固气界面吸附
固气界面吸附
吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子层的过程。
固体表面的特点
和液体一样，固体表面上的原子或分子的力场也是不均匀的，所以固体表面也有表面张力和表面能。但由于固体分子或原子不能自由移动，因此它表现出以下的特点：
1固体表面分子（原子）移动困难固体表面不像液体那样易于收缩和变形，因此固体表面张力的直接测定比较困难。任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面维于收缩，所以只能靠降低表面张力的方法来降低表面能，这也是固体表面能产生吸附作用的根本原因。
2固体的表面是不均匀的从原子水平上看，固体的表面是不规整的，存在多种位置，有附加原子，台阶附加原子，平台，平台空位，扭结原子等等。这些表面原子的差异，主要表现在它们的配位数的不同。这些不同类型的原子，它们的化学行为也不相同，吸附热和催化活性差异很大。另外，表面态能级分布是不均匀的，不同于均匀的体内电子态。
3固体表面层的组成不同于体相内部固体表面除在原子排队布及电子能级上与体相有明显不同外，其表面化学组成也往往与体相存在很大的差异。由多种元素组成的固体，由于具有趋势向于最小表面自由能及吸附质的作用，使某一元素的原子从体相向表层迁移，从而使它在表层中含量高于在体相的含量，这种现象称为表面偏析。它不仅与固体的种类及所暴露出的晶面有关，还受环境气氛的影响。
总之，固体表面结构和组成的变化，将直接影响到它的使用性能，吸附行为和催化作用等。
吸附等温线
当气体在固体的表面发生吸附时，固体叫做吸附剂，气体叫做吸附质。在发生气固吸附时，在一定的条件下（T，p），单位质量的固体在达到吸附平衡时，吸附气体的体积V（换算成标准状态下（STP）或物质的量称为吸附量q。
如q=V/m
实验表明，对于给定的系统（即一定的吸附剂与一定的吸附质），达到吸附平衡时的吸附量与温度和压力有关，即q=f(T,P)
在固定一个变量时，可以有三种吸附曲线，这三种吸附曲线是相互联系的，从一种吸附曲线可以得到另一种吸附曲线。三种吸附曲线各有用处，其中以吸附等温线被人们研究得最多。通过对吸附情况的实验测定，人们可以了解固体的许多性质，如表面积，孔径分布等。
(Ⅰ)Langmuir型等温线，由单层吸附所得。在2～3nm以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。
如78K时N2在活性炭上的吸附，水和苯蒸气在分子筛上的吸附。
(Ⅱ)常称为（反）S型等温线。无孔性固体或吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸附。在比压接近1时，发生毛细管和孔凝现象。
(Ⅲ)这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线，如352K时，Br2在硅胶上的吸附。
(Ⅳ)多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种等温线。在比压较高时，有毛细凝聚现象。如在323K时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属于这种类型。
(Ⅴ)发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。如373K时，水气在活性炭上的吸附属于这种类型。
许多吸附等温线处于上述两种或更多种等温线的中间状态。此外，还有些等温线完全不符合上述五种类型。如阶梯型等温线，如下图所示。
吸附现象的本质——物理吸附和化学吸附
物理吸附化学吸附
吸附力范德华力化学键力
吸附热较小(～液化热) 较大(～化学反应热) 选择性无选择性有选择性
稳定性不稳定,易解吸稳定
分子层单分子层或多分子层单分子层
吸附速率较快, 较慢,
受温度影响小，受温度影响大，
不需要活化能。需活化能。
物理吸附的特点：
1. 吸附力是由固体和气体分子之间的van der Waals引力产生的，一般比较弱。
2. 吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个
kJ/mol以下。
3. 吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同。
4. 吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快
5. 吸附可以是单分子层的，但也可以是多分子层的
6.吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快。
总之：物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等
化学吸附的特点：
1. 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。
2. 吸附热较高，接近于化学反应热，一般在42kJ/mol以上。
3. 吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。
4. 吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。
5. 吸附是单分子层的。
6. 吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。
总之：化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。
影响固气界面吸附的主要因素
影响气-固界面吸附的主要因素有：温度、压力以及吸附剂和吸附质的性质。
无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少，压力增加，吸附量和吸附速率皆增大。在物理吸附中，要发生明显的吸附作用，一般说，温度要控制在气体的沸点附近。
极性吸附剂易于吸附极性吸附质，非极性吸附剂则易于吸附非极性物质。
吸附质分子的结构越复杂，沸点越高，被吸附的能力越强。
酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。
无论物理吸附还是化学吸附，压力增大，吸附量皆增大。物理吸附类似于气体的液化，故吸附随压力的改变而可逆的变化。化学吸附过程往往是不可逆的，即在一定压力下吸附达到平衡后，要是被吸附的分子脱附，单靠降低压力是不行的，必须同时升高温度。
固体溶液界面吸附
1.固-液吸附的一般概念
吸附特点： 吸附规律比较复杂
