第二章吸附材料主講：馬杰教授目錄吸附碳質(zhì)吸附材料吸附材料的表征吸附材料的分類1234其他吸附材料501吸附01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型吸附

adsorption指發(fā)生在混合體系某一界面層中單組分或多組分物質(zhì)富集、積蓄的現(xiàn)象,屬于一種界面層中自發(fā)的傳質(zhì)過程?；旌象w系：固相-液相、固相-氣相、液相-氣相、液相-液相等。吸附質(zhì)：吸附過程中吸附的目標物質(zhì)—被吸附的物質(zhì)。吸附劑：用于吸附目標物質(zhì)的試劑—附著吸附質(zhì)的物質(zhì)。吸附介質(zhì)：吸附劑與吸附質(zhì)接觸的介質(zhì)。01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型1.吸附類型物理吸附化學(xué)吸附1.吸附作用力為分子間作用力，以范德瓦耳斯力為主；2.無吸熱反應(yīng)，吸附熱<40kJ；3.吸熱層數(shù)為單層或多層；4.吸附速度較快；5.不具有選擇吸附性；6.吸附材料易于可逆再生。1.吸附作用力以化學(xué)鍵為主；2.發(fā)生吸熱反應(yīng)，吸附熱>40kJ；3.吸熱層數(shù)為單層；4.吸附速度較慢；5.具有選擇吸附性；6.吸附材料難以可逆再生。區(qū)分依據(jù)：吸附質(zhì)與吸附劑之間作用力的不同01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型物理吸附：在吸附過程中物質(zhì)不改變原來的性質(zhì)，因此吸附能小，被吸附的物質(zhì)很容易再脫離。如用活性炭吸附氣體，只要升高溫度，就可以使被吸附的氣體逐出活性炭表面。吸附劑吸附質(zhì)吸附劑吸附質(zhì)化學(xué)吸附：指吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起的吸附，在吸附過程中不僅有引力，還擁有化學(xué)鍵的力。因此吸附能較大，要逐出被吸附的物質(zhì)需要較高的溫度，而且被吸附的物質(zhì)即使被逐出，也已經(jīng)產(chǎn)生了化學(xué)變化，不再是原來的物質(zhì)了。01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型2.吸附機制孔隙發(fā)達、比表面積大→吸附材料表面自由能大→吸附效果好吸附材料具有可發(fā)揮吸附作用的結(jié)構(gòu)和官能團吸附過程的主要作用力范德瓦耳斯力：是一種非共價鍵分子間作用力，含色散力、誘導(dǎo)力、取向力。靜電作用力：包含靜電引力和靜電斥力。靜電引力有利于吸附，靜電斥力不利于吸附。氫鍵：是一種大于范德瓦耳斯力，小于化學(xué)鍵的作用力。其他作用力：疏水作用、絡(luò)合作用、離子交換作用等。01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型3.吸附理論模型吸附平衡：在一定條件下，經(jīng)過足夠長的時間，吸附質(zhì)在兩相中的濃度不再變化，稱為吸附平衡。吸附等溫線：吸附劑的表面是不均勻的，被吸附的分子和吸附劑表面分子之間，被吸附的各分子之間的作用力各不相等，吸附等溫線的形狀也各不相等。常見的五種吸附等溫線01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型Langmuir吸附等溫式缺陷在臨界溫度以下的物理吸附中，多分子層吸附更普遍，這種吸附難以用Langmuir吸附等溫式表征；吸附劑表面并不均勻，實際使用時需對表面不均一性進行修正。在吸附材料表面發(fā)生的吸附為單層吸附；吸附材料表面均一；被吸附的相鄰吸附質(zhì)之間不發(fā)生相互作用。Langmuir吸附等溫式假設(shè)Langmuir吸附等溫式

01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型Freundlich吸附等溫式Freundlich吸附等溫式是描述平衡最早的經(jīng)驗關(guān)系式之一，他假設(shè)發(fā)生的吸附過程是多分子層吸附，并且活性吸附位點在吸附材料表面的分布并不均勻。其表達式為：其直線形式為：n值越大，等溫線與線性偏離大，變成非線性等溫線當n>10，變成矩形，是不可逆吸附參數(shù)K和n依賴于平衡溫度，關(guān)系很復(fù)雜01吸附吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型吸附動力學(xué)理論吸附過程一般分為三個階段：外擴散階段內(nèi)擴散階段吸附轉(zhuǎn)移階段由于階段3反應(yīng)較快，因此吸附過程的速度取決于階段1與階段2的速度。①外擴散表面擴散外表面吸附孔擴散孔擴散直到中心內(nèi)表面吸附表面擴散②⑤④③內(nèi)擴散表面擴散外擴散過程02吸附材料的分類02吸附材料的分類吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型

