الامتزاز، الإمتصاص ظاهرة تميز الفحم المنشط

الفحم والفحم المنشط

الامتزاز  كظاهرة تميز الفحم المنشط

تم صياغة مصطلح الامتزاز لأول مرة في عام 1881 من قبل الفيزيائي الألماني هاينريش كايزر. غالبًا ما يوصف الامتزاز بأنه ظاهرة سطحية حيث تلتصق الجسيمات بالطبقة العليا من المادة. وعادةً ما ينطوي على جزيئات أو ذرات أو حتى أيونات غاز أو سائل أو صلب في حالة مذابة تلتصق بالسطح.

الامتزاز هو في الأساس نتيجة لطاقة السطح. عمومًا، تميل الجسيمات السطحية التي يمكن تعريضها جزئيًا إلى جذب جسيمات أخرى إلى موقعها. ومن المثير للاهتمام أن الامتزاز موجود في العديد من الأنظمة الفيزيائية والطبيعية والبيولوجية والكيميائية ويستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية. سنتعرف على المفهوم بالتفصيل أدناه.

 

جدول المحتويات

•        ما هو الامتزاز؟
•        أنواع الامتزاز
•        الامتصاص الفيزيائي والامتصاص الكيميائي خصائص الامتزاز
•        معادلة الامتزاز
•        الاختلافات بين الامتصاص والامتزاز
•        تطبيقات الامتزاز
•        أسئلة حول الامتزاز

 

ما هو الامتزاز ؟

الامتزاز هو عملية تتضمن تراكم مادة في أنواع جزيئية بتركيزات أعلى على السطح. إذا نظرنا إلى الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين، فإن هذه الغازات تمتص على الفحم المنشط. أيضًا، يجب أن نلاحظ أن الامتزاز يختلف عن الامتصاص. تتضمن العمليتان آليات مختلفة تمامًا.

لعملية الامتزاز، هناك مكونان مطلوبان:

الممتز: مادة تترسب على سطح مادة أخرى. على سبيل المثال، غازات H2 وN2 وO2.

الممتز: سطح المادة التي يمتص عليها الممتز. على سبيل المثال، الفحم، وهلام السيليكا، والألومينا.

 

إزالة الميثيلين الأزرق عن طريق الامتزاز على أغشية مركب الكربون النشط

أنواع الامتزاز في الفحم المنشط

على أساس قوى التفاعل بين الممتز والممتز، يكون الامتزاز من نوعين.

الامتزاز الفيزيائي

يُعرف هذا النوع من الامتزاز أيضًا بالامتزاز الفيزيائي. ويرجع ذلك إلى قوى فان دير فال الضعيفة بين الممتز والممتز.

على سبيل المثال، يتم امتصاص غازات H2 وN2 على فحم جوز الهند.

الامتزاز الكيميائي

يُعرف هذا النوع من الامتزاز أيضًا باسم الامتزاز الكيميائي. ويحدث ذلك بسبب قوى كيميائية قوية من نوع الرابطة بين المادة الممتصة والمادة الممتصة. ويمكننا أن نأخذ مثالاً يتضمن تكوين نتريد الحديد على السطح عندما يتم تسخين الحديد في غاز N2 عند درجة حرارة 623 كلفن.

يُعد امتزاز الغاز على مادة صلبة تفاعلًا طاردًا للحرارة تلقائيًا. وتسمى كمية الحرارة المنطلقة عند امتصاص كتلة وحدة من الغاز على السطح بحرارة الامتزاز.

 

خصائص الامتزاز الفيزيائي والكيميائي

ظاهرة الإمتزاز لها تأثير كبير على العمليات برمتها حسب نوع الإمتزاز.

خصائص الامتزاز الفيزيائي:

يحدث هذا النوع من الامتزاز بسبب قوى فيزيائية.

·        الامتزاز الفيزيائي ظاهرة ضعيفة.

·        هذا الامتزاز عبارة عن عملية متعددة الطبقات.

·        الامتزاز الفيزيائي ليس محددًا ويحدث في جميع أنحاء المادة الماصة.