吸附速率比较缓慢
吸附应用极为广泛
吸附量测定方法简单
吸附规律比较复杂
溶液中有溶剂和溶质，固体对溶液的吸附至少要考虑三种作用力，即界面上固体和溶质、固体和溶剂，溶液中溶质和溶剂之间的作用力。固液吸附是固体表面被溶质、溶剂分子所占满，实质上是溶质、溶剂分子争夺固体表面的净结果。 若固体表面的溶质浓度比溶液内部大，即为正吸附，否则为负吸附。 吸附速率比较缓慢
溶液吸附比气体的吸附速率要慢得多。原因有吸附质分子在溶液中扩散速度比气体中慢很多；在溶液中，固体表面有一层液膜，对吸附有阻碍作用，吸附质分子必须穿过液膜才能被吸附； 吸附剂的孔结构对吸附作用的阻碍作用； 吸附应用极为广泛：
例如 活性炭脱色
大孔吸附树脂脱酚
岩石对表面活性剂的吸附
水处理技术（工业水、自来水、蒸馏水）
植物吸收土壤中养分
固体吸附溶液达到平衡时，测定溶液浓度的变化即可计算溶质的吸附量。 0()c c V x m m
-Γ==
x/m 每克吸附剂吸附溶质的量，mol/g 。通常称为表观吸附量。
目前尚无成熟理论阐述固液吸附现象，多借用固气吸附
理论和公式说明固液吸附现象。
如 Freundlich 、Langmuir 、BET 公式等。
此时公式中常数物理意义不明确，只能算作经验公式。
实际应用时将压力p 改为浓度c 即可。
一、吸附剂、溶质和溶剂的极性及其他性质对吸附量的影响
1 同系物的吸附---Traube 规则
有机物的同系物在溶液中被吸附时，吸附量随碳链增长而有规则的增加。 如 活性炭自水溶液中吸附脂肪酸时，吸附量 丁酸>丙酸>乙酸>甲酸。 原因 非极性吸附剂易于优先吸附非极性组分。
又如 硅胶自四氯化碳中吸附脂肪醇，吸附量
乙醇>正丙醇>正丁醇>正戊醇>正己醇>正辛醇
原因 极性吸附剂易于优先吸附极性组分。
（2）溶质的溶解度对吸附量的影响
溶解度越小的溶质越易被吸附。因为溶解度小表示溶质与溶剂相互作用弱，被固体吸附的倾向较大。
脂肪酸碳氢链越长，水中溶解度越小，被活性炭吸附的越多。在四氯化碳溶剂中，脂肪酸碳链越长，溶解度越大，被四氯化碳吸附的越少。
又如苯甲酸在CCl4中溶解度大于在水中，硅胶在两种溶剂中对同浓度苯甲酸(0.01mol/L)的吸附量不同，在CCl4中吸附量远大于水中吸附量。
这是因为极性吸附剂对水有强烈的吸引力，苯甲酸分子很难替代水分子留在硅胶表面。而极性吸附剂对CCl4分子吸引力较弱，苯甲酸分子很容易替代CCl4分子被吸附。
（3）温度的影响
溶液吸附一般也是放热过程，温度升高，吸附量减小。
有些体系，溶液吸附是吸热过程。这是因为溶质吸附时能从吸附剂固体表面顶替下来大量的溶剂分子，使体系熵值增大，由于这种熵的驱动过程，使体系温度升高，吸附量增大。
同时还要考虑温度对溶解度的影响。多数溶质随温度升高溶解度增大，则吸附量降低；若有些溶质随温度升高溶解度降低，则吸附量增加，如丁醇、戊醇、己醇等。
（4）吸附剂孔径的影响
孔径越小，孔内扩散速率越慢，吸附平衡时间延长，并且吸附质分子尺寸<孔径的溶质分子才能被吸附。
(5)盐的影响
即使盐的加入不被吸附，盐能影响溶质与溶剂之间的相互作用，会对吸附产生明显影响。实验说明，若盐的加入使溶质溶解度减小，则吸附量会因盐的加入而增大；反之，能提高溶解度，吸附量会降低。
总之，固液吸附的影响因素很多，必须根据具体情况，综合考虑各种因素，才能得到正确结论。
二、混合物的吸附
是指溶液中两种以上的溶质同时被吸附的情况。实际应用中经常见到，是一个重要课题。但人们对此研究并不多, 尚处于初始阶段，许多情况定性描述多，定量描述困难。
①大孔硅胶-CCl4 -多种直链脂肪醇( 正丁醇、正戊醇、正辛醇)的混合吸附体系，Langmuir型混合吸附公式适用性较好。
②活性炭-H2O-混合酸（盐酸-乙二酸、乙酸、丙酸、丁酸或二元酸）的吸附体系
仿照上面，按Langmuir吸附公式处理，并无直线关系，只能定性说明。这可能与脂肪酸在水中部分电离有关。混合吸附公式中未涉及吸附质电离情况。
③混合吸附共同特点一种溶质的吸附量会因另一种溶质
加入而降低。这是因为固体表面的溶质分子被另一种加入
溶质分子顶替，改变了吸附平衡，从而导致了原来溶质分
子吸附量降低。
④直线型吸附等温线混合吸附中若有一种能被强烈吸附
的主要溶质存在，则其它痕迹量的溶质的吸附等温线皆为
直线型。
三、多分子层吸附
大多数稀溶液的吸附行为可用Langmuir和Freundlich公式描述。
Hansen和傅鹰的工作
炭黑（石墨）-水-酸或醇（C4+）吸附体系
等温线没有极限饱和值；当接近饱和浓度时，吸附量急剧上升，表明溶液吸附也有多分子层的。
Bartell等的工作
硅胶从己醇-H2O 体系中吸附水的实验
当c/co＝0.8附近，吸附等温线急剧上升，呈S型。表现出毛细凝聚特征，即多分子层吸附。此处实际上也是水在毛细管中相分离的结果
四、对高分子的吸附
高分子吸附特点
①高分子体积大，形状可变，在良溶剂中舒展成带状，不良溶剂中卷曲成团，常形成多点吸附，并且脱附困难；
②高分子的分子量有大有小，呈分散性，吸附时会发生分级效应；
③分子量大，移动缓慢，在固体孔内扩散易受阻，吸附平衡极慢；
④吸附量常随温度升高而增加。
高分子在固体表面的吸附形态
(a)单点吸附
(b)多点吸附,也称链段吸附
(c)平躺多点吸附
(d)无规线团吸附，构型吸附，吸附层厚度＝线团直接
(e)不均匀链段吸附，距固体表面越近，链段密度越大
(f)多层吸附
五、对表面活性剂的吸附
实际中有重要应用，洗涤、印染、润湿等。
吸附等温线有4类
第一类L型Langmuir单分子型
如十二烷基羧酸钠-硫酸钡固体吸附体系
由于分子间排斥结果，实验得到的分子截面积
大于分子本身截面积。
第二类LS型或双平台型吸附等温线
如戊醇、己醇-石墨或炭黑
十二烷基氯化铵-炭黑
十六烷基三甲基溴化铵-硅胶
由最大吸附量计算的分子截面积小于分子本身截面积，可推测为多分子层吸附。
第三类S型等温线
如TX100（聚氧乙烯辛基苯酚醚）- 大孔硅胶、小孔硅胶、癸基甲基亚砜（C10H21SOCH3）- 硅胶
开始吸附量很小，当浓度增加到一定值后，吸附量急剧上升，然后减缓，出现平台，不再随浓度变化，呈S型曲线。
第四类极大值吸附等温线
如十二烷基羧酸钾（1）-石墨
十二烷基硫酸钠（2）-石墨
十二烷基苯磺酸钠-硅胶或钙硅胶（SDBS）
六、对电解质的吸附
(1)离子交换吸附
是指离子交换剂或某些粘土的离子和电解质溶液中某些离子发生离子交换，达到吸附离子的作用。
（2）土壤的离子交换作用
土壤成分主要为硅铝酸盐，其粒子在水介质中电离带负电荷，因静电作用阳离子吸附在土壤粒子表面，使土壤具有阳离子交换性能。
盐碱土吸附大量钠离子，使土壤显强碱性，土壤粒子高度分散，土壤的理化性能变坏；红壤吸附大量铝离子，土壤示强酸性，土壤粒子易结板。
