1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 2017 年 秋 季學(xué)期研究生課程考核（讀書(shū)報(bào)告、研究報(bào)告）考核科目:固體界面物理與化學(xué) 學(xué)生所在院（系）:化工學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科:化學(xué)工程與技術(shù)學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號(hào):學(xué) 生 類(lèi) 別: 考核結(jié)果閱卷人 第 1 頁(yè) （共 7 頁(yè)）吸附等溫線(xiàn)及其應(yīng)用1 吸附等溫線(xiàn)的定義吸附等溫曲線(xiàn)是指在一定溫度下溶質(zhì)分子在兩相界面上進(jìn)行的吸附過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)它們?cè)趦上嘀袧舛戎畣?wèn)的關(guān)系曲線(xiàn)。在一定溫度下分離物質(zhì)在液相和固相中的濃度關(guān)系可用吸附方程式來(lái)表示。作為吸附現(xiàn)象方面的特性有吸附量、吸附強(qiáng)度、吸附狀態(tài)等，而宏觀地總括這些特性的是吸附等溫線(xiàn)，也就是說(shuō)吸附等溫線(xiàn)是吸附研究中最重要的關(guān)系曲

2、線(xiàn)。2吸附等溫線(xiàn)的分類(lèi)2.1 氣體吸附等溫線(xiàn)文獻(xiàn)中曾報(bào)道過(guò)許多不同形狀的氣體吸附等溫線(xiàn)，但由國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）提出的物理吸附等溫線(xiàn)分類(lèi)可以歸納為如圖1所示的六類(lèi)吸附等溫線(xiàn)：分別是I型、II型、III型、IV型和VI型吸附等溫線(xiàn)。圖中縱坐標(biāo)表示吸附量，橫坐標(biāo)為相對(duì)壓力P/P0，P0表示氣體在吸附溫時(shí)的飽和蒸汽壓，P表示吸附平衡時(shí)氣相的壓力。各種吸附等溫線(xiàn)對(duì)應(yīng)著吸附時(shí)氣體在固體表面上的排列形式，固體的孔、表面積、孔徑分布以及孔容積等有關(guān)信息。圖1 六類(lèi)氣體吸附等溫線(xiàn)I型等溫線(xiàn)的特點(diǎn)是，在低相對(duì)壓力區(qū)域，氣體吸附量有一個(gè)快速增長(zhǎng)。這是由于發(fā)生了微孔填充過(guò)程。隨后的水平或近水平平臺(tái)

3、表明，微孔已經(jīng)充滿(mǎn)，沒(méi)有或幾乎沒(méi)有進(jìn)一步的吸附發(fā)生。達(dá)到飽和壓力時(shí)，可能出現(xiàn)吸附質(zhì)凝聚。外表面相對(duì)較小的微孔固體，如活性炭、分子篩沸石和某些多孔氧化物，表現(xiàn)出這種等溫線(xiàn)。II型等溫線(xiàn)一般由非孔或宏孔固體產(chǎn)生。B點(diǎn)通常被作為單層吸附容量結(jié)束的標(biāo)志。III型等溫線(xiàn)以向相對(duì)壓力軸凸出為特征。這種等溫線(xiàn)在非孔或宏孔固體上發(fā)生弱的氣固相互作用時(shí)出現(xiàn)，而且不常見(jiàn)。IV型等溫線(xiàn)由介孔固體產(chǎn)生。一個(gè)典型特征是等溫線(xiàn)的吸附分支與等溫線(xiàn)的脫附分支不一致，可以觀察到遲滯回線(xiàn)。在P/P0值更高的區(qū)域可觀察到一個(gè)平臺(tái)，有時(shí)以等溫線(xiàn)的最終轉(zhuǎn)而向上結(jié)束。V型等溫線(xiàn)的特征是向相對(duì)壓力軸凸起。與III型等溫線(xiàn)不同，在更高相對(duì)壓

