吸着剤と吸収剤の違い：意味合いと用途

吸着剤と吸収剤の紹介

材料科学の分野では、「吸着剤」と「吸収剤」という言葉を同じように使うことがあるが、これらは異なる現象を指している。多くの産業で適切な材料や方法を選択する際には、吸着と吸収を区別することが重要である。吸着は分子やイオンが物質の表面に付着することを意味し、吸収は物質が物質の内部に浸透することを意味する。本稿では、吸着剤と吸収剤の違い、そのメカニズム、実際の用途について詳しく説明する。

2025年までに、主要な吸着剤の一つであるモレキュラーシーブの世界市場規模は58億米ドルに達し、2020年から2025年までのCAGRは5.6%である（MarketsandMarkets、2020年）。モレキュラーシーブの成長は、ガス分離、石油化学処理、触媒などの用途で使用されるモレキュラーシーブのニーズが高まっていることが背景にある。モレキュラーシーブは、天然ガスの精製や、水、硫黄化合物、二酸化炭素などの汚染物質の除去に、石油・ガス産業で広く使用されている。吸着剤と吸収剤の区別について説明しますが、私たちの日常生活や産業に大きな影響を与えていることを覚えておいてください。

共通製品で不在・占有

吸着利用商品

さまざまな製品や手順が吸着に依存している。例えば、活性炭は水フィルター、空気清浄機、ガスマスクに使用される最も一般的な吸着剤の一つである。高い表面積と多孔質構造により、不純物や臭気、汚染物質を容易に吸着する。もう一つの例は、電子機器や衣類に付属している乾燥剤パックによく見られるシリカゲルです。シリカゲルは空気中の水分を吸収し、デリケートな製品の損傷を防ぎます。モレキュラーシーブ、アルミナ、ゼオライトは、異なる成分の選択的吸着に基づいて混合物を分離・精製するクロマトグラフィーで使用される吸着剤の一例です。

吸収ベース製品

また、私たちが日常生活で使っている吸収性製品もたくさんある。ペーパータオルやスポンジは、液体がこぼれたときに吸収してくれる。高吸水性ポリマーは、多量の液体を吸収しても再び漏れることがないため、紙おむつや生理用品に使用されている。）医療用吸収性創傷被覆材は、滲出液を処理しながら治癒を促進するために使用される。ポリプロピレンまたはセルロースをベースとする材料で作られた工業用吸収剤は、Sorbents InternationalのOil Spill Eater II (OSE II)のような、油や化学物質の流出清掃に使用される。これらは液体をバルク構造に引き込み、効果的に封じ込めた後、環境から除去することができる。

詳細な比較吸着 vs 吸収

バルク現象と表面現象

このプロセスがどこで起こるかが、吸着と吸収の重要な違いの一つである。吸着は、吸着される物質（吸着物）の分子またはイオンが吸着物質の表面に付着する表面現象である。それは分子間力によってもたらされる。吸着物は吸着剤の表面に薄い膜を形成するが、そのバルクには浸透しない。逆に、吸収は吸収体（吸収される物質）が吸収体のバルク構造に浸透することである。吸収された分子は、吸着剤分子間の空間を占め、材料全体に分散する。

熱交換とエネルギー必要量

吸着と吸収のプロセスはしばしば熱交換を伴い、必要なエネルギーも異なる。通常、吸着は発熱プロセスであり、吸着分子が吸着剤の表面に付着する際に熱の放出があることを意味する。吸着の一般的な例としては、水や空気から不純物を除去するための活性炭の使用や、空気中の水分を吸着するためのシリカゲルの使用などがある。しかし、他の場合、吸収は発熱プロセスにも吸熱プロセス（熱を吸収する）にもなり、特定のシステムと、両者が互いにどのように反応するか（例えば、その中で優勢な吸収剤と吸着剤の関係）に依存する。このことは、どのようなプロセスにおいても、必要なエネルギー量は、吸収体と吸収剤の溶解度や分子間力の強さなどの要因によって変化することを意味している。

