અધિશોષણ

અધિશોષણ (adsorption) : ઘન, પ્રવાહી અથવા વાયુરૂપ પદાર્થ(અધિશોષ્ય, adsorbate)નું, બીજા ઘન અથવા પ્રવાહી પદાર્થ(અધિશોષક, adsorbant)ની સપાટી કે આંતરપૃષ્ઠ (interface) ઉપર આસંજન દ્વારા સંકેન્દ્રિત થવું. અધિશોષણ પ્રાવસ્થા વચ્ચેનાં આંતર-આણ્વિક બળો(intermolecular forces)ને આભારી હોય છે. તે એક પૃષ્ઠઘટના છે.

વિશોષણ (desorption) એ અધિશોષણથી વિરુદ્ધની પ્રક્રિયા છે. ઘણી જૈવિક તથા ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન-પ્રક્રિયાઓમાં અધિશોષણ અગત્યની પ્રક્રિયા છે. અધિશોષણને દ્રવ્ય સ્થાનાંતર પ્રવિધિ (mass transfer operation) પણ ગણી શકાય. કારણ કે અહીં પદાર્થનું એક કલા(phase)માંથી બીજી કલામાં સ્થાનાન્તર થાય છે. આ સ્થાનાંતર માટે બંને કલા વચ્ચે પદાર્થની સાંદ્રતાનો તફાવત જવાબદાર છે. કલિલ (colloid) પ્રણાલી જેમાં કદના મુકાબલે કણોનું ક્ષેત્રફળ ઘણું વધારે હોય છે તેમાં અધિશોષણ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે.

અધિશોષણની કાર્યપદ્ધતિ : અધિશોષણની કાર્યપદ્ધતિ વિવિધ પ્રકારની હોઈ શકે. તેને મુખ્યત્વે બે ભાગમાં વહેંચી શકાય છે : 1. ભૌતિક અધિશોષણ (sorption) અને 2. રાસાયણિક અધિશોષણ (chemisorption).

1. ભૌતિક અધિશોષણ : અધિશોષ્ય અને અધિશોષક વચ્ચે પ્રવર્તતા વાન દર વાલ્સ (van der Waals) આકર્ષણબળને કારણે આ પ્રકારનું અધિશોષણ થાય છે. વાસ્તવમાં આ પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી હોય છે, કારણ કે તાપમાન કે દબાણમાં ફેરફાર કરી અધિશોષણને અધિશોષકની સપાટી પરથી દૂર કરી શકાય છે, જે વિશોષણ પ્રક્રિયા છે. ધ્રુવીય સપાટી ધ્રુવીય અણુઓનું અને અધ્રુવીય સપાટી અધ્રુવીય અણુઓનું અધિશોષણ કરે છે.

2. રાસાયણિક અધિશોષણ : અધિશોષ્ય અને અધિશોષક વચ્ચે મુખ્યત્વે રાસાયણિક બળો કાર્ય કરે છે. એ પ્રક્રિયા અપ્રતિવર્તી છે. અધિશોષણ ઉષ્મા 54થી 126 કિ.જૂ./મોલ(20થી 30 કિ.કે./મોલ)થી વધુ હોય છે. અહીં અધિશોષ્યને અધિશોષક પરથી દૂર કરવું ઘણું મુશ્કેલ હોય છે, કારણ કે અહીં બંને વચ્ચે રાસાયણિક આંતરક્રિયા થાય છે. (દા.ત., ઍલ્યુમિનિયમની સપાટી ઉપર આપોઆપ બનતું ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડનું રક્ષણાત્મક અસ્તર.)

ઘણી ઘટનાઓમાં ઉપરની બંને પ્રક્રિયાઓ સાથે સાથે પણ ચાલે છે.

આયન વિનિમયથી અધિશોષણ : આ પ્રકારમાં ઘન પદાર્થમાંના આયનનો દ્રાવણમાંના સમાન વિદ્યુતભાર ધરાવતા આયનની સાથે વિનિમય થાય છે.

અધિશોષણ સંતુલન સ્થિતિ : અધિશોષણની સંતુલન સ્થિતિ અંગેની પ્રાયોગિક હકીકત બે રીતે રજૂ કરી શકાય : 1 આલેખ પદ્ધતિથી; 2. ગણિતીય પદ્ધતિથી.

