固体自溶液中的吸附.pptx

胶体与界面化学胶体与界面化学 导论导论（六）（六）环境工程专业环境工程专业 2.8 2.8 固体固体-溶液界面吸附溶液界面吸附Adsorption at solid-liquid interfaceAdsorption at solid-liquid interface1、固、固-液吸附的特点液吸附的特点固-液吸附对纯液体的吸附(界面密度增大)溶液中的吸附(界面浓度的变化)通常只研究后者特点:多组分的竞争吸附，影响因素复杂。多组分的竞争吸附，影响因素复杂。固体自溶液中吸附的三种作用力固体自溶液中吸附的三种作用力n n界面层上固体与溶质之间的相互作用力。n n固体与溶剂之间的作用力n n溶液中溶质与溶剂之间的相互作用力结论：溶液中的吸附是溶质和溶剂分子竞争吸附净结果；固体表面的溶质浓度比溶液内部大，为正吸附；否则为负吸附。固固-液吸附速率液吸附速率n n溶液中的吸附速率一般小于气体吸附速率，所以溶液中的吸附速率一般小于气体吸附速率，所以溶液吸附平衡时间较长。溶液吸附平衡时间较长。n n原因：原因：（1 1）溶质分子在溶液中的扩散速度小于在气）溶质分子在溶液中的扩散速度小于在气 体中的扩散速度体中的扩散速度（2 2）固体表面有一层液膜，溶质分子必须通）固体表面有一层液膜，溶质分子必须通 过这层膜才能被吸附，所以，吸附速慢。过这层膜才能被吸附，所以，吸附速慢。（3 3）吸附剂表面孔的因素。）吸附剂表面孔的因素。表观吸附量表观吸附量Ci,0:溶液中i组分的起始浓度Ci,e:达吸附平衡时，溶液中i组分的浓度V:溶液的体积m:溶剂的质量nis:i 组分的表观吸附量（忽略了溶剂吸附对 浓度的影响，在稀溶液中，约等于真实吸 附量）表观吸附量的实验测定方法表观吸附量的实验测定方法表观吸附量的实验测定方法表观吸附量的实验测定方法n n将一定量的固体放入一定量的已知浓度的溶液中，不断振将一定量的固体放入一定量的已知浓度的溶液中，不断振荡，当吸附达到平衡后，测定溶液的浓度，从溶液浓度的荡，当吸附达到平衡后，测定溶液的浓度，从溶液浓度的变化，计算每克固体吸附的溶质量，可计算表观吸附量。变化，计算每克固体吸附的溶质量，可计算表观吸附量。n n例：高岭石对重金属的吸附作用的研究例：高岭石对重金属的吸附作用的研究（1 1）将一定量的高岭石放入一定量的已知浓度的）将一定量的高岭石放入一定量的已知浓度的 铜溶液铜溶液 中，不断振荡中，不断振荡1212小时，静置吸附小时，静置吸附4848小时。小时。（2 2）当吸附达到平衡后，在）当吸附达到平衡后，在45004500转转/分离心分离分离心分离1010分钟，取分钟，取 上层清夜，测定溶液中铜离子浓度。上层清夜，测定溶液中铜离子浓度。（3 3）从溶液浓度的变化，根据公式计算每克固体吸附的溶）从溶液浓度的变化，根据公式计算每克固体吸附的溶 质量，可计算表观吸附量。质量，可计算表观吸附量。（4 4）借助气相吸附理论，研究溶液的平衡浓度与表观吸附）借助气相吸附理论，研究溶液的平衡浓度与表观吸附 量的关系（量的关系（BETBET、FreundivhFreundivh、LangmuirLangmuir），处理液相吸），处理液相吸 附结果。附结果。溶液中所含杂质的影响往往不可忽略。多为物理吸附。一般来说，和固体表面性质相近者易被吸附2.在稀溶液中的吸附在稀溶液中的吸附(1)(1)稀溶液是由溶剂和具有一定溶解度的溶质组成的稀溶液是由溶剂和具有一定溶解度的溶质组成的溶液溶液,由于稀溶液中溶质的摩尔数接近于由于稀溶液中溶质的摩尔数接近于1 1，吸附，吸附过程中溶剂的浓度基本不变，所以测得的吸附量过程中溶剂的浓度基本不变，所以测得的吸附量基本只是由溶质的吸附引起的。基本只是由溶质的吸附引起的。（2 2）固体自稀溶液中的的吸附等温线的形状与固）固体自稀溶液中的的吸附等温线的形状与固-气吸附相似，通常气体吸附中的公式也可用于溶气吸附相似，通常气体吸附中的公式也可用于溶液吸附。液吸附。自稀溶液中的吸附等温式自稀溶液中的吸附等温式（1）.