الإمتزاز adsorption ، أنواعه وتطبيقاته

 تعرف على الإمتزاز adsorption ، أنواعه وتطبيقاته و آلية حدوثه بالإضافة إلى خصائص كل نوع.

ما هو الإمتزاز؟

 يعرف الامتزاز (بالانجليزية: adsorption) بأنه عملية سطحية تؤدي إلى انتقال الجزيء من كتلة سائل إلى سطح صلب. يمكن أن يحدث هذا بسبب القوى الفيزيائية أو بسبب القوى الكيميائية.

 عادة ما تكون قابلة للعكس (تسمى العملية العكسية الابتزاز) ؛ إذن فهي مسؤولة ليس فقط عن جذب المواد ولكن أيضًا عن الإطلاق. 

 في معظم الحالات ، يتم وصف هذه العملية عند التوازن عن طريق بعض المعادلات التي تحدد كمية المادة الملتصقة على السطح بالنظر إلى التركيز في السائل.

 تسمى هذه المعادلات الايزوثيرمات (وأشهرها معادلات لانجموير وفريوندليش) بسبب اعتماد معاملاتها على درجة الحرارة ، والتي تعد من أهم العوامل البيئية التي تؤثر على الامتزاز. 

 الامتزاز له دور أساسي  في علم البيئة : ينظم التبادلات بين الغلاف الجوي و الغلاف المائي ، ويحسب نقل المواد في النظم البيئية ، ويطلق عمليات مهمة أخرى مثل التبادل الأيوني والعمليات الأنزيمية.

آلية الإمتزاز:

تتبع عملية الإمتزاز آلية معينة وهي:

1. تدفق الجسيمات: يبدأ بتدفق الجسيمات الغازية أو السائلة المحتملة للإمتزاز نحو سطح المادة الصلبة.
2. التصادم: عندما تتحرك جزيئات الغاز أو السائل باتجاه سطح المادة الصلبة، يتم التصادم بينها وبين جزيئات المادة الصلبة، مما يؤدي إلى تكوين طبقة رقيقة من المادة الصلبة على سطح الجزيئات الغازية أو السائلة.
3. التراجع: ينتج عن التصادم ارتفاع طاقة الجزيئات الغازية أو السائلة، وهذا يؤدي إلى تراجع بعض الجزيئات عن السطح مرة أخرى.
4. التراجع والتثبيت: ولكن بعض الجزيئات تتماسك مع السطح بشكل دائم بسبب قوى الجذب الجزيئية، ويتم إنشاء طبقة من المادة الصلبة على سطح الجسيمات الغازية أو السائلة المثبتة.
5. تكاثف الجزيئات: يستمر التصادم والتراجع حتى يتم تكاثف جزيئات المادة الصلبة وتشكيل جزيئات أكبر على سطح الجسيمات الغازية أو السائلة المثبتة.
6. تكوين الطبقة السطحية: يتكون طبقة سطحية من المادة الصلبة بشكل تدريجي على سطح الجسيمات الغازية أو السائلة المثبتة، وتزداد سماكة الطبقة حتى يتم تشكيل طبقة سطحية سميكة ومستقرة على سطح الجسيمات الغازية أو السائلة المثبتة.

لفهم آلية الإمتزاز يجب معرفة الآتي:

• كمية الحرارة المتصاعدة عندما يتم امتصاص جزيء واحد من الممتزات على مادة الامتصاص تسمى المحتوى الحراري للامتزاز.
•  الامتزاز هو عملية طاردة للحرارة وتغيير المحتوى الحراري سلبي دائمًا.
•  عندما يتم امتصاص جزيئات المادة الممتزة على السطح ، تصبح حرية حركة الجزيئات مقيدة وهذا يؤدي إلى انخفاض في الانتروبي.
•  الامتزاز هو عملية تلقائية عند ضغط ودرجة حرارة ثابتين ، وبالتالي تنخفض أيضًا طاقة جيبس الحرة.

أنواع الإمتزاز:

هناك نوعان من أنواع الامتزاز - الامتزاز الفيزيائي أو الادمصاص الفيزيائي والامتزاز الكيميائي الكيميائي.

الامتزاز الفيزيائي

يتضمن امتزاز الغازات على سطح صلب عبر قوى فان دير فال الضعيفة.