·        تؤثر مساحة السطح ودرجة الحرارة والضغط وطبيعة المادة الماصة على الامتزاز الفيزيائي.

·        طاقة التنشيط منخفضة (20 – 40 كجم/مول).

 

خصائص الامتزاز الكيميائي:

·        هذا النوع من الامتزاز يحدث بسبب القوى الكيميائية.

·        إنه عملية قوية جدًا.

·        هذا النوع من الامتزاز عبارة عن ظاهرة أحادية الطبقة تقريبًا.

·        الامتزاز الكيميائي عالي التحديد ويحدث في مراكز التفاعل على المادة الماصة.

·        تؤثر مساحة السطح ودرجة الحرارة وطبيعة المادة الماصة على الامتزاز الكيميائي.

·        طاقة التنشيط عالية جدًا، 40 – 400 كيلوجول/مول.

 

نظريات معادلة الحرارة للامتزاز

عادة ما يتم وصف الامتزاز بمعادلة الحرارة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن درجة الحرارة تلعب دورًا مهمًا أو أن لها تأثيرًا كبيرًا على العملية برمتها. علاوة على ذلك، هناك العديد من نماذج معادلة الحرارة التي تستخدم لوصف تقنية الامتزاز. تتضمن هذه ما يلي:

نظرية فروندلش

تخضع معادلة فروندلش لامتصاص الغاز لعملية الامتصاص، حيث تشكل المادة الممتصة طبقة أحادية الجزيء على سطح المادة الماصة.

تمثل x كمية الغاز الممتصة على جرام من المادة الماصة، وK وn هما ثابتا الامتصاص، و"p" هو الضغط n الذي يكون دائمًا أكبر من واحد.

من العيوب الرئيسية لمعادلة فروندلش للامتصاص أنها تفشل عند الضغط العالي. ولا يمكنها تفسير عملية الامتصاص متعددة الطبقات.

نظرية لانجموير

في عام 1916، اقترح لانجموير نظرية امتصاص الغاز على سطح المادة الصلبة بحيث تتكون من مواقع أولية، يمتص كل منها غازًا واحدًا. ومن المفترض أن جميع مواقع الامتصاص متكافئة، وأن قدرة جزيء الغاز على الارتباط بأي موقع واحد لا تعتمد على ما إذا كانت المواقع المجاورة مشغولة أم لا. بالإضافة إلى ذلك، يُفترض أيضًا وجود توازن ديناميكي بين جزيئات الغاز الممتصة وغير الممتصة.

يمكن الحصول على المبادئ التالية:

مشتق من معادلة امتصاص لانجموير:

1.       يتصرف الغاز الممتص بشكل مثالي في الطور البخاري.

2.       يحدث امتصاص أحادي الطبقة فقط.

3.       يكون سطح المادة الصلبة متجانسًا.

4.       لا توجد قوة تفاعلية جانبية بين جزيء المادة الممتصة.

5.       تتمركز جزيئات الغاز الممتصة.

نظرية BET (بعد بروناور وإيميت وتيلر)

اقترح بروناور وإيميت وتيلر نظرية BET في عام 1938. تشرح هذه النظرية تكوين امتصاص متعدد الطبقات أثناء الامتصاص الفيزيائي. تتحدث هذه النظرية أيضًا عن التجانس في مواقع امتصاص الأسطح الصلبة. تفترض أنه عندما يحدث الامتصاص في موقع واحد، فلن يؤثر على الامتصاص في المواقع المجاورة.

تطبيقات الامتصاص في الفحم المنشط

دور الإمتصاص كظاهرة فيزيائية في الفحم المنشط تكسبه خصائص فريدة وكفءة تجعل منه حلا امثلا للعديد من التطبيقات في المجالات الصناعية واليكم بعض الاستعمالات:

1) أقنعة تلوث الهواء

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

2) فصل الغازات النبيلة بطريقة قارورة ديوار

يمر خليط من الغازات النبيلة من النيون والأرجون والكربتون من خلال قارورة ديوار في وجود فحم جوز الهند الساخن. يتم امتصاص هلام الأرجون والكريبتون، ويتبقى النيون.