温度と圧力への依存性

温度と圧力は、吸収と吸着の両方のプロセスにおいて重要な要素である。低い温度では、より多くの運動エネルギーが個々の粒子に残っているため、表面に低確率で吸着し、その結果、高い温度よりも吸着に有利な条件となる。圧力効果に関しても、吸着はそれと密接に関係しており、圧力が高いほど吸着量は多くなる。これは、圧力が高いほど吸着剤表面での吸着分子の濃度が高まり、吸着が促進される傾向があるためである。

吸収は温度や圧力によっても変化するが、これはさまざまな要因に左右される。ある時は、吸収体の溶解度は温度の上昇とともに増加し、吸収は高温でより効果的になる。しかし、温度が高くなると分子の動きが活発になり、分子間の引力も弱まるため、吸収率が低下するケースもある。これに加えて、圧力も吸収に影響を与えることがあり、特に気液系では圧力が高いほど液体吸収剤への気体の溶解度が高まるためである。

メカニズムとプロセス

ファンデルワールス力と化学結合

吸着は、吸着物や吸着剤の性質を考慮すると、異なる理解をすることができます。主に、物理的吸着である物理吸着と化学的吸着である化学吸着が一般的な吸着の種類である。物理吸着は、例えば極性分子間の分散力や誘導力のような弱いファンデルワールス力によって吸着物を吸着剤の表面に結合させる。これらの力は比較的弱い傾向があるため、このタイプのプロセスは自然界では可逆的である。低い吸着熱、吸着剤/吸着剤の境界での多層形成が物理吸着の特徴である。

化学吸着では、表面に接触した分子が表面と化学結合を形成する。これらの化学結合は、ファンデルワールスのような物理吸着に関与する結合よりも強力であるため、多くの場合、吸着分子と吸着化合物の間で共有や電子移動が行われる。化学吸着は不可逆的に起こり、高い吸収熱を示す。通常、化学結合形成が起こる特定の部位を持つ表面で化学吸着が起こると、単分子層被覆が起こる。

拡散、溶解度、毛細管現象

吸収は、分子を吸収することによってその構造を透過し、物質に吸収される。分子が吸収される主な手段は拡散であり、粒子は対象となるバルク材料全体を通して、濃度の高い領域から低い領域へと移動する。濃度勾配は拡散の発生速度を決定するが、温度はその結果に影響する。

温度と圧力に依存することはさておき、溶解度は吸収体と吸収体の間に存在する分子間力によって決まる。溶解性が高ければ高いほど、吸収力は大きくなる。ある種の場合、毛細管現象が吸収を助ける。例えば細孔のある吸着材などである。これは、液体吸収物と吸収剤の細孔壁との間の接着力が、この液体内部の凝集力よりも大きくなったときに起こります。その結果、このような液体は吸着物によって吸収媒体に引き込まれ、吸収を促進します。

吸着の実生活への応用

水処理における吸着

水処理プロセスにおいて、吸着は汚染物質、重金属、有機汚染物質を除去するための重要なプロセスである。例えば、活性炭はその高い表面積と多孔質構造から、浄水システムの吸着剤として一般的に使用されている。塩素、農薬、除草剤、揮発性有機化合物（VOC）など、さまざまな不純物を効果的に吸着する。水処理における吸着プロセスは、活性炭が水中を通過する固定床や粉末状、あるいは活性炭を水と混合し、ろ過によって水から分離する方法など、さまざまな手段で実行することができます。ゼオライト粉末もその一例で、分子ふるいの一種として機能し、その大きな表面積と選択的吸着特性により、浄水システムの吸着剤として広く採用されている。ゼオライトは、アンモニア、重金属、有機化合物のような多くの異なる不純物を吸収するのに有効です。例えば、ゼオライトは固定床式と懸濁式があり、粒子を水に直接加えてからろ過します。

水処理で吸着が起こるもう一つのケースは、イオン交換樹脂である。これらの樹脂には、溶液から特定のイオンを選択的に取り込み、他のイオンと置き換える官能基が含まれている。特に陽イオン交換樹脂は、飲料水の硬度の原因となるカルシウムやマグネシウムのような正電荷を帯びたイオンを除去することができる。逆に陰イオン交換樹脂は、例えば硝酸塩や硫酸塩のようなマイナスに帯電したイオンを除去することができます。イオン交換樹脂は可逆的に吸着するため、置換イオンを含む濃縮溶液で洗浄すれば再生が可能です。