خصائص الامتزاز الفيزيائي

• لا توجد خصوصية في حالة الامتزاز المادي. يتم امتصاص كل غاز على سطح المادة الصلبة.
• طبيعة الممتز؛ يتم امتصاص الغازات القابلة للإسالة بسهولة فيزيائيًا.
• الامتزاز الفيزيائي قابل للانعكاس بطبيعته. في حالة زيادة الضغط ، ينخفض ​​حجم الغاز نتيجة ادمصاص المزيد من الغاز. لذلك ، من خلال تقليل الضغط ، يمكن إزالة الغاز من السطح الصلب. تعمل درجة الحرارة المنخفضة على تعزيز الامتصاص الفيزيائي وتقلل درجة الحرارة المرتفعة من معدل الامتزاز.
• المزيد من مساحة السطح هو معدل الامتزاز. المواد المسامية والمعادن المقسمة بدقة هي مواد ماصة جيدة.
• الامتزاز المادي عملية طاردة للحرارة.
• لا حاجة لطاقة التنشيط.

الامتزاز الكيميائي أو الادمصاص الكيميائي

عندما يتم الاحتفاظ بجزيئات الغاز أو الذرات على السطح الصلب عبر الروابط الكيميائية ، فإن هذا النوع من الامتزاز هو الامتزاز الكيميائي الكيميائي.

خصائص الامتزاز الكيميائي

• هذا النوع من الامتزاز محدد بالمقارنة مع الامتزاز الفيزيائي. يحدث الامتزاز فقط إذا كان هناك تكوين روابط كيميائية بين الممتزات و المازات.
• الامتزاز الكيميائي لا عكسية. إنها عملية طاردة للحرارة ولكن العملية تحدث ببطء عند درجة حرارة منخفضة. ويصاحب الادمصاص الكيميائي زيادة في درجة الحرارة. يعزز الضغط العالي الادمصاص الكيميائي.
• يزيد الادمصاص الكيميائي مع زيادة مساحة السطح.
• بسبب المحتوى الحراري لتكوين الروابط الكيميائية ، يكون المحتوى الحراري للادمصاص الكيميائي مرتفعًا.
• طاقة التنشيط مطلوبة.
• ينتج عنه طبقة أحادية الجزيء.

٠ تطبيقات الإمتزاز

يوجد عدد كبير من تطبيقات الإمتزاز وسنتحدث عن أهمها

أقنعة تلوث الهواء:

تتكون من هلام السيليكا أو مسحوق الفحم المنشط ، عندما يتم إيقاف الغبار أو الدخان من خلالها ، يتم امتصاص هذه الجزيئات على سطح هذه المواد.

فصل الغازات النبيلة بعملية دورق ديوار:

يتم تمرير مزيج من الغازات النبيلة مثل Ne و Ar و Kr عبر قارورة Dewar في وجود فحم جوز الهند الساخن. يتم ادمصاص المواد الهلامية من الأرجون والكربيتون تاركة نيون.

تنقية المياه:

عن طريق إضافة حجر الشب إلى الماء ، يتم ادمصاص الشوائب على الشبة ويتم تنقية الماء.

إزالة الرطوبة:

تتم إزالة الرطوبة في الهواء عن طريق وضع هلام السيليكا الذي يتم ادمصاص جزيئات الماء عليه.

كروماتوغرافيا الامتزاز:

يتم استخدامه لفصل الصبغات والهرمونات.

طريقة التبادل الأيوني:

في هذه الطريقة لإزالة عسر الماء ، يتم ادمصاص أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم على سطح راتنج التبادل الأيوني.

في علم المعادن:

في عملية تعويم الرغوة لتركيز الخام ، يتم امتصاص الجسيمات على الرغوة.

الفرق بين الإمتزاز والامتصاص

الفرق الرئيسي بين الامتزاز والامتصاص هو أن الامتزاز ظاهرة سطحية، في حين أن الامتصاص ظاهرة سائبة.

الامتزاز

الامتزاز هو التصاق الذرات أو الأيونات أو الجزيئات من الغاز أو السائل أو المادة الصلبة الذائبة على السطح. تكوِّن هذه العملية طبقة من المادة الممتزة على سطح المادة المازة.

الامتصاص

الامتصاص هو العملية التي يذوب فيها السائل (المادة الممتصة) بواسطة سائل أو مادة صلبة (المادة الماصة) أو يتخللها. يمكن إذابة المادة الممتصة في كامل حجم المادة الماصة، أو يمكن تركيزها في مناطق معينة.