3) تنقية المياه

من خلال إضافة حجر الشب إلى الماء، يتم امتصاص الشوائب على الشب، ويتم تنقية الماء.

4) إزالة الرطوبة والرطوبة

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

5) كروماتوغرافيا الامتزاز

تستخدم لفصل الصبغات والهرمونات.

6) طريقة التبادل الأيوني

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

7) في علم المعادن

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

الاختلافات بين الامتصاص والامتزاز

 

الاختلافات بين الامتصاص والامتزاز

الامتصاص	الامتزاز
الترسيب الكامل لمادة في مادة أخرى هو الامتصاص	يُعرف ترسب مادة على السطح بالامتزاز.
إنها ليست ظاهرة سطحية.	إنها عملية سطحية.
إنها ليست تلقائية.	امتصاص الغاز على مادة صلبة هو تلقائي.
يحدث بشكل موحد في جميع أنحاء.	لا يحدث بشكل موحد.
تفاعل جزيئي أكبر.	تفاعل جزيئي أقل.
يتضمن تطبيق الجهد في امتصاص الماء بواسطة شعيرات الجذر.	لا يوجد تدخل للجهد أثناء الامتزاز.
إنه غير مقسم.	الامتصاص السطحي هو امتزاز، وهو مقسم.

 

حالات مختلفة من الإمتصاص

 الإمتصاص فيزيائيًا أو كيميائيًا موجودًا على أسطح المواد الصلبة. يلعب هذا دورًا أساسيًا في التحكم في خصائص الواجهة ومسارات التفاعل الكيميائي والأداء التحفيزي في مجموعة واسعة من الأنظمة.

امتصاص الماء

إذا تحدثنا عن الهندسة الكيميائية وعلم المواد وحتى التحفيز، فإن امتصاص الماء على الأسطح له أهمية كبيرة في هذه المجالات. امتصاص الماء، المعروف أيضًا باسم ترطيب السطح، هو عندما يكون الماء الممتص فيزيائيًا أو كيميائيًا موجودًا على أسطح المواد الصلبة. يلعب هذا دورًا أساسيًا في التحكم في خصائص الواجهة ومسارات التفاعل الكيميائي والأداء التحفيزي في مجموعة واسعة من الأنظمة.

في حالة الماء الممتص فيزيائيًا، يتم التخلص من ترطيب السطح بشكل عام من خلال عملية التجفيف التي تحدث في ظروف درجة الحرارة والضغط والتي تؤدي إلى التبخر الكامل للماء. أما بالنسبة للماء الممتص كيميائيًا، فقد يكون الترطيب في شكل امتزاز تفككي أو امتزاز جزيئي.

الامتصاص في الفيروسات

إذا كنت تفهم دورة الفيروس، فإن الخطوة الأولى هي الامتزاز، تليها الاختراق وإزالة الطلاء والتوليف والإطلاق. عادة، تكون دورة تكاثر الفيروس متشابهة لأنواع مختلفة من الفيروسات.

امتصاص البوليمر

يوجد امتصاص الجزيئات على أسطح البوليمر. هذه الخاصية مهمة في عدد من تطبيقات حالات الاستخدام. على سبيل المثال، فهي مهمة في تطوير الطلاءات غير اللاصقة وفي العديد من الأجهزة الطبية الحيوية. باستخدام عملية امتصاص البوليمرات، يمكن أيضًا امتصاص البوليمرات على الأسطح.

الامتصاص على المحفزات

عندما يحدث الامتصاص على الجزيئات على مواد حفزية معينة، يكون هناك عادةً تسارع في بعض التفاعلات الكيميائية.

أسئلة حول الامتصاص

1. امتصاص الغاز على مادة صلبة يكون دائمًا طاردًا للحرارة. اشرح.

الحل:

امتصاص الغاز على مادة صلبة هو عملية تلقائية. عندما يمتص الغاز على المادة الصلبة بسبب عملية التفاعل الجزيئي، تنخفض إنتروبيا جزيئات الغاز. لجعل العملية تلقائية، يجب أن يكون الامتصاص طاردًا للحرارة.

