अधिशोषण

अधिशोषण : कित्येक घन किंवा द्रव पदार्थांच्या अंगी त्या पदार्थांच्या पृष्ठाशी संपर्क करणाऱ्या दुसऱ्या एखाद्या घन, द्रव किंवा वायूरूप पदार्थातील (रेणू, अणू, आयन यांसारखे) घटक आकृष्ट करून घेऊन स्वत:च्या पृष्ठांशी साचवून ठेवण्याचा (सांद्रित करण्याचा) गुणधर्म असतो. असा गुणधर्म असणाऱ्या पदार्थाला ‘अधिशोषण’ व त्याच्या क्रियेला ‘अधिशोषण’ म्हणतात. उदा., लोणारी कोळशाच्या अंगी काही वायूंचे अधिशोषण करण्याची क्षमता मोठ्या प्रमाणात असते. असे वायू शिरून हवा दूषित झाली असेल तर लोणारी कोळशाशी संपर्क येईल अशा रीतीने तिचा प्रवाह जाऊ दिल्यावर तिच्यातील अनिष्ट वायूंचे अधिशोषण होऊन ते कोळशाच्या पृष्ठावर साचून राहतात व हवा शुद्ध होते.

अधिशोषण हे शोषणाहून अगदी भिन्न असते. शोषणात संपूर्ण घन किंवा द्रव पदार्थ भाग घेत असतो. उलट अधिशोषण हे पदार्थाच्या पृष्ठापुरतेच मर्यादित असते. अधिशोषण ही एक पृष्ठीय, भौतिक-रासायनिक क्रिया आहे.

शेले आणि आबे फाँताना या शास्त्रज्ञांना १७७३ साली स्वतंत्ररीत्या प्रयोग करताना असे आढळून आले की, लोणारी कोळशातून हवा काढून तो कोरडा केला, तर ताबडतोब वायूंचे अधिशोषण करतो. सोस्यूर या शास्त्रज्ञांस १९१४ साली प्रयोगांती असे आढळून आले की, असा लोणारी कोळसा आपल्या आकारमानाच्या तीस पट अमोनिया वायूचे अधिशोषण करतो.

अधिशोषण-क्रिया :द्रव पदार्थांचा पृष्ठभाग ताणलेल्या स्थितीत असतो. घन पदार्थाच्या पृष्ठभागावर अविशिष्ट-प्रेरणाक्षेत्र असते. यामुळे अशा पृष्ठभागाच्या सानिध्यात येणाऱ्या दुसऱ्या पदार्थातील कणांना ते आकर्षित करतात. या गुणधर्मामुळे दोन माध्यमांच्या विभाजक अशा अंतरापृष्ठावर आकर्षित केलेल्या पदार्थाचे प्रमाण वाढते. हीच अधिशोषणक्रिया होय. ðकलिल-विद्रावामध्ये थोडासा पदार्थ अगदी सूक्ष्म कणांच्या रुपात व फार मोठ्या कणसंख्येने अस्तित्वात असल्यामुळे खूप मोठा पृष्ठभाग अधिशोषणाच्या क्रियेला मिळू शकतो. पृष्ठभागावरील कणांमध्ये द्रवाच्या इतर भागातील कणांपेक्षा आर्कषण जास्त असते. अधिशोषणक्रियेत अधिशोषण अणूंचे एका विशिष्ट पद्धतीने चलनवलन होत असते. काही अणू शेजारच्या माध्यमात जाऊ शकतात. त्यांची जागा दुसऱ्या अणूंनी घेतली जाते. एकंदर अधिशोषित झालेल्या अणूंची संख्या कायमच राहते. म्हणजेच एक प्रकारची समतोल अवस्था प्राप्त झालेली असते. अशा अवस्थेला ‘अधिशोषण-समतोल अवस्था’ म्हणतात.

अधिशोषणाचे सैद्धांतिक विवेचन :अधिशोषण ही क्रिया कित्येक पदार्थांत दृष्टोत्पत्तीस येऊ शकते. त्यामध्ये घन पदार्थाकडून झालेले वायूरूप पदार्थाचे अधिशोषण आणि विद्रावामध्ये घन पदार्थाकडून झालेले अधिशोषण ही महत्त्वाची आहेत.

