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吸附劑及其作用機(jī)理研究與探討

發(fā)布時(shí)間:2019-12-12 15:09

關(guān)鍵詞: 吸附劑 作用機(jī)理 活性炭

1 前言

任何一對(duì)原子(或分子)間均有相互吸引的作用。如果一對(duì)原子有一方是固體表面原子,另一方是氣體分子,那它們相互作用的結(jié)果是將氣體束縛于固體表面或使被束縛分子與氣體體相內(nèi)的分子成某種動(dòng)態(tài)平衡。這種氣體分子在固體表面上發(fā)生的滯留現(xiàn)象稱為氣體在固體表面的吸附作用。換言之,氣體在固體上的的吸附作用是發(fā)生在兩相界面上的行為,使氣相中的某種組分在此界面上濃集。吸附作用使固體表面能降低,因而吸附過(guò)程是自發(fā)過(guò)程。

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中,吸附現(xiàn)象是普遍存在的。為了研究方便,通常將被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì),能有效地吸附吸附質(zhì)的物質(zhì)稱為吸附劑。吸附質(zhì)可以是氣體、蒸氣和液體,吸附劑大多為多孔性大比表面積的固體。

本文將全面敘述與探討吸附劑的作用機(jī)理和物理性質(zhì),并對(duì)幾種常見(jiàn)的吸附劑予以介紹。

2 吸附劑的作用機(jī)理

吸附是一種建立在分子擴(kuò)散基礎(chǔ)上的物質(zhì)表面現(xiàn)象。以固體表面和吸附分子間作用力的性質(zhì)區(qū)分,吸附作用大致可分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附。

2.1 物理吸附

有關(guān)物理吸附的許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,物理吸附具有吸附熱較小、吸附速度快、吸附無(wú)選擇性、吸附可以是多層的等特點(diǎn)。因此人們認(rèn)為引起物理吸附的力是普遍存在于各種原子和分子之間的范德華力。范德華力來(lái)源于原子與分子間的取向力、誘導(dǎo)力和色散力三種作用。

極性分子可視作偶極子,其極性用偶極矩μ=qd來(lái)衡量,即正或負(fù)電荷電量(q)與電荷中心間距d的乘積。μ=0的分子為非極性分子,μ越大,分子極性越大。測(cè)定分子偶極矩是確定分子結(jié)構(gòu)的一種實(shí)驗(yàn)方法。德拜因創(chuàng)立此方法而榮獲1936年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。極性分子相互靠近時(shí),因分子的固有偶極之間同極相斥異極相吸,使分子在空間按一定取向排列,使體系處于更穩(wěn)定狀態(tài)。這種極性分子之間靠永久偶極與永久偶極作用稱為取向力,其實(shí)質(zhì)是靜電力。

在極性分子和非極性分子之間,由于極性分子偶極所產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)非極性分子發(fā)生影響,使非極性分子電子云變形(即電子云被吸向極性分子偶極的正電的一極),結(jié)果使非極性分子的電子云與原子核發(fā)生相對(duì)位移,本來(lái)非極性分子中的正、負(fù)電荷重心是重合的,相對(duì)位移后就不再重合,使非極性分子產(chǎn)生了偶極。這種電荷重心的相對(duì)位移叫做“變形”,因變形而產(chǎn)生的偶極,叫做誘導(dǎo)偶極,以區(qū)別于極性分子中原有的固有偶極。這種由于誘導(dǎo)偶極與永久偶極作用稱為誘導(dǎo)力。在極性分子和極性分子之間,除了取向力外,由于極性分子的相互影響,每個(gè)分子也會(huì)發(fā)生變形,產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。其結(jié)果使分子的偶極矩增大,既具有取向力又具有誘導(dǎo)力。因此誘導(dǎo)力既存在于極性分子與非極性分子之間, 也存在于極性分子與極性分子之間。