2. من بين غازات SO2 وCH4 وH2، أي الغازات يمتص أكثر على الفحم ولماذا؟

الحل:

يمتص ثاني أكسيد الكبريت أكثر من الميثان والهيدروجين لأن درجة الحرارة الحرجة لثاني أكسيد الكبريت أعلى من الميثان والهيدروجين.

3. ماذا تقصد بدرجة الحرارة الحرجة؟ ما هي العلاقة بين درجة الحرارة الحرجة والغاز الممتص؟

الحل:

درجة الحرارة التي لا يمكن تحويل الغاز فوقها إلى سائل حتى بتطبيق ضغط مرتفع تُعرف بدرجة الحرارة الحرجة. كلما زادت درجة الحرارة الحرجة (إلى) كلما زادت درجة الامتصاص للغاز الممتص على السطح.

4. ما هي عوامل الامتصاص الفعال للغازات على المواد الصلبة؟

الحل

الأيون:

•         طبيعة الغازات: سهولة التسييل كلما زاد امتصاص الغاز.
•         مساحة سطح المادة الماصة: كلما زادت مساحة السطح، زاد امتصاص الغاز.
•         درجة الحرارة: تزداد عملية الامتصاص الفيزيائي بانخفاض درجة الحرارة، بينما تزداد عملية الامتصاص الكيميائي بارتفاع درجة الحرارة.
•         الضغط: يؤثر فقط على عملية الامتصاص الفيزيائي؛ فإذا زاد الضغط، تزداد أيضًا كمية الغاز الممتص.

5. عرف التنشيط.

الحل:

عندما يتم تسخين المواد الماصة في الفراغ من 573-623 كلفن، تزداد مساحة السطح، ويُعرف ذلك بالتنشيط.

6. اكتب عن عملية الامتصاص من المحاليل.

الحل:

تضاف قطع الفحم إلى محلول حمض الأسيتيك. تمتص بعض جزيئات حمض الأسيتيك على الفحم. يعتمد هذا على ما يلي:

1.        طبيعة المادة الممتصة
2.        مساحة سطح المادة الممتصة
3.        درجة الحرارة
4.        التركيز

أسئلة شائعة حول الامتزاز

س1: ما الفرق بين الامتزاز والامتصاص؟

الامتزاز هو عملية تترسب فيها جزيئات المادة على سطح المادة. إنها ظاهرة سطحية. الامتصاص هو عملية يتم فيها امتصاص الجزيئات في الجزء الأكبر من المادة (صلبة أو سائلة أو غازية).

س2: ما هو مثال على الامتزاز؟

امتصاص بخار الماء على سطح هلام السيليكا هو مثال على ظاهرة الامتزاز.

س3: ما هي طريقة التنقية التي تعتمد على مبدأ الامتزاز؟

تعتمد طريقة التنقية بالكروماتوغرافيا العمودية على مبدأ الامتزاز. يعمل هلام السيليكا كمادة ماصة. يتم استخلاص المركبات الحمضية أولاً، ويتم امتصاص المركبات القاعدية على هلام السيليكا.

س4: كيف تتأثر الإنتروبيا بالامتصاص؟

تتناقص الإنتروبيا عند الامتصاص مع انخفاض العشوائية.

س5: هل ترتفع درجة الحرارة أم تنخفض أثناء الامتصاص الفيزيائي؟

يتناقص الامتصاص الفيزيائي مع زيادة درجة الحرارة.

المصدر: هنا

مؤسسة حسين داي (hocinedey) مؤسسة جزائرية لتصنيع قوالب الفحم المضغوط الطبيعي الخالي من الإضافات وصناعة أدوات الإشعال من مشعل الفحم –المدخنة- و بادئ فتائل الإشتعال لإستعمالات الشواء، الطبخ و التخييم والناتجة من إعادة تدوير الكتلة الحيوية الخشبية بالإضافة إلى تصنيف خاص بمقالات عالمية حول الشواء واستعمالات الفحم كحل لعديد التعقيدات الصحية والصناعية والبيئية للحصول على رؤية أوسع لدور الفحم في حياتنا.

========================= ---------------------