Адсорбция: от теории к практике

Адсорбция на различных поверхностях раздела фаз интересует ученых с начала XX века. Это явление лежит в основе множества исключительно важных процессов, имеющих практическое значение. Технологическая, экологическая и биологическая значимость адсорбции не вызывает сомнений. Ее практическое применение в промышленности и охране окружающей среды чрезвычайно важно. Адсорбция субстратов служит первым этапом многих каталитических процессов. Методы разделения смесей в лабораторных и промышленных масштабах все чаще основаны на использовании изменения концентрации компонентов на границе раздела фаз. С этим также связаны такие жизненно важные задачи, как очистка воды, сточных вод, воздуха и почвы. Вместе с тем во многих областях, где технологические инновации опирались на явления адсорбции, развитие происходило скорее благодаря практическому опыту и ремесленным методам, чем научным исследованиям. Базовое понимание научных принципов значительно отставало, отчасти потому, что изучение поверхностей раздела требует исключительно тщательного проведения экспериментов для получения содержательных и воспроизводимых результатов. Однако в последние годы все больше усилий направляется на сокращение разрыва между теорией и практикой. Существенный прогресс в теоретическом описании адсорбции достигнут главным образом благодаря разработке новых теоретических подходов на молекулярном уровне, применению методов компьютерного моделирования и появлению новых методик исследования поверхностных слоев и межфазных областей. Кроме того, за последние 15 лет были разработаны новые классы твердых адсорбентов, включая активированные углеродные волокна и углеродные молекулярные сита, фуллерены и гетерофуллерены, микропористые стекла, а также нанопористые материалы — углеродные и неорганические. Наноструктурированные твердые материалы пользуются большой популярностью в науке и технике и вызывают исключительный интерес благодаря своим сорбционным, каталитическим, магнитным, оптическим и термическим свойствам. Хотя до 1980-х годов развитие адсорбции шло довольно извилистым путем, это направление физики поверхностей в настоящее время принято считать сформировавшейся отраслью физической науки и самостоятельной междисциплинарной областью на стыке химии, физики, биологии и инженерных наук. В настоящем обзоре кратко изложена история адсорбции и освещен прогресс в теоретическом описании рассматриваемого явления. Критически анализируются перечисленные выше проблемы, прослеживается развитие адсорбции, представлены некоторые важнейшие современные результаты и источники актуальной литературы. Кроме того, рассмотрены наиболее важные аспекты современных тенденций и перспектив применения науки об адсорбции в промышленности, охране окружающей среды и экологическом анализе. Показана взаимосвязь между развитием теории адсорбции и ее практическим применением. Обсуждаются и на нескольких ярких примерах иллюстрируются современные представления и перспективы использования явлений адсорбции в лабораторных и промышленных масштабах, а также в сфере охраны окружающей среды.