吸附等温方程式吸附等温方程式 Langmuir 等温式等温式Bs,Bb:分别代表被吸附的和溶液中的溶质As,Ab:分别代表被吸附的和溶液中的溶剂吸附平衡常数a1b,a2b:溶剂、溶质在溶液本体中的活度x1s ,x2s:溶剂、溶质在吸附层中的摩尔分数稀溶液中a1b常数在稀溶液中设 ns代表=1时被吸附物质的总的物质的量（摩尔数）Freundlich 等温式等温式对稀溶液，Gibbs等温式可写作S:固体的比表面 设固体与纯溶剂的界面张力为设固体与纯溶剂的界面张力为0，界面，界面上铺满单分子层时的界面张力为上铺满单分子层时的界面张力为m，则当界，则当界面上溶质分子的覆盖率为面上溶质分子的覆盖率为时，界面张力为时，界面张力为作不定积分将（）式代入求导 吸附等温线n2scS型溶剂有强烈竞争吸附，且溶质为垂直定向吸附溶剂吸附少，且溶质为线形分子，躺式吸附溶质与固体吸附力强，化学吸附L型H型C型3.吸附剂、溶质和溶剂的极性等其它性质对吸附量吸附剂、溶质和溶剂的极性等其它性质对吸附量 的影响的影响（1）同系物的吸附）同系物的吸附Traube规则规则 “吸附量随碳链的增加而有规律的增加”。n n例例1 1：碳自水溶液中吸附脂肪酸：碳自水溶液中吸附脂肪酸n n吸附质：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸 判断：吸附量顺序？n n吸附量的顺序：甲酸乙酸丙酸丁酸n n原因：非极性吸附剂总是易自极性溶剂中 吸附非极性组分。例例2：硅胶自四氯化碳中吸附脂肪醇：硅胶自四氯化碳中吸附脂肪醇n n吸附质：乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊醇乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊醇、n n 正己醇、正辛醇n n判断吸附量顺序？n n乙醇正丙醇正丁醇正戊醇乙醇正丙醇正丁醇正戊醇正己醇正辛醇n n原因：极性吸附剂总是易自非极性溶剂中 吸附极性组分。（2）溶质的溶解度对吸附的影响）溶质的溶解度对吸附的影响n n由于溶质的溶解度越小，表示溶质与溶剂的相互作用力相对较弱。因此，被吸附的倾向越大，越容易被吸附。n n范例范例1 1：脂肪酸的碳氢链越长，在水中的溶解度越小，脂肪酸的碳氢链越长，在水中的溶解度越小，被活性碳吸附的越多；若在四氯化碳溶剂中，脂被活性碳吸附的越多；若在四氯化碳溶剂中，脂肪酸的碳氢链越长，溶解度越大，其被活性碳吸肪酸的碳氢链越长，溶解度越大，其被活性碳吸附的越小。附的越小。范例范例2：n n苯甲酸在四氯化碳中的溶解度远远大于在水中的苯甲酸在四氯化碳中的溶解度远远大于在水中的溶解度。溶解度。n n判断：硅胶在两种溶剂中对同浓度的苯甲酸（约判断：硅胶在两种溶剂中对同浓度的苯甲酸（约0.1mol/L0.1mol/L）吸附时）吸附时,在那一种情况下吸附量更大在那一种情况下吸附量更大?n n结论结论:硅胶自四氯化碳中吸附苯甲酸的量大于在水硅胶自四氯化碳中吸附苯甲酸的量大于在水中吸附的量中吸附的量.因为硅胶是极性吸附剂，水的极性比苯甲酸强，因为硅胶是极性吸附剂，水的极性比苯甲酸强，硅胶对水有强烈的吸引力，所以减少了硅胶对苯硅胶对水有强烈的吸引力，所以减少了硅胶对苯甲酸的吸附，而硅胶对四氯化碳的吸引力弱，所甲酸的吸附，而硅胶对四氯化碳的吸引力弱，所以硅胶易于吸附苯甲酸。以硅胶易于吸附苯甲酸。(3)温度的影响温度的影响n n一般情况下，溶液吸附为放热过程，温度升高，一般情况下，溶液吸附为放热过程，温度升高，吸附量减少。吸附量减少。n n若溶质吸附时从表面上替换下大量溶剂分子，则若溶质吸附时从表面上替换下大量溶剂分子，则体系熵增加，是熵驱动过程，温度升高，吸附体系熵增加，是熵驱动过程，温度升高，吸附量增加。量增加。n n溶质的溶解度与温度有关。温度升高，溶解度增溶质的溶解度与温度有关。温度升高，溶解度增加，则吸附量减少。反之亦然。加，则吸附量减少。反之亦然。（4）吸附剂孔径大小的影响）吸附剂孔径大小的影响n n孔径越小，吸附剂向孔径内扩散的速度越慢，吸附平衡时间越长；且只有尺寸小于孔径的溶质分子才能被吸附。