對吸附材料進行科學(xué)的分類歸納有助于我們更好地進行學(xué)習(xí)對比,并在實際應(yīng)用中選擇合適種類的吸附材料。

來源相同的材料具有相似的物化性質(zhì)和吸附特性,因此對吸附材料按照材料來源的分類是研究及實際操作中最常見和實用的分類方式,本節(jié)將按照吸附材料的材料來源對吸附材料進行分類和介紹。02吸附材料的分類吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型以碳為基質(zhì)，經(jīng)過加工而具有吸附性能的一類材料。其組成部分主要為無機物碳元素，活化加工后具有豐富有機官能團。源于自然界的天然高分子及其改性后形成的衍生物。具有一定的比表面積與親水性；表面含有豐富的羥基、氨基等活性官能團；可人工制備而成。以無機物為活性組分，目前應(yīng)用較多。生物及其衍生物非活性的吸附作用。碳質(zhì)吸附材料無機吸附材料有機吸附材料生物吸附材料材料分類02吸附材料的分類吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型如何有效地選擇合適的吸附材料？依照相似相容原理和孔徑匹配原則進行選擇！吸附材料與吸附質(zhì)的化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)相似或者接近時兩者有很強的親和力，從而達到較好的吸附效果?？讖狡ヅ湓瓌t吸附材料內(nèi)部孔徑適當大于吸附質(zhì)尺寸時，吸附材料才會具有出色的吸附效能。相似相溶原理03材料吸附的表征03材料吸附的表征吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型吸附材料的孔徑大小和孔隙率決定了吸附質(zhì)能否進入吸附材料,對吸附材料的吸附效率與選擇性具有一定的影響。

一般來說,對于相同的吸附材料而言,孔隙率越大,對應(yīng)的比表面積也會越大。吸附材料的孔徑大小和孔隙率一般也可以通過BET法獲得。

BET法比表面積是表征吸附材料的吸附性能的重要指標，也是影響吸附材料吸附量的決定性因素之一。BET法通過測量樣品在不同氮氣分壓下的多層吸附量,利用BET方程進行線性擬合,得到直線的斜率和截距,從而求得Vm值并計算出被測樣品比表面積。

SEM技術(shù)通過電子束轟擊樣品表面，通過電子信號分析和觀察樣品形貌，從而獲得吸附材料表面的微觀圖像。

除SEM掃描電子顯微鏡技術(shù)外，透射電子顯微鏡可以顯示材料內(nèi)部的二維結(jié)構(gòu),原子力顯微鏡可獲得作用力分布信息。孔徑分布SEM圖一、物理表征活性炭樣品SEM圖03材料吸附的表征吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型二、化學(xué)表征X射線衍射技術(shù)是用來分析材料晶體類型的最常用手段,通過比對標準圖譜,可以確定吸附材料的晶體種類。

碳吸附材料的晶體缺陷一般采用拉曼光譜進行表征和分析。X射線衍射技術(shù)和拉曼光譜FTIR利用干涉后的紅外光進行傅里葉變換,通過比對最終處理得到的透過率、吸光度隨波長變化的紅外吸收光譜，可以表征吸附材料的表面官能團。除FTIR外，還可以使用核磁共振（NMR）和X射線光電子能譜（XPS）來表征吸附材料的表面官能團。傅里葉紅外光譜（FTIR）分析化學(xué)表征03材料吸附的表征吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型吸附量與處理效率吸附材料的吸附量主要由材料本身的性質(zhì)和對吸附質(zhì)的親和性決定，同時受到溶質(zhì)濃度(氣體分壓）、吸附介質(zhì)的溫度、pH值、鹽度等指標的影響。吸附量可在吸附平衡后實際測量獲得，也可以通過擬合的吸附等溫式計算得到。相比于吸附量，處理效率更能反映動態(tài)的吸附過程。吸附材料再生過程的實質(zhì)是吸附材料的吸附質(zhì)在外加條件下的脫附過程，吸附材料的再生性能影響其成本。常見的再生方式：高溫加熱脫附再生；降壓真空解吸再生；通過無機酸、堿、鹽或有機溶劑與吸附材料反應(yīng)再生。吸附材料的市場價格與再生時的費用都應(yīng)進行經(jīng)濟性的合理考量。吸附速率與平衡時間再生性能與經(jīng)濟性三、吸附材料的評價指標吸附速率受吸附質(zhì)在吸附介質(zhì)和吸附材料表面?zhèn)髻|(zhì)速率、吸附材料的表面官能團、孔隙大小、孔徑率、吸附介質(zhì)的溫度、pH值、溶質(zhì)濃度(氣體分壓)、鹽度等的影響。