空気浄化における吸着

空気浄化は、屋外や屋内の空気から不要な物質、臭い、有機溶剤（VOC）を除去するための吸着の主要な用途の一つである。空気ろ過システムでは、吸着剤としてゼオライトのような分子ふるいを使用するのが一般的である。ゼオライトの結晶構造は明確な細孔を持つため、分子レベルの大きさや形状によって特定のガスや汚染物質を選択的に吸着することができる。例えば、二酸化炭素、窒素酸化物、二酸化硫黄は、ゼオライトによって工業排気ガスから効率的に除去されたガスの一部であり、地球温暖化の可能性を低減し、大気の質を高めるのに役立っている。

ゼオライトのほかに、活性炭も空気清浄プロセスで使用される有名な吸着剤です。活性炭は、VOC、臭い、有毒ガスなど多くの有機物質を除去することができます。多くのガスが周辺環境に排出される化学製造業のような製造部門では、活性炭フィルターが排出の抑制に役立ちます。高い表面積を持ち、多孔質である活性炭は、さまざまな種類の空気中の汚染物質を捕捉する傾向があるため、作業員の健康と生態系全体の安全を確実に保証する、よりクリーンな大気を残すことができます。

工業プロセスにおける吸着

吸着は工業プロセスで広く採用されているプロセスであり、モレキュラーシーブや活性アルミナは最も一般的な吸着剤の一部である。炭化水素の精製と分離に関しては、モレキュラーシーブが石油および石油化学産業で一般的に使用されている。モレキュラーシーブは、特定の炭化水素分子をそのサイズや形状に応じて選択的に吸着することで、混合物から目的の製品を効果的に分離します。例えば、ゼオライトは製造時に不純物を除去し、ガソリンのオクタン価を向上させるために使用される。

シリカゼリーは吸湿性のある物質で、乾燥剤として工業用に優れた特性を持つ。シリカゼリーは、電子機器、医薬品、食品など、湿気によって腐敗してしまうものの包装によく使用されます。シリカゼリーは常に周囲の空気から水分を吸収するため、パッケージ内の乾燥を維持します。さらに、クロマトグラフィーの固定相として利用されるため、化学工業における様々な化合物の分離・精製にも役立ちます。吸着剤との親和性により、シリカゲルは異なる物質を選択的に吸着し、効率的な分離を可能にします。

いくつかの産業分野で応用されているもう一つの重要な吸着剤は活性アルミナである。天然ガス産業では、活性アルミナを使用して天然ガスの流れから水分や硫黄化合物を除去することができます。これらの化合物は、それらに接触した人に深刻な影響を与えるだけでなく、それらを輸送するパイプラインなどの機器に損傷を与える可能性があります。活性アルミナの吸収手順により、天然ガスはパイプラインによる輸送や通常の消費目的に必要な厳しい仕様内に収まるようになります。活性アルミナは、活性金属成分がこの種の媒体構造によって担持される触媒を製造する際にも、担体材料を提供することができる。活性アルミナは多孔質であるため表面積が大きく、触媒金属が広がる理想的な媒体となる。

吸収の実世界での応用

冷凍システムにおける吸収

冷凍システムにおいて、吸収は非常に重要であり、特に吸収式冷凍機やチラーの場合は、重要な産業用途がある。これらのシステムの典型的な冷媒は水またはアンモニアで、それぞれ臭化リチウムや水などの吸収剤に吸収される。吸収プロセスは、物理的吸収と化学的吸収のいずれかに分類され、冷媒蒸気が吸収液に吸収され、熱を放出する吸収器で行われる。吸収された冷媒はここから発電機に送られ、そこで加熱され、冷媒が吸収剤から脱離し、気化します。もう一度、冷媒蒸気は冷却の全サイクルを通過すると同時に、吸収液を吸収器に戻すというこのプロセスを繰り返す。