由于分子中電子和原子核不停地運(yùn)動(dòng),非極性分子的電子云的分布呈現(xiàn)有漲有落的狀態(tài),從而使它與原子核之間出現(xiàn)瞬時(shí)相對(duì)位移、產(chǎn)生了瞬時(shí)偶極,分子也因而發(fā)生變形。分子中原子數(shù)愈多、原子半徑愈大,電子數(shù)愈多,分子愈易變形。瞬時(shí)偶極可使其相鄰的另一非極性分子產(chǎn)生瞬時(shí)誘導(dǎo)偶極,且兩個(gè)瞬時(shí)偶極總采取異極相鄰狀態(tài),這種隨時(shí)產(chǎn)生的分子瞬時(shí)偶極間的作用力為色散力(因其作用能表達(dá)式與光的色散公式相似而得名)。雖然瞬時(shí)偶極存在暫短,但異極相鄰狀態(tài)卻此起彼伏,不斷重復(fù),因此分子間始終存在著色散力。無(wú)疑,色散力不僅存在于非極性分子間,也存在于極性分子間以及極性與非極性分子間。色散力存在于一切分子之間。色散力與分子的變形性有關(guān),變形性越強(qiáng)越易被極化,色散力也越強(qiáng)。稀有氣體分子間并不生成化學(xué)鍵,但當(dāng)它們相互接近時(shí),可以液化并放出能量,就是色散力存在的證明。

另外,還有一種較強(qiáng)的特殊的范德華力叫氫鍵。氫鍵的形成是由于氫原子和電負(fù)性較大的X原子(如F、O、N原子)以共價(jià)鍵結(jié)合后,共用電子對(duì)強(qiáng)烈地偏向X原子,使氫核幾乎“裸露”出來(lái)。這種“裸露”的氫核由于體積很小,又不帶內(nèi)層電子,不易被其他原子的電子云所排斥,所以它還能吸引另一個(gè)電負(fù)性較大的Y原子(如F、O、N原子)中的孤對(duì)電子云而形成如X-H…Y形的氫鍵。

從上敘述可知,非極性分子之間只有色散力;非極性分子與極性分子之間有誘導(dǎo)力和色散力;極性分子之間有取向力、誘導(dǎo)力和色散力。這些作用力的總和稱為分子間力,其大小和分子間距離的6次方成反比,一般作用范圍在300~500pm之間。

由上分析可知:物理吸附通??梢赃M(jìn)行的很快,并且是可逆的,被吸附的顆粒在一定條件下又可以脫附。物理吸附是放熱過(guò)程,吸附熱與氣體的液化熱相近。物理吸附可以在任何兩相界面上發(fā)生,即物理吸附無(wú)選擇性;但當(dāng)吸附劑孔徑的大小限制了某些分子進(jìn)入時(shí),也可呈現(xiàn)選擇性吸附。物理吸附可以是單層的,也可以是多層的,這是因?yàn)樵谝粚游降姆肿由先杂蟹兜氯A力的作用。

物理吸附常用于脫水、脫氣、溶劑的凈化與組分的分離等等。

2.2 化學(xué)吸附

化學(xué)吸附的吸附力是化學(xué)鍵力。化學(xué)鍵是指分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個(gè)或多個(gè)原子(或離子)間強(qiáng)烈的相互作用力的統(tǒng)稱?;瘜W(xué)鍵主要有三種基本類型,即離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。

離子鍵是由電子轉(zhuǎn)移(失去電子者為陽(yáng)離子,獲得電子者為陰離子)形成的,即正離子和負(fù)離子之間由于靜電引力所形成的化學(xué)鍵。離子鍵的作用力強(qiáng),無(wú)飽和性,無(wú)方向性。

共價(jià)鍵的形成是相鄰兩個(gè)原子之間自旋方向相反的電子相互配對(duì),此時(shí)原子軌道相互重疊,兩核間的電子云密度相對(duì)地增大,從而增加對(duì)兩核的引力。共價(jià)鍵的作用力很強(qiáng),有飽和性與方向性。因?yàn)橹挥凶孕较蛳喾吹碾娮硬拍芘鋵?duì)成鍵,所以共價(jià)鍵有飽和性;另外,原子軌道互相重疊時(shí),必須滿足對(duì)稱條件和最大重疊條件,所以共價(jià)鍵有方向性。共價(jià)鍵又可分為三種:非極性共價(jià)鍵、極性共價(jià)鍵、配位鍵。

由于金屬晶體中存在著自由電子,整個(gè)金屬晶體的原子(或離子)與自由電子形成化學(xué)鍵。這種鍵可以看成由多個(gè)原子共用這些自由電子所組成,所以有人把它叫做改性的共價(jià)鍵。對(duì)于這種鍵還有一種形象化的說(shuō)法:“好象把金屬原子沉浸在自由電子的海洋中”。金屬鍵沒(méi)有方向性與飽和性。

由于固體表面存在不均勻力場(chǎng),表面上的原子往往還有剩余的成鍵能力,當(dāng)吸附質(zhì)分子碰撞到吸附劑表面上時(shí)便與表面原子間發(fā)生電子的交換、轉(zhuǎn)移或共有,形成吸附化學(xué)鍵的吸附作用。

