吸附剂配方分析

                             
 1.前言

能有效地从气相或液相中吸附一种或几种成分的固体物质称为吸附剂。吸附剂的共同特点是有大的比表面积、适宜的孔径结构和表面结构，对吸附质有强烈的选择吸附能力，一般不与吸附质和介质发生化学反应，制造方便、易再生，有良好的力学强度等。吸附剂可按孔径大小、颗粒形状、化学成分、表面性质等分类，如粗孔和细孔吸附剂，粉状、粒状、条状吸附剂，碳和氧化物类吸附剂，极性和非极性吸附剂等。

最常用的吸附剂有以碳为基本成分的活性炭、炭黑、碳分子筛等；金属和非金属氧化物，如氧化铝、沸石分子筛、黏土、硅胶的盐类。

 2.吸附剂物性表征

1)孔结构：大部分吸附剂和多相催化剂都有丰富的孔。孔结构的含义比较广泛、其中应包括孔径大小及分布、孔的形状和类型、内孔体积与固体总体积之比、单位质量吸附剂的孔体积。

同一种吸附剂或不同种吸附剂的孔，其大小和形状都有很大变化。通常对孔的大小以孔的宽度表征。如圆孔宽度即为直径，重叠板形孔的宽度为其板间距。孔大小的分类有：孔宽度小于2nm的为微孔，孔宽度在2~50nm之间为中孔，孔宽度大于50nm为大孔。孔径分布、比孔容、孔隙率也常用来表征孔结构。

微孔宽度与大多数气体分子和有机小分子的大小接近，在微孔中吸附分子受到周围孔壁的叠加相互作用，使其吸附势能比在平面上和大孔中的大得多。这种高吸附势能的表现是在微孔中的微分吸附热高；在低平衡压力时微孔吸附剂仍可保持相当大的吸附力。微孔吸附剂的主要参数不是比表面而是微孔孔径和微孔容积，微孔孔径限制了能被吸附分子的大小，微孔体积决定了最大吸附能。

中孔的宽度较一般分子大得多。在中孔吸附剂上表面与吸附分子的作用限于距表面不远的距离内，在表面上可发生单分子层或多分子层吸附。中孔吸附剂最重要的参数是比表面，它决定了吸附量的大小。

大孔的宽度过大，以至于在这类吸附剂上吸附与在平表面上无异，在大孔上不发生毛细凝结。一般来说，很少有单纯含大孔的吸附剂，大孔只是通向吸附剂中孔或微孔的通道。少量的大孔吸附剂多用作色谱担体。

2)孔隙率：开孔孔隙体积占样品总体积的百分数称为孔隙率，也称气孔率、孔度。对于同一类吸附剂，孔隙率越大吸附能力越强。

3)比表面积：单位体积或单位质量固体的表面积称为比表面积。但是，对于吸附剂和催化剂通常更为明确地定义为1g固体的总表面积，通常用单位m2/g 。

 形状规则和无孔固体的比表面可采用测量固体的大小来计算比表面。如半径均匀的聚苯乙烯胶乳，可用不同手段准确测出半径、根据单位质量胶乳中含有的粒子数计算出比表面。对于空性吸附剂，测定比表面可采用气体吸附法、溶液吸附法、润湿热法进行测定。

4)密度：单位体积物质的质量成为密度。对于多孔性或粉状吸附剂，因采用不同的含义或采用不同的方法度量物体体积，故可有表观密度、堆积密度和真空密度之分。

5)粒度：粒度是指粒子大小，但由于对粒子的定义和分类有多种，故粒度的定义比较含混。利用化学反应的方法得到的最初由若干个原子、分子或离子构成的晶粒，称为初级粒子或一次粒子，这种粒子的大小一般小于100nm。由若干一次粒子聚集而成的聚集体称为二次粒子，其大小与形成一次粒子时介质中的可溶性物质及以后加入的添加剂性质、浓度等因素有关。由此，粒度可视为颗粒在空间范围内的线性尺度，球形颗粒粒度即为其直径，非球形颗粒粒度可用相当的球形的直径为其粒度。对于远非球形的颗粒有时也可用其几何量和流体力学直径等表示其粒度;实验室中常用的粒度测定方法有筛分分析法、显微镜法、沉降分析法和比表面法。

