环境功能材料2吸附与吸附材料

界面现象
相与相间的交界称为界面。
固—液，固—气、气—液、液—液
在多相体系中，界面的问题非常重要。 例如吸附、催化、润湿、乳化、破乳、起泡、 分散、消泡、絮凝、聚沉等现象，都与界面密 切相关，都是界面现象。
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表面自由能
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吸附原理的微观表达
吸附质在表面层富集的现象
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比表面积 = 表面积/质量（体积） m2/g， m2/m3 比表面积越大，吸附能力越强。
怎样才能增加比表面积？
（1）形成孔结构 （2）转变为粉末
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多孔结构的概念
无孔结构固体： 很小的比表面积
微粒: 微粒尺寸越小
比表面积越大
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多孔固体: 较大的比表面积, 孔 尺寸，孔体积
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微孔的半径r相当于被吸附分子的大小。在一般的 活性炭中，微孔的容积为 0.20-0. 60cm3/g，约 占活性炭总比表面积的90%以上，即数百m2/g,甚 至超过10002/g，所以它在很大程度上决定着活性 炭的吸附能力。
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2.中孔（过渡孔）
中孔：是那些能发生毛细凝聚使被吸附物质液化而形成 弯液面，从而在等温线上出现滞后回线的孔隙。它的容 积在0.02-0. 1cm3/g，占总比表面积的5%，一般在2070m2/g。 中孔（过渡孔）的有效半径要比被吸附分子大得多，它 的作用是捕捉有机蒸汽，为吸附物分子进人微孔的通道 ，法用制来得吸过附渡大孔分特子别物发质达，的常糖用用于炭溶.以液除的去脱溶色液如中用分Zn子Cl较2 大的有色杂质或呈胶体分散的颗粒。化学法制得活性炭 的过渡孔容积可达0.7cm3/g，它的比表面积达200-450 2m/g。
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（1）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中 的水分脱到痕量，再聚合。
（2）气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如 在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性 炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有 价值的溶剂。
（3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制 取。
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物理吸附
吸附剂
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吸附质
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化学吸附：指吸附剂与吸附质之间发生化学作 用，生成化学键引起的吸附，在吸附过程中不 仅有引力，还运用化学键的力，因此吸附能较 大，要逐出被吸附的物质需要较高的温度，而 且被吸附的物质即使被逐出，也已经产生了化 学变化，不再是原来的物质了。
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孔结构类型
内部联通孔
闭孔
贯通孔
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非贯通孔
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三、活性炭的孔隙大小、分类和各类孔隙的特 点和性质
根据空隙的大小，分为大孔、微孔和介于大孔 微孔之间的中孔(又称过渡孔)。
1972年国际精细应用化学联合会(IUPAC)根据 苏联学者杜宾宁的划分对活性炭的空隙作了以 下的分类:
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化学吸附
吸附剂
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吸附质
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表1 物理吸附和化学吸附比较
物理吸附
化学吸附
作用力
范德华力
化学键
现象 热效应 吸附方式 解吸结果 吸附过程
类似于冷凝 近似于冷凝热 单分子层或多分子层 吸附质能还原 可逆，速度快
类似于化学反应 近似于化学反应热 一般为单分子层 吸附质不能还原
不可逆
吸附与比表面积
（4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、 芳香烃馏分的分离。
（5）废气和废水的处理，如垃圾焚烧尾气中去除有害 气体，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。
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物理吸附与化学吸附
物理吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力是范 德华力，包括静电力诱导力和色散力。
在吸附过程中物质不改变原来的性质，因此吸 附能小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活 性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸 附的气体逐出活性炭表面。
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✓ 吸附质(adsorbate) —— 被吸着和浓缩的物质
✓ 吸附剂(adsorbent) —— 具有选择性吸着溶质的 多孔表面固体
例子：用活性炭从废水中去除红色染料
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实际上，人们很早就发现并利用了吸附现象， 如生活中用木炭脱湿和除臭等。随着新型吸附 剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究， 吸附分离过程显示出节能、产品纯度高、可除 去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一 过程在化工、医药、食品、轻工、环保等行业 得到了广泛的应用。
孔隙大小和分类
IUPAC分类
法(国际精 细应用化 学联合会)
微孔
孔隙直径或孔宽小 于2nm
过渡孔
大孔
孔隙直径或孔宽 孔隙直径或孔宽
小于2-50nm
：大于50 nm
2 nm
50 nm
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孔隙各有它们的特殊作用
1. 微孔：所谓微孔，就是在相当于滞后开始时的相对 压力下已经被完全充填的那些孔隙。
第2章 吸附材料
7.1 吸附原理 7.2 活性炭 7.3 沸石
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1. 吸附定义
✓吸附(adsorption)
当两相组成一个体系时，其组成在两相 界面(Interface)与相内部是不同的，处在两相 界面处的成分产生了积蓄(浓缩)。这种现象称 为吸附。
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中孔的作用：
①在足够高的压力下按毛细凝聚的机理吸附物质蒸 气;
②作为被吸附物质达到微孔的通道;
③在液相吸附中对大分子的物质有很好的吸附效果 。大孔的孔容通常在0.2-0.8 cm3/g，比表面积最小 0.5-2.0 m3/g，主要起通道作用。
当活性炭用作催化剂载体时，催化剂主要是沉积在 中孔和大孔内，但也有沉积在微孔内的。
但是，这些大孔起着输送渠道的作用，当活性炭用作催化 剂载体时，较大的孔隙作为催化剂沉积的场所可能是有用 的。
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吸附剂（吸附材料）
工业上常用的吸附剂 —— 活性碳、沸石分子筛、硅胶 和活性氧化铝。
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3.大孔
活性炭的大孔容积通常在0.2-0.8 cm3/g，它的比表面积只 0.5-2 m2/g。半径大于1000-2000 nm的孔隙。
在这样大的孔隙内技术上是不能 实现毛细凝聚的。比表 面的数值这样小，表明它在吸附中不会起明显作用，一般 都不希望有，因它会降低活性炭的充填比重和强度。