與物理吸附相比,化學(xué)吸附主要有以下特點(diǎn):吸附所涉及的力,是比范德華力強(qiáng)得多的化學(xué)鍵力;吸附是單分子層的,因此可用朗繆爾等溫式描述;因?yàn)榛瘜W(xué)鍵成鍵具有選擇性,因而化學(xué)吸附也具有選擇性;化學(xué)吸附速度與化學(xué)反應(yīng)類似,需要活化能的化學(xué)吸附常常需要在較高的溫度下才能以較快的速度進(jìn)行;其吸附熱近似等于化學(xué)反應(yīng)熱,大多為放熱反應(yīng);化學(xué)吸附對(duì)溫度和壓力具有不可逆性,解吸困難。

化學(xué)吸附是發(fā)生多項(xiàng)催化反應(yīng)的前提,并且在多種學(xué)科中有廣泛的應(yīng)用。

2.3 離子交換吸附

吸附質(zhì)的離子由于靜電引力聚集到吸附劑表面的帶電點(diǎn)上,同時(shí)吸附劑也放出一個(gè)等當(dāng)量離子,這種吸附稱為離子交換吸附。其特征為:離子所帶電荷越多,吸附越強(qiáng);電荷相同的離子,其水化半徑越小,越易被吸附。

在吸附劑實(shí)際的吸附過(guò)程中,物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附并不是孤立的,往往同時(shí)發(fā)生,應(yīng)用中的大多數(shù)吸附現(xiàn)象往往是上述三種吸附作用的綜合結(jié)果,即幾種造成吸附作用的力常常相互起作用。但由于吸附質(zhì)、吸附劑及其他因素的影響,可能某種吸附是主要的。

2.4 吸附過(guò)程

因應(yīng)用中的吸附劑大多為多孔性具有大比表面積的固體,吸附質(zhì)從溶劑進(jìn)入吸附劑的微孔內(nèi)部并發(fā)生吸附,也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。以活性炭對(duì)水中雜質(zhì)的吸附為例,吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附過(guò)程可分為三個(gè)階段:第一階段稱為顆粒外部擴(kuò)散(又稱液膜擴(kuò)散)階段:在吸附劑顆粒周圍存在著一層固定的溶劑薄膜,當(dāng)溶液與吸附劑作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),這層溶劑薄膜不隨溶液一同移動(dòng),吸附質(zhì)首先通過(guò)這個(gè)薄膜才能到達(dá)吸附劑的外表面,所以吸附速度與液膜擴(kuò)散速度有關(guān);第二階段稱為顆粒內(nèi)部擴(kuò)散階段:在此階段,經(jīng)液膜擴(kuò)散到吸附劑表面的吸附質(zhì)向細(xì)孔深處擴(kuò)散;第三階段稱為吸附反應(yīng)階段,在此階段,吸附質(zhì)被吸附在細(xì)孔內(nèi)表面上,此階段一般進(jìn)行的很快。吸附速度與吸附過(guò)程的三個(gè)階段進(jìn)行得快慢有關(guān),由于第三階段進(jìn)行的較快,所以吸附速度主要由顆粒外部擴(kuò)散速度和顆粒內(nèi)部擴(kuò)散速度來(lái)控制。

在微孔內(nèi)部,當(dāng)吸附質(zhì)分子逐漸接近吸附劑表面時(shí),它們之間的作用勢(shì)能隨其間距離的大小而變化。作用勢(shì)能與距離間的變化關(guān)系即勢(shì)能曲線可以計(jì)算出來(lái)。下面以雙原子分子H2在吸附劑Ni上的吸附為例,其物理吸附和化學(xué)吸附的勢(shì)能曲線如下圖所示。曲線I是吸附質(zhì)分子H2被吸附劑Ni物理吸附的勢(shì)能曲線。在P點(diǎn)發(fā)生物理吸附能槽的深度即為物理吸附熱Qp,此時(shí)吸附質(zhì)分子與吸附劑表面距離相當(dāng)大,尚未發(fā)生電子云重疊。曲線II是吸附質(zhì)分子發(fā)生解離被吸附劑化學(xué)吸附的勢(shì)能曲線,在C點(diǎn)發(fā)生化學(xué)吸附,能槽深度為化學(xué)吸附熱Qc?;瘜W(xué)吸附熱比物理吸附熱大得多?;瘜W(xué)吸附時(shí)被吸附物與固體表面的距離比物理吸附時(shí)近。發(fā)生物理吸附的分子繼續(xù)靠近固體表面,因電子云重疊而使勢(shì)能急劇升高,能量達(dá)N點(diǎn)時(shí)有可能發(fā)生化學(xué)吸附。能壘Ea是與表面形成化學(xué)鍵所需的能量,即為化學(xué)吸附活化能。從化學(xué)吸附狀態(tài)變?yōu)槲锢砦綘顟B(tài)需翻越能壘Ed(=Ea+Qc),Ed成為脫附活化能。當(dāng)曲線I沿橫軸正方向延伸時(shí),其水平漸進(jìn)線與橫軸的距離即為分子的解離能。由圖可知,在吸附過(guò)程中,物理吸附是化學(xué)吸附的前奏,而且是使化學(xué)吸附得以順利進(jìn)行的重要因素。