4、力下存在一個(gè)拐點(diǎn)。V型等溫線(xiàn)來(lái)源于微孔和介孔固體上的弱氣固相互作用，微孔材料的水蒸汽吸附常見(jiàn)此類(lèi)線(xiàn)型。VI型等溫線(xiàn)以其吸附過(guò)程的臺(tái)階狀特性而著稱(chēng)。這些臺(tái)階來(lái)源于均勻非孔表面的依次多層吸附。液氮溫度下的氮?dú)馕讲荒塬@得這種等溫線(xiàn)的完整形式，而液氬下的氬吸附則可以實(shí)現(xiàn)。在這些等溫線(xiàn)類(lèi)型中，已發(fā)現(xiàn)存在多種遲滯回線(xiàn)。雖然影響吸附遲滯的不同原因尚未完全清晰，但其存在4種特征，并已由國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）劃分出了4種特征類(lèi)型。遲滯回線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型如圖2所示。圖2 遲滯回線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型H1型遲滯回線(xiàn)可在孔徑分布相對(duì)較窄的介孔材料，和尺寸較均勻的球形顆粒聚集體中觀察到。H2型遲滯回線(xiàn)由有些固體，如

5、某些二氧化硅凝膠給出。其中孔徑分布和孔形狀可能不好確定，比如，孔徑分布比H1型回線(xiàn)更寬。H3型遲滯回線(xiàn)由片狀顆粒材料，如粘土，或由縫形孔材料給出，在較高相對(duì)壓力區(qū)域沒(méi)有表現(xiàn)出任何吸附限制。H4型遲滯回線(xiàn)在含有狹窄的縫形孔的固體，如活性炭中見(jiàn)到，在較高相對(duì)壓力區(qū)域也沒(méi)有表現(xiàn)出吸附限制。2.2 液相吸附等溫線(xiàn)吉里斯等人所涉及的是所有有機(jī)溶質(zhì)向固體表面的吸附，根據(jù)其初始斜率可分為四種類(lèi)型，分別為：S，L(朗格繆爾，Langmuir型)，H(高親合力，High affinity型)，C(恒定分配型)。四種典型的吸附等溫線(xiàn)如圖3所示。圖3 四種典型的吸附等溫線(xiàn)當(dāng)溶質(zhì)分子滿(mǎn)足下述三個(gè)條件時(shí)，便形成S型曲線(xiàn)

6、：為單官能性；具有中等程度的分子間作用力，能垂直于吸附層排列；能強(qiáng)烈地向溶劑分子和其它分子爭(zhēng)奪基質(zhì)上的有效吸附中心。吉里斯等人認(rèn)為，芳香族溶質(zhì)、C5以上的脂肪族溶質(zhì)呈現(xiàn)S型吸附，吸附的分子是垂直于表面定向排列的。但是，逆定理并不成立。萘、蒽的單磺酸鹽在纖維素上的吸附遵從S型吸附甲醇由苯中向干燥的纖維素上的吸附等溫線(xiàn)呈S型。呈L型吸附的體系實(shí)際上滿(mǎn)足下列條件它具有下述特性之一：被吸附的分子是以平置狀態(tài)排列的，例如間苯二酚、對(duì)苯二甲醛等在氧化鋁上的吸附；即使是以垂直吸附的，但與溶劑的競(jìng)爭(zhēng)力幾乎沒(méi)有。這是L型曲線(xiàn)的一種特殊場(chǎng)合，由于溶質(zhì)的親和性高，在稀薄溶液中溶質(zhì)被完全吸附，或者至少溶液中無(wú)法測(cè)定殘

7、留溶質(zhì)量，所以在吸附等溫線(xiàn)的初期部分是垂直的。這種場(chǎng)合吸附的特點(diǎn)是在達(dá)到飽和之前，溶質(zhì)在溶液和基質(zhì)之間按一定的比例分配，與溶質(zhì)在兩個(gè)不相混溶的溶劑之間分配的平衡曲線(xiàn)相同。之所以能呈直線(xiàn)，說(shuō)明吸附位置數(shù)是一定的，這符合拉鏈原理。C型曲線(xiàn)所表示的體系主要有四種類(lèi)型：(1)非離子和單離子性芳香族溶質(zhì)從惰性溶劑中向疏水性聚合體(醋纖、聚酯等)上的吸附；(2)苯(由正庚烷)或水(由丁醇)向干燥羊毛上的吸附；(3)氨基酸、縮胺酸等從水中向氧化鋁粉末上的吸附；(4)在水中苯酚向合成多肽上的吸附(在羊毛上為S型曲線(xiàn))，多半是由于合成多肽的結(jié)晶度高。水不易進(jìn)人，所以就變成了C型幫助分散染料向聚酯纖維內(nèi)部的載體通