1. આલેખ પદ્ધતિ : બે પ્રકારના આલેખથી સંતુલન સ્થિતિ રજૂ કરી શકાય : (ક) અધિશોષણ સમદાબી આલેખ (adsorption isobars) અને (ખ) અધિશોષણ સમતાપી (adsorption isotherms).

(ક) અધિશોષણ સમદાબી આલેખ : એક જ દબાણે અધિશોષિત પદાર્થના વજન (x ગ્રા.) અને અધિશોષક પદાર્થના વજન(m/ગ્રા.)ના ગુણોત્તર () અને નિરપેક્ષ તાપમાન (T)ના આલેખને સમદાબી આલેખ કહે છે.

સામાન્ય રીતે નીચા તાપમાને વધુ અધિશોષણ થાય છે. તાપમાન વધતાં અધિશોષણમાં ત્વરિત ઘટાડો થાય છે.

(ખ) સમતાપી આલેખ : એક જ તાપમાને  અને દબાણ વચ્ચેના આલેખને સમતાપી આલેખ કહે છે.

આ રજૂઆત પ્રાયોગિક દૃષ્ટિએ વધુ સરળ છે.

2. ગણિતીય પદ્ધતિ : ઉપરની પ્રક્રિયાને ગણિતની ભાષામાં રજૂ કરવાના ઘણા પ્રયત્નો થયા છે. જોકે કોઈ એક સૂત્ર આ વર્તણૂકને સંપૂર્ણપણે સમજાવી શકેલ નથી. આ સૂત્રો અનુભવમૂલક (empirical) છે. તેમાંનાં કેટલાંક નીચે મુજબ છે :

(અ) ફ્રોન્ડલિખ (1909) સમતાપી સમીકરણ :

જ્યાં    x = અધિશોષ્યનું વજન (ગ્રા.)

m = અધિશોષકનું વજન (ગ્રા.)

p = સમતોલન દબાણ

K અને n = અચળાંકો

log વિ. log pનો આલેખ દોરતાં તે સુરેખ મળે છે, જેનો ઢાળ (slope)  અને આંતરછેદ (intercept) log K હોય છે.

(આ) લેન્ગમૂર સમતાપી સૂત્ર : 1917માં લેન્ગમૂરે એક અણુસ્તર (monomolecular layer or monolayer) બનવાના સિદ્ધાંતના આધારે નીચેનું  સૂત્ર રજૂ કર્યું.

જ્યાં x, m અને p આગળ પ્રમાણે છે અને a અને b અચળાંક છે.

આ ઉપરાંત BET, ગિબ્સ અને કોલ્બે કોરીગન સૂત્રો પણ સૂચવેલાં છે.

અધિશોષણના પ્રકાર : અધિશોષણમાં ભાગ લેતા પદાર્થોની ત્રણ અવસ્થાને લક્ષમાં લેતાં પાંચ પ્રકારની પ્રણાલીઓ રચાય છે.

(ક) ઘનવાયુ પ્રણાલી : આ પ્રણાલીનો અભ્યાસ ઘણો વિગતવાર થયેલ છે. મિશ્રણમાંથી વાયુઓનું ઘન પદાર્થ વડે વરણાત્મક (selective) અધિશોષણ અને વાયુસ્વરૂપમાં પ્રક્રિયા માટે ઘન ઉદ્દીપકોનો ઉપયોગ એ ઘન પદાર્થ વડે વાયુસ્વરૂપના પદાર્થોના થતા અધિશોષણનાં અગત્યનાં ઉદાહરણો છે.

(ખ) ઘનપ્રવાહી પ્રણાલી : તૈલી પદાર્થોનું વિરંજન (decolourization), કાપડનું રંગાટીકામ, પાણીનું શુદ્ધીકરણ (મૃદૂકરણ : softening), ખાંડનું શુદ્ધીકરણ, પેટ્રોલિયમ પદાર્થોનું તટસ્થીકરણ વગેરે પ્રવાહીમાંના ઘટકોનાં ઘન વડે થતાં અધિશોષણનાં ઉદાહરણો છે. કલિલનું સ્થાયિત્વ પણ આ પ્રણાલી ઉપર આધાર રાખે છે.