 3.常用吸附剂的特性及吸附机理

3.1活性炭

 活性炭是一种最常见的黑色大表面多孔性吸附剂，其主要成分为无定形碳，还有少量的氢、氧、氮、硫及灰分。作为优良的吸附剂，活性炭具有以下特点：

 1)大的比表面，活性炭的比表面通常在每克几百平方米以上，大的比表面提供了大吸附能力的条件。

 2)发达的孔隙结构。按常规工艺制备的活性炭均有丰富的微孔，由于微孔的大小与吸附分子大小近于同数量级，故吸附分子受到四周孔壁的叠加吸附作用力，故可有大的吸附量，最大吸附量与微孔体积相等。

 3)活性炭具有碳的六角形排列的网状平面组成的微晶群和无规则碳的结构，使其对吸附分子有强烈的色散力作用。同时，活性炭表面的含氧基团和杂原子对某些吸附分子有极性作用。因此，活性炭既可吸附非极性分子又可吸附某些极性分子。

4)活性炭具有相当好的化学稳定性，耐酸和碱。具有一定的力学强度、易再生、生产成本较低等优点。

3.2硅胶

 硅胶是无定性结构的硅酸干凝胶，有丰富的孔结构和大的比表面，是常用的极性吸附剂。

硅胶是典型的极性吸附剂，可自非极性或弱极性溶剂中吸附极性物质，主要应用于气体干燥、蒸汽回收、有机液体脱水、石油精制等，也常用作色谱载体、多相催化剂载体。

硅胶的化学稳定性好，耐酸但不耐碱。在硅胶上一般都是物理吸附，化学吸附较少。

   3.3沸石分子筛   

沸石分子筛是天然或人工合成的含碱金属和碱土金属的氧化物的结晶硅铝酸盐。一般将天然的分子筛称为沸石分子筛，沸石分子筛有严格的结构和孔隙，孔隙大小因结构差异略有变化，从而可达到对不同分子大小物质的分离，故而得名，天然矿物沸石在常温下孔隙中充满水，加热时水析出，沸石气泡沸腾，故而称为沸石。

沸石分子筛是优良的吸附剂，主要表现在对水等极性小分子有强烈的吸附能力；对于临界直径、形状、极性、不饱和度等不同的分子有选择性吸附能力。

  3.4活性氧化铝

作为吸附剂的氧化铝，通常称为活性氧化铝。活性氧化铝具有大的比表面和丰富的孔结构，有较好的热稳定性和一定的表面酸性，广泛用于炼油、化肥、石油化工等领域，作为干燥剂、吸附剂、催化剂或其载体。

活性氧化铝的表面性质，如较大比表面和丰富的孔结构、较大的表面羟基浓度、表面的两性性质、表面带电性质，使其对某些物质具有良好的吸附能力。

  3.5黏土 

 是岩石经风化而形成的具有一定晶体结构的天然矿物质，黏土的成分和结构都十分复杂，其中有些黏土具有较大的比表面和孔隙结构，可作为天然吸附剂和离子交换剂。

黏土矿物按其晶体结构特点可以分为三类：1)有膨胀晶格的层状矿物。此类黏土有较丰富的孔隙结构和较大的比表面，有较好的吸附和离子交换能力。此类黏土的代表是蒙脱土，也称斑脱土或膨润土。2)有纤维状曾带晶体结构的矿物。此类黏土微孔较少，为提高其吸附能力需进行活化、代表性黏土有海泡石、石棉、凹凸棒土等。3)刚性晶格的层状矿物。此类黏土晶层间细小，水和极性分子不能进入，无膨胀性，无微孔，比表面小。代表品种有高岭土、滑石、叶腊石等。从吸附能力大小来说，黏土可分为有吸附活性的黏土和无吸附活性的黏土两大类。有吸附活性的黏土又可分为天然有吸附活性（如漂白土）和活化后才有活性的（如蒙脱土）两种。高岭土是无吸附活性黏土的代表。因此，在众多黏土矿物中高岭土和蒙脱土最为重要。