3 吸附劑的物理性質(zhì)

絕大多數(shù)吸附劑如活性炭、硅膠、硅藻土等都是多孔性物質(zhì),這些孔是由組成吸附劑的微粒堆成的??椎男螤钋ё税賾B(tài)極為復(fù)雜,如硅膠剖面的電子顯微鏡照片上可看到圓形、橢圓形、三角形、啞鈴形及各種不規(guī)則形狀的孔。由于多孔性,吸附劑一般具有很大的內(nèi)表面(即由毛細(xì)管壁或微孔內(nèi)壁組成的表面)。吸附作用除與吸附劑和吸附質(zhì)本身的化學(xué)特性有關(guān)外,也與吸附劑的結(jié)構(gòu)特性緊密相關(guān)。故表征吸附劑性能好壞的參數(shù),主要有孔徑、比表面積、密度、孔隙率、孔積等等,下面一一予以介紹:

3.1 孔徑

孔徑是吸附劑顆粒內(nèi)孔的直徑,目前多用單位埃米來(lái)表示。在吸附劑內(nèi),孔的形狀極不規(guī)則,孔隙大小也各不相同。直徑在數(shù)埃至數(shù)十埃的孔稱為細(xì)孔,直徑在數(shù)百埃以上的孔稱為粗孔。細(xì)孔愈多,則孔容愈大,比表面也大,有利于吸附質(zhì)的吸附。粗孔的作用是提供吸附質(zhì)分子進(jìn)入吸附劑的通路,所以粗孔也應(yīng)占有適當(dāng)?shù)谋壤??;钚蕴亢凸枘z之類的吸附劑中粗孔和細(xì)孔是在制造過(guò)程中形成的。沸石分子篩在合成時(shí)形成直徑為數(shù)微米的晶體,其中只有均勻的細(xì)孔,成型時(shí)才形成晶體與晶體之間的粗孔。

3.2 比表面積

質(zhì)量面積之和稱為吸附劑的表面積。比表面積就是單位質(zhì)量吸附劑所具有的總的表面積,常用單位是m2/g。吸附劑表面積每克有數(shù)百至千余平方米。顆粒內(nèi)孔穴的表面積占吸附劑表面積99%以上。

3.3 密度

吸附劑的密度是一個(gè)重要的參數(shù),其大小直接影響著吸附分離工藝操作條件。吸附劑的密度分為真密度、顆粒密度和堆積密度三種:

吸附劑都是固體顆粒,其內(nèi)部具有大量微孔和孔道。吸附劑顆粒內(nèi)的孔穴所占有的體積稱為孔穴體積;顆粒骨架所占有的體積稱為骨架體積;孔穴體積與骨架體積之和稱為吸附劑的體積。真密度是指單位骨架體積的吸附劑所具有的質(zhì)量。顆粒密度又稱視密度,它是指單位體積吸附劑所具有的質(zhì)量。堆積密度又稱為填充密度,是指單位吸附床層體積內(nèi)所填充的吸附劑的質(zhì)量。

3.4 孔隙率

 吸附劑的孔穴體積占吸附劑體積的百分率稱為吸附劑的孔隙率。單位體積吸附劑,孔隙率越大,其吸附容量一般越大。

3.5 孔容

吸附劑中微孔的容積稱為孔容,通常以單位質(zhì)量吸附劑中微孔的容積來(lái)表示(cm3/g)。孔容是吸附劑的有效體積,它是用飽和吸附量推算出來(lái)的值,也就是吸附劑能容納吸附質(zhì)的體積,所以孔容以大為好。吸附劑的孔體積不一定等于孔容,因?yàn)槲絼┲械闹挥形⒖撞庞形阶饔茫钥兹莶话ù挚住?/span>