घन पदार्थाच्या पृष्ठभागावरील वायुरूप पदार्थाचे अधिशोषण :दाब वाढविणे आणि तापमान कमी करणे अशा दोन्ही क्रिया एकदम केल्यास लोणारी कोळशासारखा पदार्थ वायूंचे अधिशोषण मोठ्या प्रमाणावर करतो. ठराविक तापमानात एक ग्रॅम अधिशोषक पदार्थाने केलेले अधिशोषण (ग्रॅममध्ये) व त्यावर असलेला दाब यांचा आलेख काढल्यास त्याचा दाबाच्या अक्षासमोरील भाग अंतर्गोल असतो (आकृती पहा). यासंबंधीचे समीकरण पुढे दिले आहे.

x/m = kp ^1/n यामध्ये x/m हे एक ग्रॅम पदार्थाकडून झालेले वायूचे अधिशोषण व p त्या वेळेचा दाब, k आणि n हे दिलेल्या परिस्थितीतील स्थिरांक आहेत. वरील समीकरणास ‘फ्रॉइंटलिख अधिशोषण-समताप’ असे म्हणतात. 1/n याचे मूल्य बहुधा एकापेक्षा कमी असल्यामुळे अधिशोषित वायूचे प्रमाण दाबापेक्षा कमी त्वरेने वाढते. लॉगरिथमाच्या स्वरूपात वरील समीकरण पुढीलप्रमाणे मांडता येते.

 log x/m आणि log p यांचा आलेख काढल्यास सरळ रेषा मिळते.

याशिवाय लँगम्यूर यांनीही अधिशोषण-समतापाकरिता एक समीकरण सुचविले आहे.

 यामध्ये k₁आणि k₂ हे त्या माध्यमांकरिता स्थिरांक असून p हा वायुदाब आहे.

घन पदार्थाकडून होणारे विद्रावातील अधिशोषण :कोणत्याही विद्रावामध्ये पृष्ठभागावरील मुक्त ऊर्जा कमी होण्याकडे प्रवृत्ती असते. अधिशोषक पृष्ठभागाकडून विद्रुताचे (विरघळणाऱ्या पदार्थाचे ) अधिशोषण झाल्याने घन पदार्थाच्या सानिध्यातील विद्रावाची सांद्रता (त्यातील विद्रुताचे प्रमाण) त्याच्या इतर भागांच्या मानाने कमी जास्त असू शकते. त्यामुळे ज्या विद्रुत घटकाचा पृष्ठताम कमी असतो त्याची सांद्रता अधिशोषकाच्या पृष्ठभागावर जास्त होते. अशा परिस्थितीत एकंदर पृष्ठभागावरील मुक्त ऊर्जा कमी होते, म्हणजेच एखाद्या विद्रुतामध्ये पृष्ठताण कमी करण्याची पात्रता असल्यास पृष्ठभागावर विद्रुताचे प्रमाण हे त्याच्या विद्रावातील एकंदर प्रमाणापेक्षा पुष्कळच जास्त असते. याला ‘घन अधिशोषण’ असे म्हणतात. जे पदार्थ अशा तऱ्हेने पृष्ठताण कमी करू शकतात त्यांना ‘क्रियाशील अघिशोषित पदार्थ’ म्हणतात. पुष्कळ कार्बनी पदार्थ पृष्ठताण कमी करणारे असतात. उदा., एस्टरे, आल्डिहाइडे, कीटोने इत्यादी. याउलट जे विद्रुत पृष्ठताण वाढवितात व म्हणून ज्यांची पृष्ठभागावरील सांद्रता कमी होते, त्यांना ‘ऋण अधिशोषित पदार्थ’ म्हणतात. पुष्कळसे विद्युत् विच्छेद्य पदार्थ या प्रकारात मोडतात. या दुसऱ्या प्रकाराच्या क्रियेला ‘ऋण अधिशोषित’ म्हणतात.गिब्ज या शास्त्राज्ञांनी १८७८ साली ð पृष्ठताण व अधिशोषण यांमधील गणितसंबंध शोधून काढला तो असा :

 या समीकरणात S हे पृष्ठभागावरील विद्रुताचे प्रमाण विद्रावातील विद्रुवापेक्षा किती जास्त आहे हे दाखवते, Cही विद्रुताची सांद्रता असून R हा वायुस्थिरांक आहे व T हे निरपेक्ष तापमान[→केल्व्हिन निरपेक्ष तापक्रम] आहे, ^dr/_dc हा पृष्ठताण आणि सांद्रता यांचा अवकलज [→अवललन व समाकलन] आहे.

औद्योगिकदृष्टया महत्त्वाचे अधिशोषण : सर्वसाधारणपणे अधिशोषकांचा उपयोग दोन प्रमुख प्रकारे केला जातो : (१) स्त्रवण (झिरपण्याची) क्रिया आणि (२) संपर्कक्रिया. पहिल्या क्रियेत अधिशोषण स्थिर ठेवून त्यावरून द्रव किंवा विद्राव झिरपू देतात. सिलिका, ॲल्युमिना यांसारखे पदार्थ रवाळ असतात. त्यांचा वापर करताना स्त्रवण-क्रियाच घडत असते. संपर्कक्रियेत अधिशोषक हा अतिशय बारिक कणांनी युक्त असून विद्रावाबरोबर मिसळलेला असतो. अधिशोषक विद्रावापासून गाळण-क्रियेने अलग करतात. प्राणिजन्य चरबी उदा., टॅलो, लार्ड देवमाशाची चरबी त्याचप्रमाणे वनस्पतिजन्य तेले उदा., जवस, भुईमूग, सरकी, मोहरी, खोबरे—वगैरे या सर्वांतील रंग व तरंगणाऱ्या अशुद्ध पदार्थांचे शुद्धीकरण मुलतानी माती (फुलर्स अर्थ) व इतर माती यांच्या संपर्क-क्रियेने केले जाते.