如土壤施肥是使铵离子通过离子交换储存在土壤中。
（3）无机离子交换剂
许多金属氧化物在适当条件时可视作无机离子交换剂。如Fe2O3、Al2O3、MnO2、TiO2、硅胶等，其表面含有的羟基，可和溶液中许多无机、有机离子进行离子交换。
金属离子交换到硅胶表面上－浸渍法制备负载型金属催化剂。
固液界面的吸附
固液界面的吸附
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实验四 固液界面上的吸附 一．实验目的 １. 了解固体吸附剂在溶液中的吸附特点。 2. 做出在水溶液中用活性炭吸附醋酸的吸附等温线,求出Freu ｎd ｌic ｈ等温式中的经验常数。 ３. 通过测定活性炭在醋酸溶液中的吸附,验证弗伦特立希（Ｆreund ｌich)吸附等温式对此体系的适用性。 二、实验原理 (一)计算依据： 当一溶液与不溶性固体接触时,固体表面上溶液的成分常与体相溶液内部的不同,即在固-液界面发生了吸附作用。由于溶液中各组分被固体吸附的程度不同，吸附前后溶液各组分的浓度将发生变化，根据这种变化可计算出吸附量。 Γ=Ｖ(C 0－C)／m (1） 式中:m ——吸附剂的质量(g) Ｃ——吸附平衡时被吸附物质留在溶液中的浓度(1 -?L mol ) Ｃ０——被吸附物质的初始浓度(1 -?L mol ) V ——所用溶液的总体积(L ） 在 Ｖ 、C ０ 、m 已知的情况下,Γ和C 的关系如何呢? 活性炭是一种高分散的多孔性吸附剂，在一定温度下,它在中等浓度溶液中的吸附量 与溶质平衡浓度的关系，可用Freun ｄlich 吸附等温式表示:Γ＝n kC m x 1 = （2) 式中：m ——吸附剂的质量（g ） x ——吸附平衡时吸附质被吸附的量(mo ｌ） m x ——平衡吸附量(1-?g mol )
Ｃ——吸附平衡时被吸附物质留在溶液中的浓度（1 -?L mol ） ｋ、n ——经验常数(与吸附剂、吸附质的性质和温度有关）。将式（２）取对数,得 k C n m x lg lg 1 lg += (3) 以m x lg 对c lg 作图，可得一条直线，直线的斜率等于n 1，截距等于k lg ，由此可求得n 和 ｋ。 （二)本实验操作原理: 本次实验是在活性炭—醋酸体系中，验证Freu ｎdl ｉｃh 吸附等温式的适用性，并求出经验常数n 和ｋ: Na ＯH+ＨAc ＝=ＮaAc+Ｈ2O 根据这个中和反应，计量滴定所用的NaOH 的量，可知ＨAc 的浓度c ，再根据 (1)式计算Γ值，即可作图。 三、仪器试剂 仪器:15０ｍl 磨口具塞锥型瓶６个，１50ml 锥型瓶６个,长颈漏斗6个，称量瓶1个,50ml 酸式、碱式滴定管各1支，5m ｌ移液管1支,10ml 移液管２支,25ｍl 移液管3支，电子天平1台,恒温振荡器1套,定性滤纸若干。 试剂:活性炭(2０～40目,比表面３00~4０0ｍ２ ／ｇ)，0.41-?L mol HAc 溶液,0.10０01 -?L mol ＮaOH 标准溶液，酚酞指示剂。 四、实验步骤 1． 打开恒温振荡器的开关,预热10分钟，调节温度为25℃。 2. 将6个干净的磨口具塞锥型瓶编号,并各称入1．0克活性炭。 ３． 用移液管按下表分别加入0．４1 -?L mol HA ｃ和蒸馏水,并立即盖上塞子，置于25℃恒温振荡器中,调节好速度，摇荡一小时。 ４． 从各号瓶中按下表所规定的平衡取样量V 取样,放入１~6标号的小锥形瓶中,各加入５滴酚酞指示剂，用N ａOH 标准溶液各滴定两次(滴至粉红色刚好不褪去)，碱量取平均值记入下表。 ５. 用过的活性炭回收于托盘中，清洗仪器,关闭电源,整理实验台。 五、数据记录及处理 1. 将实验数据记入表,计算吸附前各瓶中醋酸的初浓度Ｃ０和吸附平衡时的浓度C,并按(１）
固气界面吸附
固气界面吸附 吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子层的过程。 固体表面的特点 和液体一样，固体表面上的原子或分子的力场也是不均匀的，所以固体表面也有表面张力和表面能。但由于固体分子或原子不能自由移动，因此它表现出以下的特点： 1固体表面分子（原子）移动困难固体表面不像液体那样易于收缩和变形，因此固体表面张力的直接测定比较困难。任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面维于收缩，所以只能靠降低表面张力的方法来降低表面能，这也是固体表面能产生吸附作用的根本原因。 2固体的表面是不均匀的从原子水平上看，固体的表面是不规整的，存在多种位置，有附加原子，台阶附加原子，平台，平台空位，扭结原子等等。这些表面原子的差异，主要表现在它们的配位数的不同。这些不同类型的原子，它们的化学行为也不相同，吸附热和催化活性差异很大。另外，表面态能级分布是不均匀的，不同于均匀的体内电子态。 3固体表面层的组成不同于体相内部固体表面除在原子排队布及电子能级上与体相有明显不同外，其表面化学组成也往往与体相存在很大的差异。由多种元素组成的固体，由于具有趋势向于最小表面自由能及吸附质的作用，使某一元素的原子从体相向表层迁移，从而使它在表层中含量高于在体相的含量，这种现象称为表面偏析。它不仅与固体的种类及所暴露出的晶面有关，还受环境气氛的影响。 总之，固体表面结构和组成的变化，将直接影响到它的使用性能，吸附行为和催化作用等。 吸附等温线 当气体在固体的表面发生吸附时，固体叫做吸附剂，气体叫做吸附质。在发生气固吸附时，在一定的条件下（T，p），单位质量的固体在达到吸附平衡时，吸附气体的体积V（换算成标准状态下（STP）或物质的量称为吸附量q。 如q=V/m 实验表明，对于给定的系统（即一定的吸附剂与一定的吸附质），达到吸附平衡时的吸附量与温度和压力有关，即q=f(T,P) 在固定一个变量时，可以有三种吸附曲线，这三种吸附曲线是相互联系的，从一种吸附曲线可以得到另一种吸附曲线。三种吸附曲线各有用处，其中以吸附等温线被人们研究得最多。通过对吸附情况的实验测定，人们可以了解固体的许多性质，如表面积，孔径分布等。
第十一章 固体表面