（5）盐对吸附的影响）盐对吸附的影响n n盐影响溶剂和溶质间的相互作用，因此影响吸附过程。n n例：盐使溶质的溶解度减少，则吸附量随盐浓度例：盐使溶质的溶解度减少，则吸附量随盐浓度的增加而增加，反之，盐使溶质的溶解度减少，的增加而增加，反之，盐使溶质的溶解度减少，则吸附量随盐浓度的增加而减少。则吸附量随盐浓度的增加而减少。4.混合混合(物物)吸附（吸附（溶液中的溶质有两种以上溶液中的溶质有两种以上溶液中的溶质有两种以上溶液中的溶质有两种以上）n n一种溶质（一种溶质（A A）的吸附量会因另一种溶质（的吸附量会因另一种溶质（B B）的）的加入而降低加入而降低n nB B浓度越大，则浓度越大，则A A的吸附量越低的吸附量越低n n溶液吸附中，溶液吸附中，Langmuir Langmuir 公式公式 X/m=X/m=（X/mX/m）m m，b c/1+b cb c/1+b c （X/mX/m）i i=（X/mX/m）m m，i i b bi i c ci i /1+/1+I I b bi i c ci i （X/mX/m）i i/（X/mX/m）j j=（X/mX/m）m m，i i b bi i c ci i/（X/mX/m）m m，j j b bj j c cj j从溶液从溶液从溶液从溶液LangmuirLangmuir公式可见：公式可见：公式可见：公式可见：n n一般情况下，两种溶质的相对吸附量只与两种溶一般情况下，两种溶质的相对吸附量只与两种溶质的相对浓度有关，与第三种溶质的存在与否无质的相对浓度有关，与第三种溶质的存在与否无关关n n若溶液中有一种被强烈吸附的溶质，则其它衡量若溶液中有一种被强烈吸附的溶质，则其它衡量溶质的吸附等温线式是线性的。溶质的吸附等温线式是线性的。（X/mX/m）i i=（X/mX/m）m m，i i b bi i c ci i /1+/1+I I b bi i c ci i （X/mX/m）i i=（X/mX/m）m m，i i b bi i c ci i /b/b1 1 c c1 1 （X/mX/m）i i=（X/mX/m）m m，i i bi i c ci i/b b1 1 c c1 1 （X/mX/m）i i=H iCiH H：Henry Henry 系数。该系数只与该溶质本身的性质和系数。该系数只与该溶质本身的性质和主要溶质的性质和浓度有关。而与其它的溶质无主要溶质的性质和浓度有关。而与其它的溶质无关。关。5.混合溶剂对固混合溶剂对固-液吸附的影响液吸附的影响n n当混合溶剂由两种非极性溶剂组成当混合溶剂由两种非极性溶剂组成,则从混合溶剂则从混合溶剂吸附第三组分的等温线一般介于两种单纯溶剂的吸附第三组分的等温线一般介于两种单纯溶剂的溶液中吸附时的等温线之间溶液中吸附时的等温线之间n n混合溶剂由一种非极性溶剂和一种极性溶剂组成混合溶剂由一种非极性溶剂和一种极性溶剂组成,则从混合溶剂吸附第三组分的量比任何一种单纯则从混合溶剂吸附第三组分的量比任何一种单纯溶剂中的溶液吸附时的量少溶剂中的溶液吸附时的量少.5.对高分子的吸附对高分子的吸附6.对表面活性剂的吸附对表面活性剂的吸附7.对电解质的吸附对电解质的吸附8.生命过程中某些化学物质的吸附生命过程中某些化学物质的吸附9.二元液体混合物中的吸附二元液体混合物中的吸附 固液界面吸附的应用固液界面吸附的应用(1)液相物质的分离提纯(2)液相色谱(3)洗涤作用(4)矿物浮选(5)制备LB膜(6)分散作用(7)无机-有机高分子聚合9.固固-液吸附在环境领域中的应用液吸附在环境领域中的应用n n范例(1):活性碳用于水和废水的处理水和废水的处理n n生活饮用水和工业用水标准n n活性碳的吸附机理n n活性碳吸附对废水处理的方式n n水处理后活性碳的再生n n范例(2):黏土矿物吸附的应用作业：n n从网上查询2003-2005两年来关于固体吸附剂在环境科学领域应用的研究文献,根据所查文献，选择你感兴趣的课题，完成一篇综述报告。(要求有摘要、关键词，并请注明参考文献)作业：作业：从网上查询固-液吸附在环境科学领域应用的范例,并进行简单的综述.(请注明文献来源)