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1概述

吸附等溫曲線是指在一定溫度下溶質分子在兩相界面上進行的吸附過程達到平衡時它們在兩相中濃度之間的關係曲線。在一定溫度下,分離物質在液相和固相中的濃度關係可用吸附方程式來表示〔1〕。作為吸附現象方面的特性有吸附量、吸附強度、吸附狀態等,而宏觀地總括這些特性的是吸附等溫線〔2〕。吸附等溫曲線用途廣泛,在許多行業都有應用。在地質科學方面,可以用於基於吸附等溫線的表面分形研究及其地球科學應用〔3〕;在煤炭方面,煤對混合氣體中CH4和CO2的吸附呈現出不同的吸附特點;煤對CO2優先吸附,並且隨著壓力的升高,煤對CO2選擇性吸附…

2食品中的吸附等溫線

在一定溫度下,反映食品物料中水分活性與水分含量關係的平衡曲線稱為吸附等溫線

3吸附等溫線平衡

在恆定溫度下,對應一定的吸附質壓力,固體表面上只能存在一定量的氣體吸附。通過測定一系列相對壓力下相應的吸附量,可得到吸附等溫線。吸附等溫線是對吸附現象以及固體的表面與孔進行研究的基本數據,可從中研究表面與孔的性質,計算出比表面積與孔徑分佈。
吸附等溫線有以下六種(圖 1)。前五種已有指定的類型編號,而第六種是近年補充的。吸附等溫線的形狀直接與孔的大小、多少有關。
吸附等溫線
Ⅰ型等溫線:Langmuir 等溫線
相應於朗格繆單層可逆吸附過程,是窄孔進行吸附,而對於微孔來說,可以說是體積充填的結果。樣品的外表面積比孔內表面積小很多,吸附容量受孔體積控制。平台轉折點對應吸附劑的小孔完全被凝聚液充滿。微孔硅膠、沸石、炭分子篩等,出現這類等溫線。
這類等溫線在接近飽和蒸氣壓時,由於微粒之間存在縫隙,會發生類似於大孔的吸附,等溫線會迅速上升。
Ⅱ型等溫線:S 型等溫線
相應於發生在非多孔性固體表面或大孔固體上自由的單一多層可逆吸附過程。在低P/P0處有拐點B,是等溫線的第一個陡峭部,它指示單分子層的飽和吸附量,相當於單分子層吸附的完成。隨著相對壓力的增加,開始形成第二層,在飽和蒸氣壓時,吸附層數無限大。
這種類型的等溫線,在吸附劑孔徑大於 20nm時常遇到。它的固體孔徑尺寸無上限。在低P/P0區,曲線凸向上或凸向下,反映了吸附質與吸附劑相互作用的強或弱。
Ⅲ型等溫線:在整個壓力範圍內凸向下,曲線沒有拐點 B
在憎液性表面發生多分子層,或固體和吸附質的吸附相互作用小於吸附質之間的相互作用時,呈現這種類型。例如水蒸氣在石墨表面上吸附或在進行過憎水處理的非多孔性金屬氧化物上的吸附。在低壓區的吸附量少,且不出現 B 點,表明吸附劑和吸附質之間的作用力相當弱。相對壓力越高,吸附量越多,表現出有孔充填。有一些物系(例如氮在各種聚合物上的吸附)出現逐漸彎曲的等溫線,沒有可識別的 B點.在這種情況下吸附劑和吸附質的相互作用是比較弱的。
Ⅳ型等溫線:
低P/P0區曲線凸向上,與Ⅱ型等溫線類似。在較高P/P0區,吸附質發生毛細管凝聚,等溫線迅速上升。當所有孔均發生凝聚后,吸附只在遠小於內表面積的外表面上發生,曲線平坦。在相對壓力 1 接近時,在大孔上吸附,曲線上升。
由於發生毛細管凝聚,在這個區內可觀察到滯后現象,即在脫附時得到的等溫線與吸附時得到的等溫線不重合,脫附等溫線在吸附等溫線的上方,產生吸附滯后(adsorption hysteresis),呈現滯后環。這種吸附滯后現象與孔的形狀及其大小有關,因此通過分析吸脫附等溫線能知道孔的大小及其分佈。
V型等溫線的特徵是向相對壓力軸凸起。與III型等溫線不同,在更高相對壓力下存在一個拐點。V型等溫線來源於微孔和介孔固體上的弱氣-固相互作用,微孔材料的水蒸汽吸附常見此類線型。
VI型等溫線以其吸附過程的台階狀特性而著稱。這些台階來源於均勻非孔表面的依次多層吸附。液氮溫度下的氮氣吸附不能獲得這種等溫線的完整形式,而液氬下的氬吸附則可以實現。
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