(ગ) પ્રવાહીપ્રવાહી પ્રણાલી : બે અદ્રાવ્ય પ્રવાહી વચ્ચેના આંતરપૃષ્ઠ ઉપર અધિશોષણ થતાં એક પ્રવાહીનાં સૂક્ષ્મ ટીપાંઓનું બીજા પ્રવાહીમાં વિક્ષેપણ (dispersion) થઈને પાયસ રચાય છે. પાયસ બહુલીકરણ(બહુલકોની બનાવટ)માં ઉપયોગી છે. પ્રક્ષાલક (detergents) જેવા પદાર્થો ઉમેરવાથી પાયસનું સ્થાયિત્વ વધે છે.

(ઘ) પ્રવાહીવાયુ પ્રણાલી : એરોસોલ (વાયુમાં પ્રવાહીનાં સૂક્ષ્મ ટીપાં) અને ફીણ (પ્રવાહીમાં વાયુના પરપોટા) આ પ્રણાલીનાં ઉદાહરણો છે, જેના સ્થાયીકરણમાં અધિશોષણ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે.

(ચ) ઘનઘન પ્રણાલી : ઘન મિશ્રણો શક્ય હોય ત્યાં આ પ્રણાલી કાર્યરત બને છે. ધાતુઓનાં રેણ કરવાની ક્રિયા, મિશ્ર ઉદ્દીપકો(mixed catalysts)ની બનાવટ વગેરે આ પ્રણાલીનાં ઉદાહરણો છે.

અધિશોષક પદાર્થો : આ પદાર્થો કુદરતી કે સંશ્લેષિત (synthetic) હોય છે. તેમનું ભૌતિક સ્વરૂપ ઘણું અગત્યનું હોય છે. તે દાણાદાર (12 મિમી.થી 50 μ વ્યાસ) અને છિદ્રાળુ હોવા જરૂરી છે. છિદ્રાળુ હોવાને કારણે આવા કણોનું ક્ષેત્રફળ ઘણું વધારે હોય છે (છિદ્રોનો વ્યાસ 5થી 150 Å). કણો કઠણ હોવા જરૂરી છે, જેથી હેરફેરમાં કે પોતાના વજન તળે ભાંગીને ભૂકો ન થાય. પ્રક્રિયા દરમિયાન જો તેમની હેરફેર થવાની હોય તો તે સુપ્રવાહી (free flowing) હોવા જોઈએ. આ પદાર્થોને સ્તર (bed) રૂપે વાપરવાના હોય ત્યારે તેઓનું સંકુલન (packing) એવું થવું જોઈએ કે તેમાંથી પસાર થતાં વાયુ કે પ્રવાહીને ઓછામાં ઓછો અવરોધ નડે. એકમ વજનદીઠ વધુ વિશાળ સપાટી એ અધિશોષકોનો અગત્યનો ગુણ છે. અધિશોષકો અમુક સમય બાદ અધિશોષણ કરતા અટકી જાય છે. આવા અધિશોષકો સંતૃપ્ત થયા છે તેમ કહેવાય. આ સંતૃપ્ત અધિશોષકોને પાણીમાં ધોઈ/ગરમ કરીને ફરીથી વાપરી શકાય તેવા બનાવાય છે. કેટલાક અગત્યના અધિશોષકો નીચે પ્રમાણે છે :

(ક) મુલતાની માટી (fuller’s earth) : આ વિશિષ્ટ પ્રકારની કુદરતમાં મળતી માટી છે. તે મુખ્યત્વે મૅગ્નેશિયમ-ઍલ્યુમિનિયમ સિલિકેટ છે. તેને ગરમ કરીને છિદ્રાળુ બનાવાય છે. મુખ્યત્વે ઊંજણતેલ (lubricating oil), ટ્રાન્સફૉર્મર તેલ, કેરોસીન, પેટ્રોલ જેવા પદાર્થોના તટસ્થીકરણ અને વિરંજન માટે વપરાય છે.