निरनिराळ्या उद्योगधंद्यांकरिता खालील प्रमुख अधिशोषक वापरले जातात :

(१) मुलतानी माती : हिचा उपयोग खनिज तेल आणि वनस्पतींपासून मिळणारी तेले स्वच्छ व शुद्ध करण्याकडे करतात. तेलामध्ये तरंगणारे अशुद्ध पदार्थांचे कण या मातीने अधिशोषिले जाऊन तेल स्वच्छ व शुद्ध होते.

(२) हाडांपासून मिळालेला कोळसा : साखरेच्या धंद्यात पांढरी शुभ्र साखर तयार करण्याकरिता या कोळशाचा स्त्रवण-क्रियेने अशुद्ध पदार्थ काढूण टाकण्यासाठी उपयोग करतात. विशेषत: साखरेच्या द्रवाचा रंग संपूर्णपणे अधिशोषित होतो.

(३) सक्रियित कोळसा : लोणारी कोळसा काही विशेष प्रक्रियांनी तयार केला असता फार सक्रियित (क्रियाशील) होतो. त्याचा उपयोग स्त्रवण-क्रियेने रंग शोषण करण्याकडे होतो.

(४) ॲल्युमिना : ज्या वेळी कोरड्या हवेची आवश्यकता असते, अशा वेळी या अधिशोषकाचा उपयोग करतात. उदा., लोखंड तयार करणाऱ्या झोतभट्टया, शीतक यंत्रे वगैरेंसाठी.

(५) सिलिका जेल : हा महत्त्वाचा अधिशोषक पदार्थ म्हणून समजला जातो. वायूचे सांद्रीकरण करण्यासाठी सिलिका जेलचा उपयोग करतात. उदा., सल्फर डाय-ऑक्साइडाचे ४ पासून ३० टक्क्यांपर्यंत सांद्रीकरण याच्या साहाय्याने करता येते. औद्योगिक उत्पादनात निर्जलीकरण आणि शुद्धीकरण करण्यासाठी सिलिका जेलचा उपयोग करतात.रासायनिक प्रक्रियांमध्ये अधिशोषण-क्रियेमुळे काही फायदे व काही तोटे होतात असे अनुभवास आले आहे.

(६) फायदे : नारळाच्या करवंटीपासून तयार केलेल्या कोळशामध्ये अधिशोषणाचा गुण असतो. त्याचा उपयोग वायु-मुखवट्यामध्ये विषारी वायू आणि वाफेचे शोषण करण्याकडे केला जातो. आर्सेनिकाच्या लवणांचे अधिशोषण फेरिक हायड्रॉक्साइडाच्या कलिल अधिशोषकाकडून उत्तम होते. सर्व तऱ्हेच्या उत्प्रेक क्रियांमधून (रासायनिक विक्रियेमध्ये स्वत: भाग न घेणाऱ्या एखाद्या पदार्थाद्वारे विक्रियेचा वेग वाढविण्याच्या क्रियांमधून) अशा अधिशोषकांचा उपयोग करतात. प्रयोगशाळेत देखील निरनिराळ्या रंगांचा ‘अधिशोषण दर्शक’ म्हणून उपयोग करण्यात येतो.

तोटे : काही प्रयोगांमध्ये अधिशोषण-क्रियेचा अडथळाही होऊ शकतो. उदा., काच आणि पोर्सेलीन आद्रतेचे अधिशोषण करतात. ðअनुमापन-क्रियेत यामुळे अडथळा निर्माण होतो व चूक होऊ शकते. अशा वेळी त्यांनी अधिशोषित केलेली आर्द्रता भांड्याचे तापमान वाढवून नाहीशी करावी लागते. तसेच रेडिओ-नलिका (व्हॉल्व्ह) व विद्युत् विसर्जन-नलिका तयार करतानाही त्यातील आर्द्रता नाहीशी करणे आवश्यक असते.

रंग तयार करणाऱ्या कारखान्यात रंगामुळे हवा किंवा वायूचे अधिशोषण होत असल्याने रंग एकसारखा दिसत नाही म्हणून तेलाच्या साहाय्याने वायू नाहीसे करतात.

संदर्भ : 1.Glasstone, S. Text-Book of Physical Chemistry London, 1964.

           2. Mee, A.J. Physical Chemistry, London, 1962.

           3. Perry, J.H. Chemical Engineer’s Hand-Book, New York, 1949.

दीक्षित, च. चिं.

“