第三章3.3 吸附作用详解

（1）几个基本概念 吸附剂(Sorbent ): 凡能吸附液相中溶解离子的固 体均成为吸附剂。
粘土矿物，铁、铝和锰的氧化物或氢氧化物，有机物， 吸附剂所吸附的溶解离 子称为吸附质。
离子交换容量（EC）：表征吸附剂吸附能力的参数。 分为，阳离子交换容量（CEC）和阴离子交换容量 （AEC） 阳离子交换容量（Cation Exchange Capacity）： 每百克干土（岩）所含的全部交换性阳离子的 毫克当量数。单位为：meq/100g 通常都是通过实验来测定吸附剂的阳离子交换容量。 由于样品中常含有多种吸附剂，形成综合吸附能力， 实验测定往往是唯一可行的方法。
如：当含Ca2+为主的地下水，进入主要吸附有Na+的岩土时，水中的 Ca2+便置换岩土所吸附的一部分Na+，使地下水中Na+增多而Ca2+减 少。
F->PO43->HPO42->HCO3->H2BO3->SO42->Cl->NO3（Cl-和NO3-最不易被吸附）
5 零点电位pH值（pHzpc）
低pH值条件下，固体表面形成表面正电荷，吸附阴离子： S—OH + H+ ←→ S—OH2+
Substitution for a cation in a mineral by one of lesser positive charge. This type of charge is considered to be fixed.
This negative charge can be balanced by the sorption of cations from solution.
4 离子吸附能力(离子吸附亲和力)大小顺序：
H+>Fe3+> Al3+>Ca2+> Mg2+>K+> Na+
离子价越高，吸附能（力）越强； 电价相同，吸附能（力）随离子水化半径的减小而增大 。 H+的特殊性， H+越多，对其它阳离子的阻力越强。 当地下水中某种离子的相对浓度增大，则该离子置换岩土 所吸附离子的能力也随之增大。
固体表面电荷的形成的两种主要方式 ：
同晶代换； 表面络合作用
（1）同晶代换：在粘土矿物晶格的形成过程中，部分晶
格中的中央离子，被其它价数的直径大小相近的阳离子取代。 如四面体中央的Si4+被Al3+代替，八面体中央的Al3+被Mg2+代 替，就产生了剩余的负电荷。 所产生的负电荷位于硅酸盐层的晶格中，不受外界溶液（水 溶液pH值及其成分）的影响，称为永久电荷或层电荷。
物理化学吸附
吸附在颗粒表面的离子, 在一定条件下, 可被液体中另一 种离子所替换, 因此物理化学吸附又称“离子交换”。
化学吸附
液相中的离子依靠键力强的化学键、憎水键、氢键结合 到固体表面的吸附叫化学吸附，是一种不可逆反应。
2
离子交换吸附（Ion Exchange Adsorption）
岩土颗粒表面带有负(或正)电荷，能够吸附阳(或阴)离 子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳(或阴)离 子，而将其原来吸附的部分阳(或阴) 离子转入地下水中， 这一过程叫离子交换吸附作用。
3 影响岩土的吸附能力的因素 :
吸附剂的种类 : 2:1 粘土矿物（蒙脱石、伊利石）、1:1 粘土矿物（高岭土）、有机质、氧化物、氢氧化物（土 壤、砂）。 岩土的比表面积 (颗粒愈细，比表面积愈大，CEC越高 )


pH值：一般来说，随着水溶液pH值的增加，土壤表面 的可变负电荷量增多，其CEC相应增加。
通过络合反应在固体表面形成的电荷可随着水溶液pH值及 其成分的变化而变化。
把以这种方式在固体表面所形成的电荷称为可变电荷 （Variable Charge）。
氢氧化物、高岭石等粘土矿物、一些有机质能够在 其表面形成可变电荷。
有机质表面的负电荷
吸附的三种主要种类： 物理吸附
由于固体表面带电荷, 固体颗粒表面靠静电引力吸附液 相异性离子的现象。
粘土矿物 绿泥石 伊利石
CEC（meq/100g） 10～40 10～40 砂
土壤
CEC（meq/100g） 2～ 7 2～18
砂质肥土
高岭石 蒙脱石
蛭石 氧化物及氢氧 化物 土壤有机质
3～15 80～150
100～150 2～ 6 >200
肥土 粉沙质肥土
粘土质肥土 粘土
8～22 9～27
4～32 5～60
3.3 吸附作用
吸附：指水中的溶质通过表面作用附着到固体表面上的过程 ； 解吸：被吸附的溶质离开固体表面并重新进入水溶液的过程。
是固-液表面发生的一种普遍现象，是一种重要的界面过程。
吸附在地下水化学成分的形成和演化过程中起了重要的作用。
一、吸附作用
1、吸附机理和种类
固体为什么能够对地下水中的溶质产生吸附作用？
矿物表面形成电荷.
低pH值条件下，矿物表面的羟基可与水溶液中的H+通过发 生络合作用, 在固体表面形成表面正电荷： S—OH + H+ ←→ S—OH2+ 随着pH值的升高，H+将重新返回到溶液中，这时矿物表面 的羟基甚至可通过下式离解出其原有的H+，进而在固体 表面形成负电荷： S—OH + OH- ←→ S—O- + H2O
较高pH值条件下，固体表面形成表面负电荷，吸附阳离子：
Only 2:1 clay minerals (e.g., smectites, illite ) can acquire significant fixed charge through ionic substitutions.
（2）表面络合作用:
1:1 clay minerals such as kaolinite do not generally exhibit much ionic substitution. Thus, 1:1 clay minerals do not possess fixed surface charge. They may acquire variable surface charge through surface complexation reactions. 通过矿物表面的功能团与水中离子间的化学反应在