第十一章固体表面 11.1本章学习要求 1.了解固体表面特性，了解液固界面吸附。 2.掌握气固界面的吸附作用、特性及Freundlich定温式、Langmuir单分子层吸附定温式等相关吸附理论。了解 B.E.T多分子层吸附定温式及其内容。 3.理解物理吸附和化学吸附的意义和区别。 4.了解液体对固体表面的润湿作用。理解接触角和 Young方程。 11.2内容概要 11.2.1气体在固体表面的吸附 1．吸附及类型： 固体表面因存在过剩的不平衡力场而具有吸附能力。它从其周围的介质中吸附其它物质粒子时，可降低固体的表面张力，使体系的Gibbs自由能减小，即吸附作用可以自发进行。 具有吸附能力的物质称为吸附剂(adsorbent)；被吸附的物质称为吸附质(adsorbate)。 根据吸附作用力的不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附。 2．等温吸附公式： 一定温度下，吸附平衡时，单位质量吸附剂所吸附气体的体积（折算为273K,标准状态下）或物质的量称为吸附量（adsorbance），单位为或。 定温下吸附量与气体平衡压力p的关系式称为吸附等温式。 （1）Freundlich吸附等温式： 或 式中k、n为经验常数。以对作图，应得一直线，其截距为，斜率为，由此可求得k、n。
此式是经验公式，一般适用于中压范围。 （2）Langmuir单分子层吸附理论： （ⅰ）气体在固体表面上的吸附是单分子层的； （ⅱ）固体表面是均匀的，各处吸附能力相同； （ⅲ）已被吸附的气体分子间无作用力； （ⅳ）吸附平衡是吸附与解吸的动态平衡。 （3）Langmuir吸附等温式： 或 其中：b是吸附平衡常数，，吸附速率常数k1与解吸速率常数k-1之比。是饱和吸附量。 以对p作图得直线，其截距为，斜率为，由此可求得和b。 由值，可进一步求算吸附剂的比表面积S0， S = S ：1kg吸附剂具有的表面积； ：1kg吸附剂饱和吸附单分子层吸附质分子的物质的量； A ：吸附质分子的截面积m2； m L ：Avcgadro常数（）； 多数化学吸附是单分子层吸附，当复盖率不大，吸附热变化较小时均能满足Langmuir吸附等温式。 （4） BET多分子层吸附等温式： （11-4）
固体吸附作用
固体吸附作用 一、物理吸附和化学吸附 固体表面的分子、原子或离子，同液体表面一样，所处的力场也是不对称、不饱和的。不论是在空气中或是在溶液中的固体，其表面上各个质点从固体内部受到的作用力要比从外部气体或液体方面受到的作用力大的多。因此，固体表面液存在剩余的表面自由能，同样具有自动降低这种能量的趋势。不过固体表面又不同于液体表面，一般情况下其各个质点是固定而不可移动的，表面的形状不能任意地自由变化，也不能随意地收缩和展开而改变其大小。所以，固体表面自动降低自由能地趋势往往表现为对气体或液体中地相间界面，在此相间界面上常会出现气体组分或溶质组分浓度升高地现象，这就是固体表面的吸附作用。 在工程中用来进行吸附分离操作的固体材料称为吸附剂，而被吸附的物质称为吸附物。吸附剂大多是具有广阔表面积的颗粒状材料，吸附作用发生在固体表面上，因此，吸附量的表示方法应为单位表面积上吸附物的数量。吸附量主要决定于吸附时的温度、气相中的压力或溶液中浓度等因素。 固体吸附剂在溶液中的吸附是溶剂、溶质和固体综合组成体系中的界相现象。这种现象可能由两方面的推动力促成，一种是溶剂水对憎水溶质的排斥作用，另一种是固体对溶质的亲和吸引作用。在水处理实践中遇到的大部分是这两方面作用的综合结果。 溶质的溶解程度是决定第一种作用强度的重要因素，溶质与溶剂的
化学特性越相近，它的溶解程度就越大，而被吸附的趋势就越小，相反，溶质与溶剂的化学特性相差越远，溶解程度越小，被吸附的趋势就越大。 在水溶液中，溶剂水具有强级性，一些非极性的有机物质就容易受水的排斥而吸附在非极性的吸附剂表面上具有活性剂分子结构的表明活性剂，其非极性的憎水端受水排斥，可以定向吸附在非极性的吸附剂上，而把极性亲水端指向水中。根据这一原理，水中的憎水性固体表面吸附一层表明活性物质后可以转化为亲水性表面。如果固体的极性甚至比水更强，也有可能吸附表面活性物质分子的极性端，使其极性端朝外定向而表面转化为憎水性的。 吸附的第二种推动力是固体对溶质的特殊亲和吸引作用，其中可能包含有三种基本作用力，即范德华力、化学键及氢键作用力、静电引力。吸附作用常常是这几种作用力的综合结果，不同情况下的各类吸附可能是其中某一种作用力起主要作用。 范德华力上分子间的物理作用力没有选择性，因而可以发生于固体吸附剂对任意溶质之间，当然，吸附对象不同，起作用强度也会有很大区别。范德华力的作用强度较小，所以吸附是不牢固的，并且具有可逆性。因范德华力而吸附的物质，并不绝对固定在表面上某一点，甚至可能有所移动。另一方面，范德华引力的作用范围较大，超越一个分子，因而可以形成多分子层的吸附。在由范德华引力决定的吸附中，没有电子转移、原子重新排列、化学键生成现象，亦即没有化学作用，所以称为物理吸附。这类吸附常发生于较低温度下，吸附能较
界面吸附
界面吸附在污水处理方面的应用 界面是指凝聚相与其他相间的交界面。界面上的分子与体相内部的分子所处的环境不同，分子间的相互作用也不相同。以气液界面为例，液 体内部的分子，周围分子对它的作用力是相等的，彼此可以相互抵消，分子所受合力为零。处于表面层位置的分子，周围分子作用力范围上部在气相中，下部在液相申。由于气相分子密度和相互作用比液相小得多，所以界面分子受到的合力不等于零，而是指向液体内部。一般地说，界面上的分子受到一个垂直于界面、指向体相内部的合力，使其有被拉人体相内部的倾向。这种倾向在宏观上表现出有一个与界面平行，并力图使界面收缩的张力。单位长度上的张力称为界面张力，用符号σ表示，单位N/m。习惯上将气液、气固界面张力称为该液体和固体的表面张力。任何界面都不是一个单纯的几何面而是两体相间的过渡区域，一般有几个分子的厚度，称为界面相。 通常热力学讨论的体系往往忽略界面部分，而界面热力学研究的着眼点恰恰是界面，因此选定的热力学体系应是由界面相和相邻两体相构成的不均匀的多相体系。 近年来，环保科学工作者对农林废弃物的研究利用越来越多。大量研究表明，锯末无论是否经过预处理对重金属的去除均有显著的效果。它具有以下特性：(1)成本低，可回收重金属和能量；(2)细胞的毛细管结构使其具有高的表面积(多孔性)；(3)有较高化学活性，易产生吸附高浓度的金属离子的活性基团，更容易化学改性；(4)比纤维材料更加容易交联，不易溶于水。我国农林废弃物资源十分丰富，应用天然及改性锯末开发废水处理新材料。无疑是解决我国废水处理的一条可行之路。目前研究多用农林废弃锯末如橡胶树、芒果树、枫树和松树等锯末以及家具厂的剩余锯末。笔者介绍了锯末处理不同类型重金属废水的研究现状，讨论了不同方法的应用。分析了锯末的吸附机理和影响因素。 S．Larous等研究了用未经预处理的家具厂剩余木屑处理含铜废水的吸附等温线。分析了锯末投加量、含铜水溶液浓度、接触时间、搅拌速度、溶液pH、
第四章 界面现象和吸附