فيما يلي جدول يلخص الاختلافات الرئيسية بين الامتزاز والامتصاص:

الفرق بين الإمتزاز والامتصاص

محل الفرق	الامتزاز	الامتصاص
الموقع	سطح المادة المازة	الحجم الكامل للمادة الماصة
الآلية	التصاق الجزيئات بالسطح	ذوبان أو تغلغل الجزيئات في الجزء الأكبر من المادة الماصة
أمثلة	الفحم يمتص الملوثات من الهواء، والكربون المنشط يمتص الماء من تيار الغاز	منشفة ورقية تمتص الماء، وإسفنجة تمتص الماء

اقرأ أيضا: الميثيلين الأزرق: الخصائص و التطبيقات الصناعية والبيولوجية

أهم المواد المازة

المواد المازة هي مواد تُستخدم لإزالة الشوائب أو الملوثات أو غيرها من المواد غير المرغوب فيها من تيار سائل أو غازي عن طريق جذبها بشكل انتقائي والاحتفاظ بها على سطحها.  هناك العديد من الأنواع المختلفة من المازات المتاحة، ولكل منها خصائصها وتطبيقاتها الفريدة.  من أهم المواد المازة ما يلي:

الألومينا المنشطة:

الألومينا المنشطة هي نوع من الألومينا التي يمكن أن توجد في شكل غير متبلور أو بلوري.  ويخضع لعملية الجفاف الجزئي أو الكامل، مما يؤدي إلى مساحة سطحية كبيرة لكل وحدة كتلة.  هذه المادة مشتقة من الألومينا المائية، Al2O3.nH2O، حيث تتراوح n من 1 إلى 3. ومن خلال التكليس، يتم تقليل قيمة n إلى حوالي 0.5.  تظهر الألومينا المنشطة على هيئة مادة بيضاء أو ذات لون أسمر ذات قوام طباشيري.

 عادة، لا تعتبر الأشكال البلورية المستقرة مواد ماصة فعالة بسبب مساحات سطحها المحدودة.  ومع ذلك، فإن الأشكال الانتقالية مثل جاما وبيتا ألومينا تمتلك مساحات سطحية عالية، تتراوح عادة من 200 إلى 400 م2/جم.  تحتوي هذه الأشكال على مسام بأقطار تقع أساسًا ضمن نطاق 2-5 نانومتر.  ونظرًا لطبيعتها المحبة للماء للغاية، فإنها تُستخدم عادةً لإزالة الماء من تيارات المذيبات الحمضية أو الغازية أو العضوية[1].

الكربون المنشط:

يتم تصنيع الكربون المنشط من مواد طبيعية نباتية مثل قشور جوز الهند، الخشب، أو حيوانية مثل العظام بعد حرقها وطحنها في جو خال من الهواء. وهو شائع، ويتميز بمساحة سطح عالية وبنية مسامية والاستقرار الحراري والخمول[2] الذي يمنع تفاعله مع المواد المراد تنقيتها.

كبريتات الكالسيوم:

هي معدن طبيعي مستقر كيميائيًا وتحتفظ برطوبتها المحتجزة بسهولة. إنها تكلف قليلاً ولكن لها قدرة امتزاز منخفضة وتناسب أفضل لعمليات الامتزاز الصغيرة أو الاستخدام المخبري.

أكسيد الكالسيوم:

هو عامل امتزاز بطيء وقوي وعالي القدرة المعروف أيضًا باسم الجير السريع. إنه قاتل للأنسجة ويتمدد عندما يمتص ويفعل ذلك على مدى عدة أيام. إنه الأكثر فعالية في البيئات ذات الرطوبة العالية.

الطين وسيليكات الطين:

هي عوامل امتزاز وامتصاص معدنية طبيعية تستخدم كوكلاء تنظيف التسربات والمانعات ومواد التعبئة لأنها رخيصة وغير نشطة ولديها معدل امتزاز سريع. ومع ذلك، يبدأون في الإزالة عند درجات حرارة تزيد عن 120 درجة فهرنهايت.

المناخل الجزيئية أو الزيولايت:

هي عوامل امتزاز طبيعية ذات حجم مسام موحد يمكن تضبيطه ليكون انتقائيًا بشكل كبير. يتم استخدامها كمجففات ومنقيات هواء بسبب سعتها العالية للاحتفاظ والامتزاز حتى في درجات حرارة عالية. غالبًا ما يتم دمج الزيولايت مع الكربون المفعل للفعالية المجتمعة.

البوليمرات العضوية:

البوليمرات العضوية هي سلاسل من جزيئات الكربون المكررة المستخدمة كعوامل امتزاز في عمليات التصفية بحجم الاستبعاد وعمليات فصل الغازات مع قوة احتفاظ وانتقاء عالية. معظمها لا يحتاج إلى التخلص منه وإعادة توليدها بطريقة صديقة للبيئة.

جيل السيليكا أو ثاني أكسيد السيليكون:

هو مادة امتزاز شائعة تستخدم في الحفاظ على الأغذية والتحكم في الرطوبة وأجهزة الطبية المختلفة. لديها سعة امتزاز ماء أعلى من سيليكات الطين، وهي غير نشطة جدًا، ويمكن إعادة توليدها عن طريق التسخين.

