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吸附劑與吸附理論

時間:2020-06-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 瀏覽:
當(dāng)固體表面暴露于氣體或液體中時就會發(fā)生吸附現(xiàn)象,吸附表現(xiàn)為在界面附近物質(zhì)的富集或流體密度的增加。
人們很早就知道,木炭能夠吸附大量的氣體,具有吸濕、吸臭的性能。如在湖南長沙馬王堆一號墳?zāi)估锞桶l(fā)現(xiàn)了用木炭作為防腐劑和吸濕劑的。日常生活中空氣凈化用的活性炭主要就是利用的吸附作用。
近年來,吸附劑被廣泛用作干燥劑、催化劑或催化劑載體,在混合物分離或純化、氣體儲存、凈化液體、藥物緩釋、污水處理、空氣凈化以及呼吸防護(hù)等方面應(yīng)用廣泛,此外,在許多固態(tài)反應(yīng)和生物機(jī)理中發(fā)揮重要作用。
 
 
 

吸附知識普及

 
 
 
吸附是物質(zhì)從體相濃集到界面上的一種性質(zhì)。如,氣相中的某些物質(zhì)可以在固體表面上濃集;液體中某些物質(zhì)可以在氣/液界面、液/液界面和固/液界面上濃集。
通常把能有效吸附其他物質(zhì)的固體稱為吸附劑,被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。
依據(jù)吸附劑與吸附質(zhì)之間作用力的性質(zhì),吸附作用可分為物理吸附化學(xué)吸附
“吸附”和“解吸”兩個詞通常能夠指示平衡達(dá)到的方向。
“吸附滯后”是指吸附和解吸達(dá)到一個給定的平衡壓或體積濃度時,吸附量并沒有達(dá)到相同水平。在常溫下,吸附量和平衡壓(或濃度)之間的相關(guān)性,即“吸附等溫線”。
所有的工業(yè)吸附劑都具有大的比表面積,并且是多孔或具有精細(xì)顆粒的物質(zhì)。吸附方法是測定精細(xì)粉末和多孔固體的表面積孔徑分布時廣泛采用的一種通用方法。
氣/固體系的實驗吸附等溫線具有各種特征的形狀。這些形狀非常重要,因為它們能夠提供吸附劑孔結(jié)構(gòu)的初步有用信息,甚至不需要任何精確的計算。在一個擴(kuò)展的IUPAC 分類方法中,大部分蒸汽等溫線可以被劃分為以下九類。
 
 
 

吸附劑的類型

 
 
 
▍活性炭、氧化鋁和硅膠為較老的工業(yè)吸附劑,目前仍在大量生產(chǎn)與使用,但其通常為非晶結(jié)構(gòu),難以表征。
▍沸石、磷酸鋁和金屬有機(jī)框架(MOF)化合物等,具有晶體內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的模型吸附劑,孔徑可控,制備方便。
▍設(shè)計更多具有精細(xì)的孔大小和形狀的新型有序結(jié)構(gòu)(比如介孔碳和金屬氧化物)是未來的發(fā)展趨勢。
 
 
 

吸附的發(fā)展歷程

 
 
 

1773 年,Scheele 最早開始定量研究木炭的吸附。

1785 年,俄國化學(xué)家Lowitz 最早研究了木炭的脫色性質(zhì)。

1802 年,Leslie發(fā)現(xiàn),向粉末中加入液體能夠產(chǎn)生熱。

1814 年,de Saussure 發(fā)現(xiàn)了氣體吸附的放熱性質(zhì)。

1843年,Mitscherlich認(rèn)為多孔炭中吸附的氣體量可能與氣體在液態(tài)的量相當(dāng)。

1854年起,F(xiàn)avre 研究了“氣體對固體的潤濕性”,運(yùn)用吸附量熱法來驗證各種氣體在木炭上的吸附熱大于液化熱。

1879—1881年,Chappuis 和 Kayser首次將氣體的吸附量與氣壓聯(lián)系起來。

1881年,Kayser 引入了“吸附”的概念。van Bemmelen 報道了第一個液體等溫線。

隨后,“等溫”和“等溫曲線”也開始出現(xiàn)在常溫下的吸附測量結(jié)果中。

1894年,Gore認(rèn)為固/液吸附過程產(chǎn)生的熱量與粉末的表面積有關(guān)。

1915年,Gurvich提出固/液吸附產(chǎn)生的熱量還與液體的極性以及粉末的性質(zhì)有關(guān)。

1907 年, Freundlich 提出了一個等溫線的總的數(shù)學(xué)式,即“Freundlich 吸附方程”。

20 世紀(jì)初期,人們對氣體吸附展開了各種各樣的定量測量。

1937年,Emmett 和 Brunauer 開始根據(jù)研究多層吸附。

1938 年,BET 理論的正式發(fā)表,開啟了多層吸附的研究新階段。

1932 年,Taylor 引入了“活化吸附”的概念。

1960,Dubinin 提出微孔、中孔和大孔這一孔的分類標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)在,各種先進(jìn)的光譜、顯微技術(shù)和散射技術(shù)被應(yīng)用于研究吸附質(zhì)的狀態(tài)和吸附劑的微觀結(jié)構(gòu)。而且,對等溫線和吸附能量數(shù)據(jù)的實驗測量、對模型物理吸附的計算模擬以及對密度泛函理論(DFT)的應(yīng)用方面,也都獲得了巨大進(jìn)步。
計算化學(xué)已經(jīng)成為研究多孔固體材料吸附科學(xué)的一個組成部分。分子建模經(jīng)常與量子化學(xué)方法相互結(jié)合,從體系的電子水平上,深入理解實驗難以解決的微觀吸附機(jī)理。
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