従来の蒸気圧縮システムに比べ、吸収式冷凍システムには電源や環境問題を含め、いくつかの利点がある。吸収式冷凍システムは、産業プロセスからの廃エネルギーや太陽熱エネルギーなどの低品位熱で運転できるため、環境にやさしく効率的である。吸収システムは、オゾン層を破壊しない冷媒を使用し、可動部品が少ないため、これらのタイプのプラントよりもメンテナンスが少なくて済む。

医療分野における吸収：薬物投与とデリバリー

医療分野における吸収は非常に重要な概念であり、薬物の投与と送達においてはなおさらである。薬物を経口摂取する場合、消化管から血流に吸収され、標的臓器に作用しなければならない。薬物の吸収に影響を与える要因には、薬物の溶解度、消化管環境のpH、胃の中の食物の有無などがある。薬物には、即効性をもたらすために素早く吸収されるように設計されたものもあれば、ゆっくりと吸収されるように処方され、時間をかけて活性物質を徐放するように設計されたものもある。

局所ドラッグデリバリーでは、薬物を皮膚や粘膜に塗布する場合、吸収も役割を果たす。この場合、例えば、薬物によっては皮膚や粘膜を通過して吸収され、本来の目的を果たす下層組織に到達しなければならない。例えば、経皮パッチは、皮膚から一定の速度で薬物を送達するために作られ、非侵襲的で便利な投与経路を可能にする。皮膚からの薬物吸収は、薬物の親油性、分子サイズ、角質バリアの状態などに左右される。

日常生活での吸収流出対策

例えば、私たちは日常生活の中で、こぼれた液体を吸収し、きれいにするために吸収材を使用している。ペーパータオル、スポンジ、モップはすべて、液体を吸収する能力によってこぼれた液体を吸収する家庭用品である。従って、これらの物質は、表面上の液体を迅速かつ効率的に取り除くことを可能にする高い吸収能力を持つように設計されている。そのため、産業界では、油や化学物質をこぼした際の清掃に、ポリプロピレン製パッドやブームなどの吸収材が使用されている。これらの素材は本来水をはじくが、疎水性であるため油やその他の炭化水素を吸収することができ、水系から特定の種を除去するのに適している。

また、紙おむつや生理用ナプキン、大人用失禁用品のような吸収性製品には、重量比で多量の液体を吸収できる高吸水性ポリマーが使用されている。これらの素材では、液体がポリマーの多孔質構造に接触すると、毛細管現象による吸引力と水素結合が起こり、液体がポリマーに付着する。さらに、個人衛生分野では高吸水性樹脂が採用され、おむつなどの個人衛生製品の性能に革命をもたらしている。

ジャロン高性能吸着剤ソリューションの信頼できるパートナー

ジャロン社は、モレキュラーシーブ、ゼオライトパウダー、活性アルミナなどの高品質な製品を世界中のお客様に提供し続けることで、吸着剤市場の憧れの存在として認知されてきました。石油精製、石油化学、天然ガス、石炭化学、環境分野など、さまざまなセクターが直面する固有の問題を理解することで、ジャロンはお客様のニーズに合わせたソリューションを提供する信頼できるパートナーとなっています。

新しい技術への投資、製品開発チームの技術革新の促進、そして製品の品質への強いこだわりにより、ジャロンは吸着剤製造のリーダーとしての地位を確立してきました。ジャロンとパートナーシップを結べば、高性能な吸着剤、業界に関する幅広い知識、経験豊富なチームなど、お客様のプロセスを最適化するために必要なものを幅広く提供することができます。ジャロン社は、吸着剤業界において信頼できる長期的なパートナーをお探しの企業にとって、価格競争と顧客サイドでの継続的な成功という点で最良の選択肢です。

結論

結論として、吸着材と吸収材を区別することは、様々な用途に有効利用するために重要である。目的によって、表面現象である吸着とバルクレベルで起こる吸収は、そのメカニズムや特性が異なる。

効率的で持続可能なソリューションの必要性から、吸着剤および吸収剤の開発と最適化は、研究および技術革新の重要な分野であり続けるだろう。私たちは、このような現象とその基礎となるメカニズムに関する理解を深めることで、さまざまな分野の変化するニーズに対応し、よりクリーンで健康的かつ持続可能な未来を促進する新しい材料と技術を開発することができる。