標籤:吸附吸收

物體(固、液體)表面吸收周圍介質中其他物質的分子(如各種無機離子、有機極性分子、氣體分子等)的性能。溫石棉由於力場強度和內表面積大,故有很大的吸附能力。石棉纖維吸附性是石棉濕紡和生產石棉水泥製品的重要物性特徵。

1吸附性

物質從體相濃集到界面上的一種性質。例如,氣相中的某些物質可以在固體表面上濃集;液體中某些物質可以在氣-液界面、液—液界面和固—液界面上濃集。通常把能有效吸附其他物質的固體稱為吸附劑,被吸附的物質稱為吸附質。 分類根據不同的角度,可以有不同的分類方法,但主要分類方法有兩種。一種是依據吸附劑與吸附質之間作用力的性質,可將吸附作用分為物理吸附和化學吸附。
物理吸附 不具選擇性,在吸附過程中沒有電子的轉移,沒有化學鍵的生成和破壞,沒有原子的重排等反應,產生的吸附只是分子間的引力,吸附過程中吸附速率和解吸速率都很快,且不受溫度的影響。此類吸附實質是一種物理作用。
化學吸附 具選擇性,一些吸附劑只對某些吸附質產生吸附作用,其吸附熱差不多和化學反應熱處在同一數量級,它的吸附速率和解吸速率都很小,而且隨溫度升高吸附(解吸)速率增加。這類吸附一般都需要一定的活化能,被吸附分子與吸附表面的作用力和化合物中原子間的作用力相似。這種吸附實質上是一種化學反應。
另一種分類方法是根據吸附的界面不同,主要有溶液表面吸附、固—液界面吸附、固—氣界面吸附等。
溶液表面的吸附 水的表面張力因加入溶質形成溶液而改變,有些溶質加入后能使溶液的表面張力降低,另一些溶質加入后則會使溶液的表面張力升高。若所加入的溶質能降低表面張力,則溶質力圖濃集在表面層上以降低體系的表面能;反之,當溶質使表面張力升高時,則表面層中的濃度比內部的濃度低,這種溶液表面層的組成與本體溶液的組成不同的現象稱為表面層發生了吸附作用。在溶液表面層上溶質的濃度可以大於、等於或小於溶液內部的濃度,分別對應著正吸附、不吸附和負吸附。
根據實驗,水溶液中表面張力隨溶質濃度變化曲線大致分為三類,如圖1:
1876年,吉布斯用熱力學方法求得定溫下溶液的濃度、表面張力和吸附量之間的關係,稱為吉布斯公式:
式中 a2——溶液中溶質的活度;
γ——溶液的表面張力;
——溶質的表面超量。
從吉布斯公式可知:①若dγ/da<0,即增加溶質活度使溶液的表面張力降低者, 為正值,是正吸附。表面活性物質就是屬於此情況;②若dγ/da2>0,即增加溶質活度使溶液的表面張力升高者, 為負值,非表面活性物質就是屬於此情況,無機強電解質和高度水化的有機物如蔗糖等都有此性質。由於吉布斯公式的推導過程中,對所考慮的組分及界面沒有附加限制條件,所以在原則上對於任何兩相的體系都可以適用。
固—氣界面的吸附 處在固體表面的原子,由於周圍原子對它的作用力不對稱,即原子所受的力不飽和,因而有剩餘力場,可以吸附氣體分子,使固體界面上的氣體濃度增加,這種現象稱為固—氣界面的吸附。
對於一個給定的體系,達到平衡時的吸附量與溫度及氣體的壓力有關,其中在一定溫度下平衡吸附量與吸附質濃度的關係稱為吸附等溫線。吸附等溫線有多種形式,經過一定的數學處理得到吸附等溫線方程,利用這些方程可以給出有關吸附量、吸附質和吸附過程特點等有用的信息。綜合大量實驗結果,氣體吸附等溫線主要有五種類型,見圖2。這些吸附等溫線反映了吸附劑的表面性質有所不同,孔分佈性質及吸附質和吸附劑的相互作用也不同。因此由吸附等溫線的類型反過來可以了解一些吸附劑表面性質、孔分佈性質以及吸附質和吸附劑相互作用的情況。
式中 a——平衡濃度為c時的吸附量;
am——單分子層飽和吸附量;
b、k和n——常數。
影響固體在溶液中吸附的因素很多,一般可從溶質、溶劑和吸附劑三者之間的關係考慮。對於小的有機和無機物分子,若以分子狀態吸附時至少有以下規律:①稀溶液時,隨著濃度增加,固—液界面自由能降低多的溶質吸附量大,這就是特勞貝規則;②吸附與溶解是性質相反的過程,故溶解度越小越容易被吸附;③吸附是放熱過程,溫度升高一般對吸附不利,即溫度升高吸附量下降;④極性吸附劑容易從極性弱的溶劑中吸附極性強的溶質;非極性吸附劑容易從極性強的溶劑中吸附極性弱的溶質。其他如溶質的分子結構、溶劑的性質、吸附劑的製備條件等都對吸附有影響。
固體從溶液中吸附電解質有三種情況:①有些電解質(如弱電解質)以分子狀態吸附,其吸附規律與小分子吸附相似;②有的固體在中性鹽水溶液中吸附時,溶液的pH值發生變化,就像鹽類發生了水解,固體有選擇地吸附酸或鹼,這種吸附稱為水解吸附;③電解質在溶液中解離后某種離子被固體吸附,另一種反離子處於固體表面附近的擴散層中,這些反離子可以被與其同號的離子所交換。有些離子直接與固體骨架上的某些離子發生交換作用,這兩種因固體吸附而發生的交換過程統稱為離子交換吸附。離子交換吸附在土壤學和工業上有著重要應用。
固體從溶液中吸附大分子遠比小分子複雜,每個大分子可有若干個吸附點,因而在較小濃度時吸附量上升很快,許多大分子吸附等溫線服從蘭格繆爾等溫式。由於大分子分子量大,在多孔性固體上吸附時有小孔分子不能進入,故分子量增加,吸附量反而減小。溶劑、吸附劑的性質等對大分子的吸附也有影響。 

2應用

中國勞動人民很早就知道新燒好的木炭有吸濕、吸臭的性能,在湖南長沙馬王堆一號墓里就是用木炭作為防腐劑和吸濕劑的。近幾十年來有關吸附性的應用越來越廣,人們利用吸附回收少量的稀有金屬,對混合物進行分離、提純,回收溶劑,處理污水,凈化空氣以及進行吸附色譜等。分子篩富氧就是利用某些分子篩優先吸附氮的性質,從而提高空氣中氧的濃度等等。在催化領域中關於吸附的研究和應用,對工農業生產和國民經濟具有特別重要的意義。
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