8、常亦呈C型曲線(xiàn)。3 吸附等溫線(xiàn)的應(yīng)用吸附等溫曲線(xiàn)用途廣泛，在許多行業(yè)都有應(yīng)用。3.1指導(dǎo)混合吸附劑的裝填方法李旭1等人探討了吸附等溫線(xiàn)指導(dǎo)混合吸附劑的裝填方法，混合吸附劑的裝填方式，主要取決于各種吸附劑在整個(gè)吸附脫附過(guò)程中的動(dòng)態(tài)吸附量，可通過(guò)吸附等溫線(xiàn)進(jìn)行分析和指導(dǎo)。在解吸壓力不變的情況下，將吸附劑裝填在吸附塔的下端，殘留吸附量會(huì)小于將吸附劑裝填在吸附塔上端的時(shí)候，而動(dòng)態(tài)吸附量則會(huì)大于將吸附劑裝填在吸附塔上端的時(shí)候。對(duì)于不同的吸附質(zhì)一吸附劑體系，沖洗作用所起到的效果是不同的，效果的大小以動(dòng)態(tài)吸附量的變化大小為表征，取決于該吸附質(zhì)一吸附劑體系的吸附等溫線(xiàn)，故對(duì)于該類(lèi)混合吸附劑的裝填，有以下原則：

9、(1)吸附等溫線(xiàn)在低壓段斜率較大的吸附體系，適合將該體系的吸附劑裝填在吸附塔的下端。(2)吸附等溫線(xiàn)在高壓段斜率較大的吸附體系，適合將該體系的吸附劑裝填在吸附塔的上端。3.2研究固體表面的分形性質(zhì)趙振國(guó)2對(duì)固體表面的分形性質(zhì)進(jìn)行了研究，利用氣體和蒸氣吸附等溫線(xiàn)數(shù)據(jù)求出的單層飽和吸附量和根據(jù)等溫線(xiàn)毛細(xì)凝結(jié)區(qū)域數(shù)據(jù)求算分形固體表面分維值的方法；提出了用固體自溶液中吸附數(shù)據(jù)計(jì)算分維值的方法；討論了介孔吸附劑的分維和固體表面分形性質(zhì)在物理化學(xué)方面的應(yīng)用。采用液相吸附法采用自制硅膠，從四氯化碳中吸附脂肪醇，從環(huán)己烷中吸附脂肪醇、酮、酯和含氧芳香化合物，測(cè)的這種硅膠的分維D=2.00。對(duì)于同一硅膠用氣體單

10、層飽和吸附量法、FHH方程法和液相吸附法所得D值基本一致，這些方法的結(jié)果得到了相互印證。3.3 評(píng)價(jià)離子交換樹(shù)脂的脫色效能賴(lài)?guó)P英等3進(jìn)行了用吸附等溫線(xiàn)評(píng)價(jià)離子交換樹(shù)脂的脫色效能的研究，用四種強(qiáng)堿苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂和兩種弱堿丙稀酸系樹(shù)脂對(duì)糖漿進(jìn)行靜態(tài)脫色試驗(yàn)。通過(guò)回歸得到吸附等溫線(xiàn)，用于比較樹(shù)脂的脫色效能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)堿苯乙烯系陰樹(shù)脂比弱堿丙稀系陰樹(shù)脂的脫色效能好，尤以凝腔型的上海714樹(shù)脂較好。3.4 分析催化劑的孔結(jié)構(gòu)袁海寬等4采用溶膠-凝膠法制備了金氟磺酸/二氧化硅(PFSA/SiO2)復(fù)合催化劑，調(diào)整PFSA與TEOS的配比，可制得不同PFSA負(fù)載量的復(fù)合催化劑，將PFSA含量分