(ખ) સક્રિયકૃત માટી (activated clay) : આ બેન્ટોનાઇટ પ્રકારની માટી છે. તેને હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ કે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડનો ઉપચાર આપીને સક્રિયકૃત બનાવાય છે. પેટ્રોલિયમ પેદાશોના વિરંજન માટે તે વપરાય છે.

બેન્ટોન્સ : બેન્ટોનાઇટના અકાર્બનિક ધનાયનના બદલે કાર્બનિક ધનાયન મૂકવાથી મળે છે. આ પ્રકારના પદાર્થો પેઇન્ટને સ્થાયિત્વ આપવા માટે વપરાય છે.

(ગ) બૉક્સાઇટ : તે કુદરતમાં મળતું ઍલ્યુમિનિયમનું ખનિજ છે. તેને 230° થી 820° સે. તાપમાને ગરમ કરતાં તે સક્રિય રૂપમાં મળે છે. પેટ્રોલિયમ પેદાશોના વિરંજન અને વાયુઓના શુષ્કન (drying) માટે તે વપરાય છે.

(ઘ) સક્રિયકૃત (activated) એલ્યૂમિના : તે Al₂O₃ 0.8H₂O બંધારણ ધરાવતો પદાર્થ છે. તે વાયુઓને નિર્જલિત કરવા વપરાય છે.

(ચ) હાડકાંનો કોલસો : 600° સે.થી 870° સે.એ હાડકાંનું ભંજક નિસ્યંદન કરવાથી મળે છે. ખાંડના શુદ્ધીકરણમાં તે વપરાય છે. ધોઈને, ગરમ કરીને ફરીથી વાપરી શકાય છે.

(છ) કાર્બન : બે પ્રકારના છે : (1) વિરંજન માટે અને (2) વાયુઓના અધિશોષણ માટે. તેનું ક્ષેત્રફળ ગ્રામદીઠ 500થી 1,000 ચોમી. હોય છે. બીજા પ્રકારનો કાર્બન ગૅસ માસ્કમાં ઝેરી વાયુઓને શ્વાસમાં જતી હવામાંથી શોષી લેવા માટે મૂકવામાં આવે છે.

(જ) સિલિકા જેલ : તે અસ્ફટિકમય સિલિકા છે. વાયુઓને શુષ્ક કરવા, ઔષધોનું ભેજથી રક્ષણ કરવા અને મિશ્ર ઉદ્દીપકોની બનાવટમાં તે ઉપયોગી છે.

(ઝ) અણુચાળણી (molecular sieves) : આ સંશ્લેષિત ઝિયોલાઇટ છે. પ્રવાહી અને વાયુઓના અલગીકરણમાં ઉપયોગી છે.

આ પદાર્થો ઉપરાંત આયનવિનિમય તથા વર્ણલેખન (chromatography) પ્રવિધિ પણ પદાર્થના શુદ્ધીકરણ તથા અલગીકરણ માટે ઘણી ઉપયોગી છે.

અધિશોષણ માટેનાં ઉપકરણો (equipments) : પ્રયોગશાળાની બહાર જ્યારે ઉદ્યોગમાં અધિશોષણનો ઉપયોગ કરવાનો હોય ત્યારે વિશિષ્ટ પ્રકારનાં સાધનો (ઉપકરણો) વાપરવાં જરૂરી બને છે. જે પદાર્થને શુદ્ધ કરવાનો હોય તેમાં અધિશોષકને નાખીને, હલાવીને ગાળવા ઉપરાંત મોટા સ્તંભોમાં અધિશોષક ભરીને તેમાંથી વાયુ/પ્રવાહી પસાર કરાય છે. કોઈક વાર અધિશોષક સ્તરને ગતિ આપવામાં આવે છે અથવા અધિશોષકને પદાર્થ સાથે ભેળવી ગતિમાં રાખવામાં આવે છે.

ઉપયોગો : અધિશોષણ વિરંજન માટે, વાયુઓને નિર્જલિત કરવા, પાણીના શુદ્ધીકરણ (મૃદૂકરણ) અને વિખનિજીકરણ (demineralisation) માટે તથા દ્રાવકોની પુન:પ્રાપ્તિ (recovery) વગેરેમાં ઘણું ઉપયોગી છે.

હર્ષદરાય રસિકલાલ શાહ

પ્રહલાદ બે. પટેલ