речовини середовища. У останньому випадку процес називається самодифузією. Термодифузія – це дифузія під дією градієнта температури в об'ємі тіла, бародифузія – під дією градієнта тиску або гравітаційного поля. Перенесення заряджених частинок під дією зовнішнього електричного поля – електродифузія. У рухомому середовищі може виникати конвекційна дифузія, при вихровому русі газу або рідини – турбулентна дифузія.

Наслідком дифузії є переміщення часток із областей, де їхня концентрація висока, в області, де їхня концентрація низька, тобто вирівнювання концентрації часток у термодинамічній системі, встановлення рівноваги за складом.

Дифузія дуже розповсюджене явище, яке відіграє велику роль у функціонуванні живих організмів. У легенях молекули кисню дифундують у кровоносні судини, завдяки процесам дифузії відбувається обмін речовин у клітинах.

Дифузія широко використовуються у техніці. Наприклад, робота біполярного транзистора основана на дифузії неосновних носіїв заряду через p-n перехід. Вибіркове перенесення певних компонентів у пори речовини – інфільтраційна дифузія. Дифузія має особливе значення в шахтах, де вона сприяє рівномірному розподілу шкідливих газів в атмосфері гірничих виробок, попередженню їх небезпечних скупчень. Суттєве значення відіграє дифузія в технологічних процесах при застосуванні реагентів.

Міра дифузії

Мірою дифузії є маса \Delta M речовини, що продифундувала за одиницю часу через одиницю площі поверхні контактних речовин. Величина \Delta M тим більша, чим більша зміна концентрації на одиницю довжини вздовж напрямку, у якому проходить дифузія.

Чим більша поверхня продукту, тим швидше проходить дифузія. Швидкість дифузії залежить від концентрації розчинних речовин у продукті і.... Екстрактивні речовини м'яса і риби обумовлюють смак і сокогінну дію... ущільнюються і виділяється значна кількість вологи, яка в них міститься...... впливом світла.

 

 

Сорбція – процес самочинного поглинання газів, парів або розчинних речовин поверхнею твердого тіла або рідиною. Сорбент – речовина, що поглинає розчинену речовину, а сорбтив – речовина, яка поглинається, сорбентом. Залежно від глибини проникнення часточки сорбтива у сорбент сорбційні процеси поділяють на адсорбцію (поверхнева сорбція), абсорбцію (об’ємну сорбцію) Зміна концентрації речовини поблизу поверхні поділу фаз порівняно з об’ємною фазою, називається адсорбцією. Всі адсорбційні явища є самочинними процесами. При адсорбції відбувається збільшення різниці концентрацій між газовою (рідкою) фазою та поверхнею твердого тіла, накопичення газоподібної (рідкої) речовини поблизу поверхні поділу фаз. Адсорбент – тверде тіло, на поверхні якого відбувається адсорбція.

Адсорбтив – речовина, що адсорбується.

Адсорбат – адсорбована речовина.

У харчовій промисловості як адсорбенти широко використовують деревне та кісткове вугілля, силікагель, целюлозну масу, цеоліти та іоніти. На практиці використовують активоване вугілля, яке одержують активацією вугілля – сирцю твердих порід дерев. Вугілля-сирець підлягає термічній обробці при 700 – 900 С в атмосфері водяної пари або вуглекислого газу. При цьому органічні речовини і вугілля частково реагують з водяною парою та вуглекислим газом з утворенням СО і Н2. По мірі вигорання непотрібних вуглецевих сполук, активацію припиняють. Активоване вугілля як адсорбент використовують при очищенні цукрового сиропу, знебарвлення рідини, очищенні повітря на промислових підприємствах. Силікагелі