吸附剂及其作用机理研究与探讨.docx

吸附剂及其作用机理研究与探讨
王丁明
（河北理工大学市政工程系）
摘要：本文全面叙述与探讨了吸附剂的作用机理和物理性质，并对几种常见的吸附剂给予了介绍。
关键词：吸附剂作用机理活性炭

1前言
任何一对原子（或分子）间均有相互吸引的作用。如果一对原子有一方是固体表面原子，另一方是气体分子，那它们相互作用的结果是将气体束缚于固体表面或使被束缚分子与气体体相内的分子成某种动态平衡。这种气体分子在固体表面上发生的滞留现象称为气体在固体表面的吸附作用。换言之，气体在固体上的的吸附作用是发生在两相界面上的行为，使气相中的某种组分在此界面上浓集。吸附作用使固体表面能降低，因而吸附过程是自发过程。
在工农业生产活动和日常生活中，吸附现象是普遍存在的。为了研究方便，通常将被吸附的物质称为吸附质，能有效地吸附吸附质的物质称为吸附剂。吸附质可以是气体、蒸气和液体，吸附剂大多为多孔性大比表面积的固体。
本文将全面叙述与探讨吸附剂的作用机理和物理性质，并对几种常见的吸附剂予以介绍。
2吸附剂的作用机理
吸附是一种建立在分子扩散基础上的物质表面现象。以固体表面和吸附分子间作用力的性质区分，吸附作用大致可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。
2.1物理吸附
有关物理吸附的许多实验结果表明，物理吸附具有吸附热较小、吸附速度快、吸附无选择性、吸附可以是多层的等特点。因此人们认为引起物理吸附的力是普遍存在于各种原子和分子之间的范德华力。范德华力来源于原子与分子间的取向力、诱导力和色散力三种作用。
极性分子可视作偶极子，其极性用偶极矩μ=qd来衡量，即正或负电荷电量(q)与电荷中心间距d的乘积。μ=0的分子为非极性分子，μ越大，分子极性越大。测定分子偶极矩是确定分子结构的一种实验方法。德拜因创立此方法而荣获1936年诺贝尔化学奖。极性分子相互靠近时，因分子的固有偶极之间同极相斥异极相吸，使分子在空间按一定取向排列，使体系处于更稳定状态。这种极性分子之间靠永久偶极与永久偶极作用称为取向力，其实质是静电力。
在极性分子和非极性分子之间，由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响，使非极性分子电子云变形(即电子云被吸向极性分子偶极的正电的一极)，结果使非极性分子的电子云与原子核发生相对位移，本来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的，相对位移后就不再重合，使非极性分子产生了偶极。这种电荷重心的相对位移叫做“变形”，因变形而产生的偶极，叫做诱导偶极，以区别于极性分子中原有的固有偶极。这种由于诱导偶极与永久偶极作用称为诱导力。在极性分子和极性分子之间，除了取向力外，由于极性分子的相互影响，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极。其结果使分子的偶极矩增大，既具有取向力又具有诱导力。因此诱导力既存在于极性分子与非极性分子之间,也存在于极性分子与极性分子之间。
由于分子中电子和原子核不停地运动，非极性分子的电子云的分布呈现有涨有落的状态，从而使它与原子核之间出现瞬时相对位移、产生了瞬时偶极，分子也因而发生变形。分子中原子数愈多、原子半径愈大，电子数愈多，分子愈易变形。瞬时偶极可使其相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极，且两个瞬时偶极总采取异极相邻状态，这种随时产生的分子瞬时偶极间的作用力为色散力(因其作用能表达式与光的色散公式相似而得名)。虽然瞬时偶极存在暂短，但异极相邻状态却此起彼伏，不断重复，因此分子间始终存在着色散力。无疑，色散力不仅存在于非极性分子间，也存在于极性分子间以及极性与非极性分子间。色散力存在于一切分子之间。色散力与分子的变形性有关，变形性越强越易被极化，色散力也越强。稀有气体分子间并不生成化学键，但当它们相互接近时，可以液化并放出能量，就是色散力存在的证明。
另外，还有一种较强的特殊的范德华力叫氢键。氢键的形成是由于氢原子和电负性较大的X原子（如F、O、N原子）以共价键结合后，共用电子对强烈地偏向X原子，使氢核几乎“裸露”出来。这种“裸露”的氢核由于体积很小，又不带内层电子，不易被其他原子的电子云所排斥，所以它还能吸引另一个电负性较大的Y原子（如F、O、N原子）中的孤对电子云而形成如X-H…Y形的氢键。
从上叙述可知，非极性分子之间只有色散力；非极性分子与极性分子之间有诱导力和色散力；极性分子之间有取向力、诱导力和色散力。这些作用力的总和称为分子间力，其大小和分子间距离的6次方成反比，一般作用范围在300~500pm之间。
由上分析可知：物理吸附通常可以进行的很快，并且是可逆的，被吸附的颗粒在一定条件下又可以脱附。物理吸附是放热过程，吸附热与气体的液化热相近。物理吸附可以在任何两相界面上发生，即物理吸附无选择性；但当吸附剂孔径的大小限制了某些分子进入时，也可呈现选择性吸附。物理吸附可以是单层的，也可以是多层的，这是因为在一层吸附的分子上仍有范德华力的作用。