11、別為5，13，20和40的催化劑記為PFSA-5、PFSA-13、PFSA-20和PFSA-40。四種催化劑的等溫線(xiàn)均屬于IV型等溫線(xiàn)，PFSA-5、PFSA-13和PFSA-20催化劑屬Hl型滯后環(huán)，而PFSA-40催化劑屬H2型滯后環(huán)。采用BET法確定比表面積，BJH法計(jì)算孔徑分布。結(jié)果顯示，在PFSASiO2催化劑內(nèi)形成了較為發(fā)達(dá)的圓柱狀中孔，且分布較為均一。隨著催化劑內(nèi)PFSA負(fù)載量的增大，表面積和孔容逐漸減小，PFSA-40催化劑的表面積和孔容急劇降低，主要是由于過(guò)多的PFSA負(fù)載量使SiO2孔網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性受到破壞，或部分孔道被堵塞所造成的。總的來(lái)說(shuō)，高度分散和多孔的結(jié)構(gòu)使催化劑的比

12、表面積增大，提高了活性中心的可接近程度，同時(shí)也降低催化劑的成本。中孔材料的吸附脫附等溫線(xiàn)中存在吸附滯后，滯后環(huán)的形狀反映了孔結(jié)構(gòu)類(lèi)型。PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化劑的吸附滯后環(huán)屬于H1型，一般由大小均一且形狀規(guī)則的孔造成，而PFSA-40催化劑的滯后環(huán)變成了H2型，催化劑內(nèi)形成具有瓶頸狀的圓柱狀孔，且分布不均一。采用對(duì)比曲線(xiàn)法(t曲線(xiàn))可修正由BJH方法得到的PFSASiO2催化劑的孔徑分布。PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化劑的t曲線(xiàn)有三個(gè)階段構(gòu)成，分別命名為Stage A，Stage B，Stage C。Stage A，孔壁內(nèi)N2多層吸附：Stage C，

13、N2外表面吸附；Stage B中，PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化劑的，曲線(xiàn)非常陡，表明孔內(nèi)毛細(xì)管凝聚的發(fā)生，同時(shí)也預(yù)示中孔結(jié)構(gòu)形成。PFSA-40催化劑的t曲線(xiàn)Stage B的水平偏離表明其內(nèi)有微孔存在，即PFSA一40催化劑內(nèi)部并不是分布均一的中孔，這與氮?dú)馕綔蟮姆治鼋Y(jié)果相一致。另外，t曲線(xiàn)的微分形狀與多孔材料的孔徑分布非常相似，能定性反映PFSASiO2催化劑的孔徑分布。PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化劑的微分曲線(xiàn)在t=0.61.0 nm存在較為尖銳的峰，意味著均一孔結(jié)構(gòu)的形成。PFSA-40催化劑的微分曲線(xiàn)上所形成的峰并不明顯，表明PFSA-40催化

14、劑具有較寬的孔徑分布，與吸附滯后的分析結(jié)果一致。因此，使用t曲線(xiàn)及其微分曲線(xiàn)來(lái)分析PFSASiO2催化劑的孔徑分布是對(duì)BJH法很好的補(bǔ)充。3.5 表征頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)楊侃等5采用氣體吸附等溫線(xiàn)法對(duì)表征頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行了適用性初探。針對(duì)常見(jiàn)的基于探針氣體吸附等溫線(xiàn)的孔隙表征方法，通過(guò)選擇3件標(biāo)準(zhǔn)樣品(介孔和微孔材料以及納米碳管)，對(duì)比分析了BJH法、HK法和QSDFT法的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)BJH法和HK法分別僅適用于介孔和微孔的表征，而QSDFT法對(duì)介孔和微孔的表征都適用。鑒于頁(yè)巖孔隙具有孔徑分布廣、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，因此建議在分析頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)宜采用QSDFT方法。同時(shí)，還分析了2件采自四川筇竹寺組的頁(yè)巖樣品，分析結(jié)果表明：該頁(yè)巖富含微孔。按照BJH法得到的孔徑分布進(jìn)行的估算，所得甲烷吸附容量顯著低于QSDFT方法的結(jié)果。參考文獻(xiàn)1 李旭，張劍鋒，楊云.吸附等溫線(xiàn)指導(dǎo)混合吸附劑裝填的方法探討J.廣州化工.2014.7.42（13）：37-38.2趙振國(guó).吸附法研究固體表面的分形性質(zhì)J.大學(xué)化學(xué).2005.8.20(4):22-28.3賴(lài)?guó)P英，陳煥章，林福蘭.用吸附