能源与环境中的吸附材料及应用

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1、能源与环境中的吸附材料及应用郑成航zhengch2003@zju.edu.cn2015年4月目录一、吸附概述及常用吸附剂二、吸附原理和评价方法三、常用吸附材料——活性炭2四、碳材料吸附污染物控制技术五、工程应用案例1吸附概述及常用吸附剂基本概念▲吸附——在两相界面中，其中一相物质能自动地富集到另一相上的现象。吸附剂——具有吸附能力的物质（如活性炭）。吸附质——被吸附在吸附剂表面的物质。吸附力——通过氢键、偶极矩作用、范德华力和化学键力等多种化学作用和物理化学作用，使得吸附质被吸附在吸附剂表面。▲脱附——与吸附过程相反，即吸附在吸附剂表面的吸附质从吸附剂表面脱落的过程。▲吸附平衡

2、——当吸附为可逆时，吸附速度和脱附速度相等时，吸附过程达到平衡状态。吸附平衡时溶液浓度不再降低。1吸附概述及常用吸附剂物理吸附和化学吸附●吸附类型（作用力）可分为：物理吸附、化学吸附物理吸附——作用力为分子间作用力即范德华力，其吸热比较低、吸附速度快而且没有选择性。化学吸附——作用力为化学键力，其吸热比较高、吸附速度根据化学键的类型不同而有较大的差别，并且有一定的选择性。举例：水处理吸附——可有效地去除水中的臭味，使水中大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等能牢固地吸附在吸附剂表面上或孔隙中，并使腐殖质、合成有机物和低分子量有机物有明显的去除效果。1吸附概述及常用吸附

3、剂两者之间的本质区别是气体分子与固体表面之间的作用力性质不同。物理吸附是由范德华力引起的，它的性质类似于蒸汽的凝聚和气体的液化；化学吸附涉及化学成键，吸附质分子和吸附剂之间有电子的交换、转移和共有。性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附热较小，与液化热相似较大，与反应热相似吸附速率较快，不受温度影响，一般不需要较慢，随温度升高速率加快，需要活化能活化能吸附层单分子层或多分子层单分子层吸附温度沸点以下或低于临界温度无限制吸附稳定性不稳定，常可完全脱附比较稳定，脱附时常伴有化学反应选择性无选择性有选择性1吸附概述及常用吸附剂活性炭种类很多，一般为粉末状或颗粒状。粉末状的活

4、性炭吸附能力强，制备容易，价格较低，再生困难，一般不能重复使用。颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，操作管理方便。因此在空气净化和水处理中较多采用颗粒状活性炭。活性炭的比表面积(单位重量的吸附剂所具有的表面积称为比表面积)可达800~2000m2/g，有很强的吸附能力。1吸附概述及常用吸附剂活性炭椰壳活性炭木质活性炭果壳活性炭煤质活性炭柱状活性炭1吸附概述及常用吸附剂介孔碳•孔径小于2纳米的称为微孔；•孔径大于50纳米的称为大孔；•孔径在2到50纳米之间的称为介孔（或称中孔）。介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，具有巨大的比表面积（可高达2500m2/g）和孔体积（可高达

5、2.25cm3/g），可在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要应用，因此受到人们的高度重视。1吸附概述及常用吸附剂介孔碳介孔碳材料表现出特殊的性质，有高的比表面积，高孔隙率；孔径尺寸在一定范围内可调；介孔形状多样，孔壁组成、结构和性质可调；通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性；合成简单、易操作、无生理有序介孔碳的合成毒性。它的诱人之处还在于其在燃料电池，吸附，催化反应，电化学等领域的潜在应用价值。近年来，介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科交叉的热点研究领域之一，更成为材料科学发展的一个重要里程碑。1吸附概述及常用吸附剂分子筛1932年，“

6、分子筛”的概念被提出。分子筛是指具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质。可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化剂、离子交换剂等。常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3~2nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。硅藻土的分子筛结构1吸附概述及常用吸附剂沸石分子筛一种网架状铝硅酸盐火山岩矿物。沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A、4A、5A、10A细孔。分子筛依据其晶体内部孔穴的大小对分子进行选择性吸附，也就是吸附一定大小的分子而排斥较大物质

7、的分子。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥、催化剂载体等。1吸附概述及常用吸附剂活性氧化铝又名活性矾土，在催化剂中使用氧化铝（AL2O3）的通常专称为活性氧化铝，它是一种多孔性、高分散度的固体材料，有很大的表面积，其微孔表面具备催化作用所要求的特性，如吸附性能、除氟性能，干燥性能，表面活性、优良的热稳定性等，所以广泛地被用作家庭干燥剂以及化学反应的催化剂和催化剂载体。1吸附概述及常用吸附剂硅胶一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，主要分布在中国、美国、丹麦、法国等。由无定形的