第四章界面现象和吸附 4.1表面张力和表面能 一、净吸力的概念 净吸力：分子受到的一个垂直于液体表面、指向液体内部的“合 吸力” ，它是液体具有表面张力的原因。 二、表面张力σ及其产生的原因 ?比表面As,Aw——度量系统分散程度大小的物理量.As,Aw大，则分散度大，即粒子小。 公式：As =A/V (m2/m3=m-1)； Aw = A/W (m2/kg) ?表面张力σ及表面能（或表面吉布斯函数）G s 1.σ产生的原因及表面能的意义： 界面层的分子受到指向体相内部的不对称的合力作用，是产 生表面张力的根本原因。σ则是产生一切表面现象的根本 原因。 2.表面能定义： 恒温恒压下，可逆地增加系统单位面积的表面层所需做的功（系统增加的Gibbs函数）；或在与表面相切的方向上单位长度的紧缩力；单位：J/m2; N/m。 定义式: dG = -SdT + VdP +δW' δW'= σdA 式中σ为比例系数，是使液体增加单位面积时所做的可逆功。 故dG = -SdT + VdP +σdA σ= （?G/?A）T，P，N 3. σ的二个含义 其一为吉布斯函数的改变量，因而称为比表面吉布斯函数，简称表面能，单位为mJ／m2。由于σ是单位面积表面中的分子比处于体相时额外多出的吉布斯函数，因而是一个过剩量，有时称为(比)表面过剩吉布斯函数。 其二为从力的角度讲，σ也可看作是引起液体表面自动收缩的力，称为表面张力，它是作用于单位长度上的力。 δW=F?dx σdA=σ?2L?dx 或σ=F/2L 故σ是引起液体表面收缩的单位长度上的力，单位以mN/m表示综上所述，液体表面张力和表面吉布斯函数分别是用力学和热力学的方法研 究液体表面现象时采用的物理量，有相同的量纲，采用相应的单位时(例如分别用mN／m和mJ/m2)数值相同．但在应用上各有特色．采用表面吉布斯函数，便于用热力学原理和方法处理界面问题，所得结果不仅适用于液体表面，并对
气液固界面上体系传质动力学的研究方法
气液固界面上体系传质动力学的研究方法 气液固三相界面上存在着许多的复杂的传质动力学过程。传质动力学是科学研 究与生产技术中的重要内容之一，对于制造业、食品加工业、化工工业等不同领域的工业生产都有着非常重要的应用。因此，研究气液固三相界面上传质动力学的研究方法和技术是十分值得深入探究的一个方向。 一、传质动力学基础 1.浓度梯度传质的基本方法 浓度是描述溶质在溶剂中的浓度的物理量，浓度梯度则是物质在溶质中浓度的 不同差值。由于浓度梯度，当两个相接触时，物质会向浓度较低的区域移动，这个过程称为浓度梯度传质。 2.分子扩散传质及其机理 分子扩散传质是指物质在没有流体流动的情况下，由于浓度梯度粒子运动特性，不断向着低浓度的区域自发移动。分子扩散传质的机理是基于自由分子的布朗运动，即在分子激烈、随机的跳动中，由于浓度的差异，分子会朝着低浓度方向漂移。 3.对流传质及其机理 对流传质是由于运动的液体对物质的搬运作用而实现的。其机理是离子或分子 由于被带动而随流动的流体运动一同移动，同时扩散或游走。 二、气液固三相界面上传质机理 气液固三相界面上传质机理复杂，其传质动力学的研究方法也因此多样化。 1.气液界面传质机理探析
气液界面传质是指气体和液体在界面上的传质过程。气液界面上有气体和液体相互作用的过程，一个物质从液体中通过界面分子扩散到气体中，液体被挥发，气体被吸附。分子扩散面积越大，扩散速度越快，相同的面积扩散速度也决定了物质扩散的速度。 2.气体固体界面传质机理探析 气体和固体之间的传质机制包括分子扩散、渗透、表面吸附等。其中分子扩散是一种非常基本的传质方法，它通过漂移、扩散来实现质量传递。渗透是液体和气体传质的重要机制，主要是液体分子通过固体障碍物、不规则的几何形状和大小分子孔洞隙等，弥散渗透离开。 3.液体固体界面传质机理探析 在液体固体间的传质机理包括对流、分子扩散、溶解度和表面吸附等。对流传质是指随着流体中液态液滴的漂流运动，污染物在液滴表面的分配变化，同时也会发生运动的揉捏等效应，随着扩散过程翻转，为一种先进的传质方法。 三、研究方法 1.离子型气体传输的方法 离子型气体传输是一种将气体粒子离子化的方法，离子型气体与时间的转换曲线可以反映其传输过程。离子型气体传输技术可以获得物质在空气中移动的速度，并且可以监测到物质分布的形态与速度，具有较高的灵敏度和分辨率。 2.气体溶解度法和微流控法 气体溶解度法的研究是通过观察溶解度与压力、温度或溶解度之间的关系来评估气体溶解度的变化。微流控法是一种用于研究流体微流动的最新技术，其具有微型化、高精度、高通量等特点，可以在小尺度上监测生物分子、细胞、微粒等样品的相互作用和运动特性。
液-固及液-气(空气)界面现象
7.4 液-固及液-气（空气）界面现象 7.4.1润湿现象 7.4.1.1 接触角 液体对固体表面的润湿作用是界面现象的一个重要方面，它主要研究液体对固体表 面的亲合状况。例如水能润湿玻璃，但不能润石蜡。荷叶上的水珠可以自由滚动，说明水不能润湿荷叶。一般来说，若液体能润湿固体，则液体呈凸透镜状；若不能润湿，则呈椭球状，如图。液体对固体的润湿的程度可用接触角来衡量。所谓接触角就是固-液界面经液相到气-液界面所转过的角度。接触角越小，润湿越好。一般以θ=90°为分界线。θ＜90°，为能润湿；θ=0°为完全润湿。θ＞90°，为不润湿；θ=180°，为完全不润湿。 现在我们导出接触角与界面张力之间的关系。点O 的液体受到三个表面张力的作用：s g -σ力图将点O 的液体拉向左方，以覆盖气-固界面，使气-固界面缩小；s l -σ力 图将点O 的液体向右拉，以缩小液-固界面； l g -σ力图将点O 的液体沿切线方向向上拉，以缩小液-气界面。在固体为光滑平面的情况下，润湿平衡时，有 s g -σ=s l -σ+l g -σθcos 或 （1） 式（1）就是表示界面张力和接触角关系的杨氏（Yong ）方程。因θcos ≤1，所以 l g s l s g ----σσσ≤1 或 s l s g ---σσ ≤l g -σ 或 （2）
所以由下面的公式和图形可得上图。 l g s l s g ----= σσσθcos 所以完全润湿的条件为 s l s g ---σσ＞l g -σ 即 （3） 完全不润湿的条件为 s l s g ---σσ＜-l g -σ 即 （4） 7.4.1.2 粘附功、内聚功、浸湿功和铺展系数 恒温恒压可逆条件下，将气-液和气-固界面转变为液-固界面，如果各界面都是单位面积时，该过程吉布斯自由能的变化是 G ?=l g s g s l -----σσσ= W a （5） W a 叫粘附功（work of adhesion ）。W a 越负，液体越易润湿固体。式（5）中的s l -σ和s g -σ较难测定，但可由式（1）l g s l s g ----=σσσθcos 将其消去： W a ＝－l g -σθcos －l g -σ＝－l g -σ（1+θcos ） （6） 由式（6）可测量W a 。如果ΔG ＞0，即 s l -σ＞l g s g --+σσ （7） 则液体不能润湿固体。式（7）就是式（4）。如果把上面的固体改成液体，则 s l s g --l g - l g -润湿 不润湿 完全不润湿 完全润湿 0 2π π θ→ cos θ
