Сорбционные свойства

Способность материалов поглощать газы, водяные пары и воду называется сорбцией. Процесс, обратный сорбции — десорбция. Сорбция, как и десорбция, — явление сложное, представляет собой несколько процессов, при которых удержание влаги сорбента осуществляется за счет межмолекулярных сил взаимодействия. Она включает адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию, капиллярную конденсацию.

Адсорбция (поверхностная сорбция) обусловлена наличием энергии некомпенсированных сил межмолекулярного взаимодействия, за счет которой удерживаются молекулы влаги на поверхности материала. Величина водяных паров при адсорбции зависит от структуры и свойств материала, от поверхности сорбента, давления, температуры, относительной влажности окружающей среды.

Адсорбция протекает быстро, и равновесное состояние достигается за доли или несколько секунд. При этом чем больше поверхность сорбента, чем выше давление и относительная влажность окружающей среды и ниже температура, тем выше адсорбция влаги.

Концентрирование веществ на поверхности твердого тела с образованием химических соединений называется хемосорбцией. При абсорбции происходит поглощение по всему объему сорбента. Проникновение сорбируемого вещества в межмолекулярное пространство сорбента протекает медленно за счет процесса 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.

Капиллярная конденсация заключается в сжижении паров воды в стенках (порах) смачиваемых пористых тел. Она возникает при смачивании стенок капилляра водой, при этом 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 большей влаге, 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; наблюдается явление гистерезиса, поэтому для определения гигроскопичности материалов необходимо знать среднее значение влажности при обводнении и обезвоживании.

Процессы сорбции и десорбции лежат в основе очистки вод, масел и газов от примесей, осветления растворов, а также используются в хроматографии. При транспортировании, хранении и эксплуатации большинства изделий постоянно наблюдаются 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. Показатель влажности

Wф, %, вычисляют по формуле
Wф = (mф – mс) • 100/ mс, где mф — масса материала до сушки, г;
mс — 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 0 °С; 22,8 г/м3 при 25 °С).

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

При поглощении влаги адсорбция вначале увеличивается прямо пропорционально росту относительной влажности воздуха, при 60–70%-ной 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, имеющую относительную влажность воздуха 98%. Показатель гигроскопичности Wг, %, рассчитывают по формуле

Wг = 100 (mв – mс)/mс,
где mв — масса материала после выдерживания при влажности воздуха 98%.

Влагоотдача — это способность материала, имеющего гигроскопическое влагосодержание, отдавать пары воды в окружающую среду с относительной влажностью воздуха 2%. Показатель влагоотдачи Во, %, определяется по формуле
Во = (mв – m0) 100/ (mв – mc), 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.