Сорбционные свойства

Способность материалов поглощать газы, водяные пары и воду называется сорбцией, процесс, обратный сорбции — десорбцией.

Сорбция, как и десорбция, представляет собой совокупность нескольких процессов, при которых удержание влаги сорбентом осуществляется благодаря наличию межмолекулярных сил взаимодействия. Сорбция включает в себя адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию, капиллярную конденсацию.

Адсорбция (поверхностная сорбция) обусловлена наличием энергии некомпенсированных сил межмолекулярного взаимодействия, благодаря которой молекулы влаги удерживаются на поверхности материала. Интенсивность водяных паров при адсорбции зависит от структуры и свойств материала, поверхности сорбента, давления, температуры, относительной влажности окружающей среды. Адсорбция протекает быстро, и равновесное состояние достигается за доли секунды или несколько секунд. Чем больше поверхность сорбента, выше давление и относительная влажность окружающей среды и ниже температура, тем выше адсорбция влаги.

При абсорбции происходит поглощение вещества во всем объеме сорбента. Проникновение сорбируемого вещества в межмолекулярное пространство сорбента протекает медленно под влиянием диффузии и достигает равновесия в течение длительного времени (до нескольких часов). Наличие внутри материалов неуравновешенных межмолекулярных сил удерживает глубоко проникшие молекулы влаги; при десорбции обратное их движение также медленное.

Концентрирование веществ на поверхности сорбента с образованием химических соединений называется хемосорбцией.

Капиллярная конденсация заключается в сжижении паров воды в стенках (порах) смачиваемых пористых тел. Она возникает при смачивании стенок капилляра водой: мениск влаги оказывается вогнутым. В результате пар, еще не достигший давления насыщения по отношению к плоской поверхности, становится насыщенным или даже перенасыщенным по отношению к жидкой фазе в капилляре. Этот процесс происходит при высокой относительной влажности и длителен, может продолжаться десятки минут и даже несколько часов.

Сорбция и десорбция водяных паров и воды характеризуют гигроскопические свойства материалов, их влажность и влагоотдачу. Для характеристики этих свойств целесообразно определять кинетику сорбции водяных паров, изотермы поверхностной сорбции и десорбции. При десорбции равновесие устанавливается при большем количестве влаги, чем при сорбции. Такое явление называется сорбционным равновесием. Оно связано с изменением структуры сорбента: увеличением межмолекулярного расстояния, изменением расположения фибрилл и микрофибрилл и их ориентации. При обезвоживании материалов кривая адсорбции не совпадает с кривой обводнения; имеет место явление гистерезиса, поэтому для определения гигроскопичности материалов необходимо знать среднее значение влажности при обводнении и обезвоживании.

Процессы сорбции и десорбции лежат в основе очистки воды, масел и газов от примесей, осветления растворов, а также используются в хроматографии. При транспортировании, хранении и эксплуатации большинства изделий постоянно протекают процессы сорбции влаги, содержащейся в воздухе, которые сопровождаются изменением свойств изделий. Например, при изменении влажности многих волокнистых материалов резко меняются их прочность, электро-, теплопроводность, объемная масса, стойкость к гниению и т.д.

Фактическая влажность (%) характеризует содержание влаги в материале при атмосферных условиях.

W_ф= 100 (m_ф- m_с)/m_с, (5.18)

где m_ф. — масса материала до сушки, г; m_с — постоянная масса материала после сушки, г.

Содержание влаги в воздухе может быть выражено показателями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность воздуха — это масса водяного пара в единице объема. С повышением температуры абсолютная влажность воздуха увеличивается до полного насыщения (4,84 г/м³ при температуре 0°С; 22,8 г/м³ при температуре 25 °С).

Относительная влажность воздуха — отношение содержания паров воды в единице объема к максимально возможному при определенной температуре воздуха (в процентах). Относительная влажность насыщенного воздуха 100%, комнатного — 60...65%. От относительной влажности воздуха зависит количество адсорбированной влаги.

При поглощении влаги адсорбция сначала увеличивается прямо пропорционально росту относительной влажности воздуха, при 60... 70 % относительной влажности воздуха она несколько уменьшается, а затем снова заметно повышается. Поэтому нормальной принято считать относительную влажность воздуха 60...70 %.

Гигроскопичность (%) характеризует способность материала сорбировать влагу из окружающей среды при относительной влажности воздуха 98 %:

W_r= 100 (m_в - m_с)/m_с, (5.19)

где m_в — масса материала после выдерживания при влажности воздуха 98 %.

Влагоотдача — способность гигроскопического материала, имеющего гигроскопическое влагосодержание, отдавать пары воды в окружающую среду с относительной влажностью воздуха 2 %:

В₀ = 100 (m - m )/(m - m_c), (5.20)

где m₀ — масса материала после выдерживания при относительной влажности воздуха 2 %.

Показатель влагоотдачи характеризует десорбцию водяных паров.

Способность материала поглощать влагу при полном погружении его в воду называется водопоглощением. Водопоглощение различных материалов колеблется от 0,2 (фарфор) до 20...200 % (древесина). Водопоглощение необходимо учитывать при приемке, транспортировании, хранении и эксплуатации изделий.