固体表面的物理吸附和化学吸附 Word 文档
1．这种吸附包括对电解质吸附和非电解质吸附：对电解质吸附将使固体表面带电或电双层中组分发生变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作用。对非电解质吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。 2．溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。 正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。 显然，溶质被正吸附时，溶剂必被负吸附，反之亦然。在稀溶液中，可以将溶剂的吸附影响忽略不计，可以简单的如气体吸附一样处理溶质的吸附，但在浓度较大时，则必须同时考虑二者的吸附. 3．固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张力的影响也很重要。 图2-4给出了表面张力和接触角的关系（点击放大），图中：θ为接触角，
图2－4 表面张力与接触角的关系当θ<90o时，为润湿。θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。 当θ=0o时，为完全润湿。液体在表面完全铺展开来 当θ>90o时，为不润湿。θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。当θ=180o时，完全不润湿,为球状。 θ角的大小。与界面张力有关: γs=γL cosθ+γsL 其中：γs为固体表面张力；γL为液体表面张力；γsL为固体和液体界面张力。
该方程叫做Yong方程式。它表明接触角的大小与三相界面之间的定量关系。因此，凡是能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。从上式可以看到： 当γs>γsL时，则cosθ>0为正值，θ<90°，此时为润湿；而且γs与γsL相差越大，θ角越小，润湿性越好。 当γs<γsL时，则cosθ<0为负值，θ>90°，此时不润湿；而且γs越大和γsL越小时，θ角越大，不润湿程度越严重。 应当指出的是，上面的平衡式仅适用于固、液、气三相的稳定接触的情况。这时三个界面张力之间必须满足下列不等式
吸附理论模型及应用
吸附理论模型及应用 摘要：吸附是一种重要的传质过程，吸附技术应用领域及其广泛。本文对几种主要的吸附理论模型及其应用进行了概述，科学研究中可以根据实际情况进行选择。 关键词：分子吸附吸附模型物理吸附化学吸附 当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，此现象称为吸附。吸附也指固体物质表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。吸附主要是因为固体表面分子或原于所处的状态与固体内部分子或原子所处的状态不同，固体内部分子或原子受到邻近四周分子的作用力是对称的，作用力总和为零，但界面处的分子同时受到不相等的两相分子的作用力，因此界面分子所受力是不对称的。作用力的总和不为零，合力方向指向固体内部，所以表面上的力场是不饱和的，微粒能自发的吸附分子、原于或离子，并在其表面附近形成多分子层或单分子层，其实质是趋向于使表面能降到最低。 吸附现象的作用力主要有三类：物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。物理吸附的作用力是固体表面与气体分子之间，以及已被吸附分子与气体分子间的范德华引力，包括静电力诱导力和色散力。物理吸附过程不产生化学反应，不发生电子转移、原子重排及化学键的破坏与生成。由于分子间引力的作用比较弱，使得吸附质分子的结构变化很小。化学吸附，是指吸附剂与吸附质之间发生化学作用，生成化学键引起的吸附，在吸附过程中不仅有引力，还运用化学键的力，因此吸附能较大，要逐出被吸附的物质需要较高的温度，而且被吸附的物质即使被逐出，也已经产生了化学变化，不再是原来的物质了，一般催化剂都是以这种吸附方式起作用。离子交换吸附简称离子交换，固体表面通过静电引力吸附带相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。 吸附现象普遍存在，研究者对其进行了大量的理论研究，也提出了很多的吸附模型。许多的研究工作表明，固体表面吸附液体或气体，当达到平衡时，其吸附量q*与温度和液体或气体浓度c有关： 温度一定时，吸附量q*与浓度c之间的函数关系称为吸附等温线，即等温情况下的吸附模型。 一、Langmuir 吸附模型 Langmuir分子吸附模型是根据分子间力随距离的增加而迅速下降的事实，提出气体分子只有碰撞固体表面与固体分子接触时才有可能被吸附，即气体分子与表面相接触是吸附的先决条件。Langmuir 认为固体表面上各个原子的力场不饱和，可吸附碰撞到固体表面的气体分子或溶质分子。当固体表面上吸附了一层分子后，这种力场就被饱和，因此吸附层是单分子层。他还假设固体表面是均匀的，吸附的分子间无相互作用。
吸附的概念及分类
吸附的概念及分类 吸附是指物质在表面或者界面附着并保持稳定状态的现象。在吸附过程中，吸附物质可以是气体、溶质或固体。吸附可以分为物理吸附和化学吸附两种类型。 物理吸附，又称为静电吸附或范德华力吸附，是使吸附物质附着在固体表面上的吸附过程。物理吸附主要是通过范德华力作用来实现的，其吸附强度较弱，吸附剂和吸附物之间的相互作用力小。范德华力是由于吸附物质的电子运动与分子之间的相互作用而产生的。物理吸附一般随着温度的升高而减小，可以通过提高温度来解吸。 化学吸附，又称为化学键吸附，是指在固体表面上形成化学键的吸附过程。化学吸附的特点是吸附剂与吸附物之间的键能较大且较稳定。化学吸附分为离子键、共价键和配位键三种类型。离子键吸附是通过正负离子间的电荷吸引作用而形成的吸附。共价键吸附是在吸附剂和吸附物质之间共享电子而形成的吸附。配位键吸附是指吸附剂通过其孤对电子与吸附物之间的正离子形成的化学键。 根据吸附剂和吸附物质的性质，吸附可以分为气体吸附、液体吸附和溶液吸附。 气体吸附发生在固体表面上的气体和吸附剂之间。吸附剂可以是固体或液体，吸附物质可以是气态分子或气体化合物。气体吸附的应用广泛，例如通过活性炭吸附空气中的有毒气体，或者利用介孔材料吸附气体催化反应中的中间体等。