بشكل عام، يعتمد اختيار المازات على التطبيق المحدد وخصائص المادة التي يتم إزالتها.

كيف يتم اختيار المادة المازة؟

لإختيار مادة مازة تتناسب مع التطبيق المطلوب يجب مراعات المواصفات التالية:

الانتقائية:

مقدار قدرة المادة المازة على اختيار وتركيز المواد الهدف التي يمكنها التقاطها. إذا كانت المادة المازة غير انتقائية بشكل كبير، فإنها ستمتص العديد من المواد المختلفة، بينما المادة المازة الانتقائية تزيل فقط المواد المحددة المستهدفة.

مساحة السطح:

كمية المادة المازة المتاحة للتفاعل والتقاط المواد، وتحدد قدرة المادة المازة على امتزاز المواد ومعدل امتزازها واحتفاظها بها. كلما زادت مساحة السطح، زادت قدرة المادة المازة على التقاط المواد وزاد معدل امتزازها واحتفاظها بالمواد داخلها.

قدرة التجديد:

قدرة المادة المازة على إعادة استخدامها بعد تشبعها بالمواد. يمكن معالجة العديد من المواد المازة بالحرارة لإعادة تجديدها بعد أن تصل إلى سعتها القصوى لامتزاز الماء.

شكل وحجم الحبيبات في المواد المازة

يمكن استخدام نصف قطر الكرة أو القطر في معظم الحالات لحساب حجم الجسيم. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام طول جانب أو قطر المكعب للإشارة إلى حجمه. وعلى الجانب الآخر، يمكن للجسيمات أن تتباين في الأشكال، من شكل الإبرة إلى الشكل المضلع غير المنتظم.

 قياس وتحديد حجم هذه الجسيمات يمكن أن يكون صعبًا كميةً. ومع ذلك، يتطلب استخدام المساحيق المجزأة بدقة في أنشطة الوحدات الكيميائية والصيدلانية تعريفًا رقميًا لحجم الجسيمات، في الأفضل كرقم واحد، لمقارنة أنواع المساحيق المختلفة ودُفعات من نفس المادة[3].

تسحق المازات إلى حجوم صغيرة لإجراء التجارب عليها (100 ميكرومتر إلى 1.25 مم)[4]. وتستخدم مناخل ذات أحجام منافذ مختلفة في فرز الحبيبات للحصول على الحجم المثالي. كلما صغر حجم الحبيبة زادت مساحة السطح، إلى أن نصل إلى حجم معين من الصغر حيث يكون الذروة بعد ذلك تكون النتائج عكسية إذا استمرينا في طحن وتصغير الحجم. يعود السبب في ذلك إلى أن مساحة السطح تحدد من إمكانية التصاق جزيئات أو ذرات المادة الممتزة بسطح المادة المازة. ومع طحن المسحوق أكثر تظهر مساحة الأجزاء الداخلية للمادة الصلبة.

يمسح حجم الجسيمات الصغيرة بالنفاذ داخل المسحوق حتى نصل إلى حجم معين يكون عندها حجم جسيمات المسحوق أقرب لحجم الجسيمات الصغيرة الممتزة. هذا يعيق نفاذها إلى المساحات الداخلية بسبب تراكم الجزيئات الممتزة على المنافذ، مما ينتج عنه انخفاض في مساحة السطح المسحوق ككل.

المصادر

1. Vassilis J. Inglezakis, Stavros G. Poulopoulos, (2006), 4 - Adsorption and Ion Exchange, Editor(s): Vassilis J. Inglezakis, Stavros G. Poulopoulos, Adsorption, Ion Exchange and Catalysis, Elsevier, Pages 243-353.
2. Richa Soni, Shefali Bhardwaj, Dericks Praise Shukla, Chapter 14 - Various water-treatment technologies for inorganic contaminants: current status and future aspects, Editor(s): Pooja Devi, Pardeep Singh, Sushil Kumar Kansal, Inorganic Pollutants in Water, Elsevier, Pages 273-295.
3. Ankur Choudhary. Particle Shape, Specific Surface, Methods for Determining Surface Area, Permeability, Adsorption. Pharmaguideline.
4. Prashanth Suresh Kumar, Leon Korving, Karel J. Keesman, Mark C.M. van Loosdrecht, Geert-Jan Witkamp, (2019), Effect of pore size distribution and particle size of porous metal oxides on phosphate adsorption capacity and kinetics, Chemical Engineering Journal, Volume 358, Pages 160-169