物理吸附、化学吸附与交换吸附的区别

通常来说,吸附作用是根据吸附剂和吸附物相互作用力的不同来分类的。按照范德华力、分子间作用力或键合力的特性,吸附可以分为三种类型。

(1)物理吸附

吸附剂和吸附物之间通过分子间引力(范德华力)产生的吸附称为物理吸附。这是最常见的一种吸附现象,它的特点是吸附不局限于一些活性中心,而是整个吸附界面都起吸附作用。利用物理吸附来实现分离目标的原理可分为四种类型:

①选择性吸附:吸附力为固体表面的原子或基团与外来分子间的引力,本质是范德华力。吸附力的大小与表面和分子两者的性质有关。由于不同分子的结构和功能基团的不同,被表面吸附的能力有很大差异,从而产生选择性吸附。

②分子筛效应:多孔性固体的微孔孔径是均一的,而且与分子尺寸相当,小于微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附,比孔径大的分子则被排斥在外,这种现象称为分子筛效应。因此,基于分子筛效应可以将不同大小的分子进行分离。

③通过微孔扩散:气体在多孔性固体中的扩散速率与气体的性质、吸附剂材料的性质以及微孔尺寸等因素有关,利用扩散速率的差别可以将混合物分离。

④微孔中的凝聚:毛细管中液体曲面上的蒸气压与其正常蒸气压不同,毛细管上的可凝气体会在小于其正常蒸气压的压力下在毛细管中凝聚。

分子被吸附后,一般动能降低,故吸附是放热过程。物理吸附的吸热量较少,一般为20~42kJ/mol。物理吸附在低温下也可进行,不需要较高的活化能。其吸附和解吸速度都比较快,易达到平衡状态。有时吸附速率很慢,这是由吸附剂颗粒孔隙中的扩散速率控制所致。

物理吸附是可逆的,即在吸附的同时,被吸附的分子由于热运动会离开固体表面,分子脱离固体表面的现象称为解吸。物理吸附可以分成单分子层吸附或多分子层吸附。但由于吸附物性质不同,其吸附的量也有差别。物理吸附与吸附剂的表面积、孔分布和温度等因素有密切的关系。

(2)化学吸附

化学吸附是指吸附剂表面活性点与吸附物之间有化学反应而形成化学键的吸附。这是因为固体表面原子的价态未完全被相邻原子价所饱和,还有剩余的成键能力。化学吸附与通常的化学反应不同,即吸附剂表面的反应原子保留了原来的格子不变。化学吸附放出的热量大(一般在41.8~418kJ/mol的范围内),需要的活化能较高,需要在较高的温度下进行。化学吸附的选择性较强,即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用,因此化学吸附只能是单分子层吸附,吸附后稳定,不易解吸,平衡慢。

化学吸附与吸附剂的表面化学性质以及吸附质的化学性质直接有关。化学吸附是吸附物和吸附剂分子间的化学键作用所引起的吸附。与物理吸附比较,其结合力大得多,放热量与化学反应热数量级相当,过程往往不可逆。

(3)交换吸附

吸附剂表面如为极性分子或离子所组成,它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层,这种吸附称为极性吸附。同时吸附剂与溶液发生离子交换,即吸附剂吸附离子后,同时有等当量的离子进入溶液中,因此也称为交换吸附。离子的电荷是交换吸附的决定因素,离子所带的电荷越多,它在吸附剂表面相反电荷点上的吸附力也就越强;电荷相同的离子,其水化半径越小,越易被吸附。离子交换的吸附物一般通过提高离子强度或调节pH值的方法洗脱。

吸附分离中常用的吸附操作主要基于物理吸附,而化学吸附现象的应用很少。另外,各种类型的吸附之间没有明确的界线,有时很难区别,有时几种现象同时发生。

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