液体吸附是在固体表面上的吸附剂和液体中的溶质之间发生的吸附。液体吸附的应用广泛，常见的例子是利用活性炭吸附水中的有机物质，或利用树脂吸附水中的金属离子。液体吸附也可以用于分离纯化和催化反应等领域。 溶液吸附是指在溶液中的吸附剂与溶质之间的吸附作用。溶液吸附也有着广泛的应用，例如在污水处理中，利用活性炭吸附溶液中的有机物质，或者利用树脂吸附溶液中的离子等。 综上所述，吸附是指物质在界面或表面附着并保持稳定状态的现象。根据吸附过程中物质之间相互作用的类型，吸附被分为物理吸附和化学吸附两种类型。根据吸附剂和吸附物质的性质，吸附又可以分为气体吸附、液体吸附和溶液吸附。这些不同类型的吸附在很多领域都有着广泛的应用，例如环境治理、化工工艺、催化剂制备等。
第五节 表面活性剂在固液界面上的吸附
第五节表面活性剂在固/液界面上的吸附 一、表面活性剂在固/液界面吸附的机理 在浓度不大的水溶液中，一般认为表面活性剂在固体表面的吸附是以单个表面活性剂的离子或分子进行的。吸附可能以下述一些方式进行。 (一)离子交换吸附 吸附于固体表面的反离子被同电性的表面活性剂的离子取代。 （二）离子对吸附 表面活性剂离子吸附于具有相反电荷的、未被离子所占据的固体表面位置上。 （三）氢键形成吸附 表面活性剂分子或离子与固体表面极性基团形成氢键而吸附。 (四)π电子极化吸附 吸附质分子中含有富于电子的芳香核时，与吸附剂表面的强正电性位置相互吸引而发生吸附。 （五）London引力（色散力）吸附
吸附作用随吸附质分子增大而增加，而且在任何场合皆发生。所有吸附类型中皆存在，可作为其它吸附的补充。此种吸附机理可以说明表面活性剂离子在离子交换吸附中取代同电性无机离子的原因。 （六）憎水作用吸附 表面活性剂亲油基在水介质中易于相互联结形成“憎水链”，具有逃离水的趋势，当浓度增大到一定程度时，有可能与吸附在表面的其它表面活性剂分子聚集而吸附，或以聚集状态吸附于表面。 二、表面活性剂溶液的吸附等温线 表面活性剂在固体表面上的吸附等温线有以下三种： （一）Langmuir 型吸附等温线 例如表面活性剂C 16H 33 N(CH 3 ) 3 Br在炭黑上的吸附，如图9-12。 平衡浓度/m mol/L 图9-12 C 16H 33 N（CH 3 ） 3 Br在炭黑上的吸附 可用Langmuir公式表示：（9-12）
式中，n 2S ——表面活性剂在固体表面吸附量；n m S ——表面单分子饱和吸附量； a ——常数；C ——表面活性剂溶液浓度。 将（9-12）式直线化得： （9-13） 或将（9-12）式变为： （9-14） 根据（9-13）式以1/n 2S 对1/C 作图，直线斜率=a/n m S ，截距=1/n m S ，可求得n m S 和a 值。同理根据（9-14）式以C/n 2S 对C 作图可求出n m S 和a 值。 （二）“台阶”型吸附等温线 例如表面活性剂在氧化铝表面上的吸附量呈台阶型吸附等温线，如图9-14。 平衡浓度/m mol/L 图9-13 表面活性剂在氧化铝上的吸附 （三）S 型吸附等温线 吸附等温线是由三部分组成如图9-14。第一区域：是十二烷基磺酸阴离子和用来调节离子强度的氯化钠的氯离子进行竞争吸附。产生吸附的地方是氧化铝粒子周围的双电层的扩散层部分。因此在这个区域中ζ电位的变化几乎看不出来。同时这种吸附只是离子交换，所以吸附等温线的斜率也近似等于1。
Gibbs吸附公式在固-气和固-液界面吸附中的应用
Gibbs吸附公式在固-气和固-液界面吸附中的应用 赵振国 【摘要】Gibbs吸附公式本适用于各种界面的吸附研究,但由于有固体参与形成的界面界面能测定困难,至今Gibbs公式多只用于气-液界面的研究.本文讨论了Gibbs吸附公式在固-气和固-液界面吸附研究中的应用,主要是介绍将Gibbs公式与二维气体状态方程结合导出吸附等温式,因吸附而引起的固-气和固-液界面能变化规律,以及吸附过程中分子状态变化的有关信息. 【期刊名称】《大学化学》 【年(卷),期】2001(016)002 【总页数】5页(P56-60) 【作者】赵振国 【作者单位】北京大学化学学院,北京,100871 【正文语种】中文 【中图分类】O6 摘要 Gibbs吸附公式本适用于各种界面的吸附研究，但由于有固体参与形成的界面界面能测定困难，至今Gibbs公式多只用于气-液界面的研究。本文讨论了Gibbs吸附公式在固-气和固-液界面吸附研究中的应用，主要是介绍将Gibbs公式与二维气体状态方程结合导出吸附等温式，因吸附而引起的固-气和固-液界面能变化规律，以及吸附过程中分子状态变化的有关信息。
不相混溶的两相接触时，其接触区域称为界面，界面区域的许多物理化学性质与各体相内的不同。界面上的分子周围并非都是相同的分子，因而将受到体相内分子的额外作用，使得界面能较高，这就导致体相内的某些组分在界面上的浓度与体相内的不同，这种现象称为吸附作用。某组分在单位界面上的浓度与体相浓度之差即为该组分界面吸附量，或称表面过剩量、表面浓度。在一定温度和压力下吸附量的大小与界面能(界面张力)、吸附组分在体相内的浓度(或压力)有关。 Gibbs吸附公式是描述吸附作用的最基本公式，广泛应用于气-液和液-液界面吸附研究。根据吸附前后界面张力的变化可计算吸附量，并进而得到界面上吸附分子状态的信息[1,2]。有固体参与形成的界面，准确测定其界面能十分困难，故应用Gibbs公式进行研究的报道较少[3]。但实际上可用易测得的吸附量应用Gibbs公 式了解因吸附引起的界面能变化及吸附分子的二维状态。对气体吸附，当给定二维吸附气体状态方程后，结合Gibbs公式可方便地导出某些气体吸附等温式。本文 着重介绍Gibbs公式在固-气和固-液界面吸附研究中的应用。 1 Gibbs吸附公式[4] 实际的界面相是成分和性质不均匀的相间过渡区域，在界面相中不同的位置界面浓度就不相同，因而确定界面浓度与体相浓度之差(吸附量)十分困难。Gibbs将界面相视为一几何面，认为此面两侧二相的组成和性质各是均匀的，并且规定在此位置时某一组分的表面过剩为0。换言之，即认为表面过剩为0的这一组分在界面上和体相内的浓度相等。此面一经确定即可计算其他组分的表面过剩量(吸附量)。 由恒温恒压条件下表面热力学数量的变化可得到Gibbs吸附公式的基本形式： Гidμi (1) 式中γ为表面张力，A为表面面积，ni为i组分的表面摩尔数，μi为i组分的化学势，，Гi为单位表面上i组分的过剩量，即表面吸附量或表面浓度。将(1)式展开：
表面科学