4 幾種常見(jiàn)的吸附劑

工業(yè)上常用的吸附劑有:硅膠、活性炭、活性氧化鋁、分子篩等,另外還有針對(duì)某種組分選擇性吸附而研制的吸附材料。下面介紹幾種常見(jiàn)的吸附劑:

4.1 硅膠

硅膠是一種堅(jiān)硬、無(wú)定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒,分子式為SiO2·nH2O,為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理硅酸鈉的水溶液以得到凝膠,并將其水洗以除去硫酸鈉,后經(jīng)干燥便得到透明或乳白色玻璃狀的硅膠。硅膠不溶于水等大多數(shù)溶劑,無(wú)毒無(wú)味,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,除強(qiáng)堿、氫氟酸外不與任何其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。硅膠的化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu),決定了它具有吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、較高的機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。硅膠的應(yīng)用廣泛,作為吸附劑主要用于吸濕干燥,組分分離等方面。

4.2 活性炭

活性炭是一種多孔性含炭物質(zhì),具有發(fā)達(dá)的微孔構(gòu)造和巨大的比表面積。它外觀呈暗黑色,具有良好吸附性能,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可耐強(qiáng)酸及強(qiáng)堿,能經(jīng)受水浸、高溫,密度比水小,是多孔的非極性吸附劑?;钚蕴坑辛?、柱狀、粉狀、纖維狀等形態(tài),其制備過(guò)程主要包括炭化和活化兩步:碳化也稱熱解,是在隔絕空氣的條件下對(duì)原材料加熱,一般溫度在600oC以下;活化是在有氧化劑的作用下,對(duì)碳化后的材料加熱,以生產(chǎn)活性炭產(chǎn)品。活性炭最初用于制糖業(yè),后來(lái)廣泛用于水中污染物的去除和空氣凈化等方面。它幾乎可以用含有碳的任何物質(zhì)做原材料來(lái)制造。

4.3 活性氧化鋁

氧化鋁,分子式為Al2O3,俗稱剛玉,在礦業(yè)、制陶業(yè)中又稱礬土。其剛玉型晶體接近于原子晶體,其它晶型的基本上是離子晶體。因此氧化鋁熔點(diǎn)很高、穩(wěn)定性好,可制耐火磚、坩堝、瓷器、人造寶石、軸承等,氧化鋁也是煉鋁的原料。在催化劑中使用的氧化鋁通常稱為“活性氧化鋁”,它是一種多孔性、高分散度的固體材料,有很大的比表面積,其微孔表面具備催化作用和吸附作用所要求的特性,如吸附性能、表面活性、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等,所以廣泛地被用作催化劑、吸附劑等。

4.4 分子篩

分子篩是結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽,由硅氧四面體或鋁氧四面體通過(guò)氧橋鍵相連而形成分子尺寸大?。ㄍǔ?.3~2.0 nm)的孔道和空腔體系。由于含有電價(jià)較低而離子半徑較大的金屬離子和化合態(tài)的水,水分子在加熱后連續(xù)地失去,但晶體骨架結(jié)構(gòu)不變,形成了許多大小相同的空腔,空腔又有許多直徑相同的微孔相連,這些微小的孔穴直徑大小均勻,能把比孔道直徑小的分子吸附到孔穴的內(nèi)部中來(lái),而把比孔道大或者性質(zhì)相斥的分子排斥在外,因而能把直徑大小不同的分子、極性程度不同的分子、沸點(diǎn)不同的分子、飽和程度不同的分子分離開(kāi)來(lái),即具有“篩分”分子的作用,故稱為分子篩。分子篩按骨架元素組成可分為硅鋁類分子篩、磷鋁類分子篩和骨架雜原子分子篩;按孔道大小劃分有微孔、介孔和大孔分子篩。目前分子篩在冶金,化工,電子,石油化工,天然氣等工業(yè)中廣泛使用。

5 小結(jié)

吸附劑是能有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質(zhì)。其吸附現(xiàn)象是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程,是由溶質(zhì)與吸附劑之間的范德華力、化學(xué)鍵力和靜電引力所引起物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附綜合作用說(shuō)引起的。

常用的吸附劑有:硅膠、活性炭、活性氧化鋁、分子篩等,它們一般都具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、吸附性能好、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。衡量吸附劑性能的主要參數(shù)有比表面積,孔徑、孔隙率、孔容和真密度、視密度和堆積密度等。吸附劑廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工以及環(huán)保等行業(yè)。

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