活性炭吸附基础理论

发布时间:2021/6/21 11:40:00 浏览次数:137
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吸附是发生在两相存在的情况下,当有两相存在时,相中的物质或者是在该相中所溶解的溶质,在相与相的界面附近出现浓度与相内部不一样的现象。吸附的物质称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。由于活性炭具有丰富的比表面积和孔隙结构,所以常用作吸附剂。

  • 吸附的作用力

有吸附作用力的存在才能产生吸附作用,吸附作用力是指吸附剂与吸附质之间在能量方面的相互作用,承担这种相互作用的是电子,在发生吸附时,随着吸附剂表面和吸附质分子中性质的不同,其相互作用的组合状况也不同。相互作用分为5类:伦敦分散力相互作用、偶ji子相互作用、氢键、静电吸引力和共价键。

伦敦分散力是伦敦(London F)发现的力,是5种相互作用力中zui弱的。伦敦力普遍存在于原子和分子间,包括惰性原子、分子间也都存在,在活性炭吸附中也是非常重要的吸附作用力。由于其与在可见光和紫外光领域中的光分散有关,所以称之为分散力。

除了伦敦分散力之外,偶ji子相互作用也是一个相当微弱的相互作用力。表面上电负性不同的原子化学结合在一起时,由于电负性的差异导致对电子吸引强弱的不同产生电子的偏移,电子向电负性较大的一边集中分布,于是在相互结合的原子之间产生称作偶ji矩的ji矩μ=qr。在有这种偶ji子的表面原子组或者有ji性的表面官能团与具有偶ji子的分子之间,引发力的作用,这种力就叫做偶ji子的相互作用。

氢键的强度一般为范德华力的5~10倍,其产生于一个氢原子与两个以上的其他原子结合的过程中。通常,固体表面上多多少少存在一些类似于羧基、氨基、羟基等含有氢原子的ji性官能团。这些官能团中的氢原子易与吸附分子中电负性大的氧、硫、氮等非共价电子对形成直线形的氢键。同样,表面官能团中的氧、氮、氟等原子中非共价电子对的存在,使其易与吸附分子的ji性官能团的氢原子形成氢键。

静电引力是很强的相互作用。目前对于产生电位的机理还不是太清楚,但即使固体、液体等是绝缘体,接触时表面仍会产生静电,电量少却能形成很强的电场。因此,这种表面经常带电的结果就使在发生吸附时产生了静电引力。

表面能够发生氧化、还原、分解等反应的吸附剂,容易与吸附质之间形成共价键,可产生非常强有力的吸附作用。

活性炭通过氧化、还原等手段进行处理,改变其表面官能团的性质、比表面积的大小以及孔径。但是由于置换基的种类以及浓度能够改变表面的化学性质及物理性质,所以能够从多种溶剂、溶质所组成的溶液中有选择性地吸附某种溶质的表面。

二、物理吸附和化学吸附

根据吸附剂与吸附质之间相互作用方式的不同,吸附形式可以分为物理吸附和化学吸附。从机理上讲,物理吸附是由范德华力引起的吸附,化学吸附是生成化学键或者伴随着电荷移动相互作用的吸附。在物理吸附中,电子轨道在吸附质与吸附媒体表面层不发生重叠;相反地,在化学吸附中电子轨道的重叠起着至关重要的作用。也就是说,物理吸附基本上是通过吸附质与吸附媒介表面原子间的微弱相互作用而发生的;而化学吸附则源自吸附媒介表面的电子轨道与吸附质的分子轨道的特异的相互作用。所以,物理吸附中往往发生多分子层吸附;化学吸附则是单分子层。而且,化学吸附伴随着分子结合状态的变化,吸附导致电子状态、振动发生显著的变化。通过傅里叶变换红外光谱可以观察到吸附质在吸附前后发生了明显的变化。而物理吸附,则没有这种变化。物理吸附与化学吸附的区别如表1所示。

 

                                                        表1 物理吸附和化学吸附的区别

项目

物理吸附

化学吸附

吸附质

无选择性

有选择性

生成特异的化学键

固体表面的物化性质

可以忽略

显著

温度

低温下吸附量大

在比较高的温度下进行

吸附热

小,相当于冷凝热

大,相当于反应热

吸附量

单分子层吸附量以上

单分子层吸附量以下

吸附速率

可逆性

有可逆性

有不可逆的场合

对于吸附现象的评价,化学吸附则是源于特性作用,难以进行一般评价,需要进行与各个吸附体系相应的评价;而物理吸附不是由于吸附质与吸附媒介表面体系相应的特异性作用而引起的,所以可以进行一般评价。

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