表面科学读书报告 郝静祖（201311801002） 一般来说，固体材料表面指固气界面或固液界面，由凝聚态物质靠近气体、液体或真空的一个或几个原子层组成，是一种过渡层，此外，固固界面也存在类似的过渡层，也包含在表面研究的范围之内，这种过渡层有着和固体内部不同的特点，为此人们做了大量的研究工作，并形成了一个新的科学领域——表面科学。 1固体表面 固气界面的表面区不仅包括固体表面最外几层原子面。在研究过程中，有时为了研究方便，人们需要将这几层原子面假想成理想表面，即该表面无任何杂质缺陷吸附，无重构弛豫，具有沿着平行体内晶面方向的平移对称性，等于体内晶面在二维平面上的投影。而实际上，由于表面能的存在，固体表面存在各种表面反应，其基本过程为：反应物质扩散到界面上→界面上产生吸附作用→界面反应→产物离开界面或通过界面向固体内部扩散，由于一系列这样的反应存在，使得固体表面具有如下所述的不均匀性： （1）固体表面化学成分不均匀 这是由于杂质与基体的电位不同造成的，比如碳钢的渗碳体、铸铁中的石墨和工业铝中的合金元素等，一般的金属基体中的杂质电位都比基体正。 （2）固体组织不均匀 常见的固体材料多为多相多晶材料，相界和晶界的电位与相内和晶粒内部的电位存在差异。 （3）应力的不均匀 应力又称残余应力，分为宏观残余应力和微观残余应力，宏观残余应力是由加工装配过程带来的，加工过程中各部分变形不同或应力不同都会引起表面产生电位的差异，通常宏观残余应力可以通过热处理等方式来消除。而微观残余应力如果存在吸附层，这部分空间体积也应计入其中。 1.1固气表面分类 通常按照研究需要，可将固气表面分为以下几种：
气体吸附分析技术
目前,气体吸附分析技术作为多孔材料比表面和孔径分布分析的不可或缺的手段,得到了广泛应用。物理吸附分析不仅应用于传统的催化领域,而且渗透到新能源材料、环境工程等诸多领域。 本专题分为基础篇,实验篇和应用篇，旨在以实用为目的，力求避免冗余和数学公式，按实验的思维顺序逐步理清物理吸附相关的疑难点。当然,对于一些比较复杂的问题，我们将会专门出专题文章进行介绍。 １. 什么是表面和表面积? 表面是固体与周围环境, 特别是液体和气体相互影响的部分；表面的大小即表面积。表面积可以通过颗粒分割(减小粒度)和生成孔隙而增加,也可以通过烧结、熔融和生长而减小。 ２.什么是比表面积？ 为什么表面积如此重要? 比表面积英文为specific sｕrfacｅａrea，指的是单位质量物质所具有的总面积。分外表面积、内表面积两类。国际标准单位为㎡/g。表面积是固体与周围环境,特别是液体和气体相互作用的手段和途径。一般有下列三种作用：1)固体-固体之间的作用：表现为自动粘结,流动性（流沙）,压塑性等。2)固体-液体之间的作用：表现为浸润，非浸润，吸附能力等。3) 固体-气体之间的作用:表现为吸附，催化能力等。 3．什么是孔？ 根据ＩSO159０1 中的定义,不同的孔(微孔、介孔和大孔）可视作固体内的孔、通道或空腔，或者是形成床层、压制体以及团聚体的固体颗粒间的空间（如裂缝或空隙) 4. 什么是开孔和闭孔? 多孔固体中与外界连通的空腔和孔道称为开孔(opeｎpｏre),包括交联孔、通孔和盲孔。这些孔道的表面积可以通过气体吸附法进行分析。除了可测定孔外,固体中可能还有一些孔，这些孔与外表面不相通，且流体不能渗入,因此不在气体吸附法或压汞法的测定范围内。不与外界连通的孔称为闭孔(close pore)。开孔与闭孔大多为在多孔固体材料制备过程中形成的,有时也可在后处理过程中形成,如高温烧结可使开孔变为闭孔。 5．什么是孔隙度？ 孔隙度是指深度大于宽度的表面特征，一般用孔径及其分布和总孔体积表征。 ６. 什么是多孔材料？ 多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。多孔材料可表现为细或粗的粉体、压制体、挤出体、片体或块体等形式。其表征通常包括孔径分布和总孔体积或孔隙度的测定。在某些场合,也需要考察其孔隙形状和流通性，并测定内表面和外表面面积。
分离工程教案-第5章吸附
分离工程教案-第5章吸附 第五章吸附第一节概述 一、基本概念 1、吸附 1）定义：在界面化学中，吸附的概念是指在固相-气相、固相-液相、固相-固相、液相-气相、液相-液相等体系中某个相的物质密度或溶于该相中的溶质密度在相界面上发生改变的现象。 2）说明：除非特殊说明，一般情况下，吸附指的是固体对气体或液体分子的吸附。 2、吸附分类： 1）物理吸附和化学吸附 2）区别：物理吸附热：一般为10kcal/mol以下。 化学吸附热：20~100kcal/mol 3）工程上：变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）。 3、吸附应用 4、吸附操作特点： 1）能耗低，与精馏操作相比，其能耗低得多，仅为精馏的20%~30%，因为吸附无须给予大量的热而在常温下就能进行。与吸收相比，能耗也低； 2）操作方便，吸附操作简单易行，不存在回流（液气比）无须另提供再生塔； 3）吸附剂再生成本低，吸附剂消耗少。 5、新数学函数---误差函数（概率积分） 1）表达式： y?erf(x) 2）物理意义：erfE(t)?(2E??t)edt 0.5?02 3）性质：erf(?x)??erf(x) 4）数值确定方法：、 查表如y?erf(0.4)?0.4284，0.45?erf(x)?x?0.423 或根据公式近似计算 第二节吸附平衡一、基本概念 1、吸附与溶解化学反应的区别：
溶解化学反应吸附 2、物理吸附与化学吸附的区别 3、表面张力与浓度关系： 1 1）美国物理学家和化学家J.W.Gibbs（J.W.吉布斯）研究了表面张力和溶液浓度之间的关系，通过热力学推导出溶液浓度C、表面张力r和吸附量?之间的定量关系： ???C??r??? RT??C?T式中，?--单位表面积上浓度的过剩量，即界面上的浓度与液相物质的浓度之差，它代表吸附量； C-- 液相吸附质浓度； R--气体常数； T--吸附温度； a---溶液的活度； r--表面张力。 2）随着吸附质浓度增加而液体的表面张力减少的物质，因它的??r/?C??0，故其?为 正值，即吸附质在界面上浓度是增长的，为正吸附； 3）相反，对于随着吸附质浓度减小而液体的表面张力减小的物质，因它的???/?C??0，故其?为负值，即吸附质在界面上浓度低于溶液内部的浓度，为负吸附。 4）作为吸附操作，我们感兴趣的当然是正吸附。除非特殊说明，所讨论的均为正吸附。二、纯物质的吸附平衡 1、基本概念 1）吸附量：吸附量q通常以单位质量吸附剂所吸附的吸附质在标准状态下的体积表 示（气体），也可用单位质量吸附剂所吸附的吸附质的量表示，即 q?V/m q?n/m 2）q?f(T,P,E)或??f(T,c,E) （1）q?f(P)T,E吸附等温线（2）q?f(T)P,E吸附等压线（3）吸附等量线（q?f(T)?,E） 3）吸附等温线类型（1）六类 （2）归纳为四大类 2、吸附等温式 1）、亨利关系式 q?HP q?Hc