吸附平衡時間很難通過實際測量確定，可以利用吸附動力學(xué)方程擬合，通過計算確定。04碳制吸附材料04碳制吸附材料——活性炭吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型活性炭（AC：activatedcarbon）是由含碳材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料。活性炭的物化性質(zhì)：表觀密度約0.08~0.45；含碳量85%以上；

常規(guī)活性炭比表面積為500~1700m2/g，特殊制備的超級活性炭比表面積可達到3000~4000m2/g；炭化和活化后平均孔半徑為1~2nm，孔體積為0.6~1.1mL/g，孔隙率35%~75%?；钚蕴扛攀?4碳制吸附材料——活性炭吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型粉末活性炭顆粒活性炭纖維活性炭04碳制吸附材料——碳納米管吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型碳的四種同素異形體碳納米管碳納米管概述

碳納米管于1991年由日本NEC公司基礎(chǔ)研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島澄男(lijima)首先發(fā)現(xiàn)。他在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，這就是今天被廣泛關(guān)注的碳納米管。1993年，通過在電弧放電中加入過渡金屬催化劑，NEC和IBM的研究小組同時成功合成單層碳納米管。飯島澄(lijima)04碳制吸附材料——碳納米管吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型碳納米管的制備電弧放電法化學(xué)氣相沉積法激光蒸發(fā)法在真空容器中充滿一定壓力的惰性氣體或氫氣，以摻有催化劑(金屬鎳、鈷、鐵等)的石墨為電極，在電弧放電的過程中，兩石墨電極間總保持一定的間隙。陽極石墨被蒸發(fā)消耗，同時在陰極石墨上沉積碳納米管，從而生產(chǎn)出碳納米管?；瘜W(xué)氣相沉積法又名催化裂解法,其原理是通過豎類(如甲烷、乙烯、丙烯和苯等)或含碳氧化物(如CO)在催化劑的催化下裂解為碳原子，碳原子在催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成碳納米管。在一長條石英管中間放置一根金屬催化劑/石墨混合的石墨靶，該管則置于一加熱爐內(nèi)。當爐溫升至一定溫度時，將惰性氣體充入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)時，在催化劑的作用下生長成碳納米管。04碳制吸附材料——石墨烯吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型石墨烯概述石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維晶體，碳原子規(guī)整的排列于蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)單元之中，如下左圖所示。每個碳原子除了以σ鍵與其他三個碳原子相連之外，剩余的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵，電子可在此區(qū)域內(nèi)自由移動，從而使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。同時，這種緊密堆積的蜂窩狀結(jié)構(gòu)也是構(gòu)造其他碳材料的基本單元，如下右圖所示，單原子層的石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯，單層或者多層的石墨烯可以卷曲形成單壁或者多壁的碳納米管。石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯作為基礎(chǔ)構(gòu)件合成富勒烯、碳納米管和石墨04碳制吸附材料——石墨烯吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀”。極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。近年來,利用石墨烯及其衍生物作為吸附材料處理環(huán)境中污染物質(zhì)的研究日益增多，在實際研究中最常見的為氧化石墨烯和還原氧化石墨烯。氧化石墨烯（左）和還原氧化石墨烯（右）的分子結(jié)構(gòu)05其他吸附材料05其他吸附材料——沸石吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型沸石概述沸石是一種含有堿金屬或者堿土金屬并具有三維空間結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽,因其在灼燒時會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象而命名為沸石。沸石可以分為天然沸石和人工沸石兩種,可作為一種廉價而實用的吸附材料。由于天然沸石晶體的硅（鋁）氧四面體有許多空洞和孔道，其中占據(jù)著陽離子和水分子。當經(jīng)過烘燒使它部分或全部脫水后，其結(jié)晶骨架并沒有被破壞，而是形成一個個內(nèi)表面很大的孔穴，可吸附并儲存大量分子，因此具有吸附量大和高選擇性的特點。天然沸石人工沸石05其他吸附材料——活性氧化鋁吸附類型吸附機制標題內(nèi)容吸附理論模型活性氧化鋁概述氧化鋁具有許多同質(zhì)異晶體,由于結(jié)構(gòu)的不同,性質(zhì)也有很大的差異?；钚匝趸X一般是指γ型氧化鋁即γ-Al2O3,是一種帶有缺陷的尖晶石