吸附（Adsorption），是指在固相-氣相、固相-液相、液相-氣相、液相-液相等體系中，某個相的物質密度或溶于該相中的溶質濃度在界面上發生改變（與本體相不同）的現象。是物質在一相之間界面上的積聚或濃縮，是一種建立在分子擴散基礎上的物質表面現象。根據固體表面吸附力性質的不同，吸附可分為物理吸附、化學吸附和離子交換吸附三種類型。
1773年，C.W.Sheele第一個對木炭吸附氣體的現象進行了科學觀察。1881年，Kayser提出了“吸附”這一術語。在1873-1878年期間，美國物理學家和化學家JW.Gibbs對經典熱力學規律進行了總結，提出了Gibbs吸附公式。1914年，匈牙利外科醫生M.Polanyi提出了一種沒有過多理論假設的吸附理論——吸附勢理論。1916年，美國物理化學家1.Langmuir提出了單層吸附理論，得出了簡明的Lapgmuir吸附等溫式。20世紀20-40年代，一些化學家得到一些吸附等溫式，公式彌補經典吸附勢理論未能給出吸附等溫式的缺陷，而且給出了由吸附等溫線的低、中壓部分的試驗結果測定微孔吸附劑微孔體積的方法。20世紀50年以后，氣體吸附理論的發展主要表現在：對原有氣體吸附理論的修正與補充；混合氣體的吸附，并提出了多種混合氣體吸附公式；吸附熱力學和吸附動力學的研究；不均勻固體表面上的吸附及化學吸附。
吸附與工農業生產的關系非常密切，涉及吸附作用的領域十分廣泛。例如用硅膠、分子篩作為干燥劑吸附氣體中的水分；防毒面具中用活性炭吸附有害氣體；用吸附劑處理廢水或廢氣以去除環境污染物等。在科學研究，特別是固體表面研究中也有廣泛應用。例如BET氣體吸附法測定固體的比表面。此外，在金屬酸洗時使用的緩蝕劑就是依靠其分子吸附在金屬表面，而抑制了金屬在酸中的溶解；潤滑劑在金屬表面的吸附膜起了重要作用等。
詞源
名稱
1881年，Kayser提出了“吸附”這一術語，指出吸附是氣體在空白表面上的凝聚，它與吸收完全不同。“吸著”（Sorption）這一術語是McBain于1909年提出的，它包括吸附、毛細凝聚和吸收。
定義
吸附可以定義為物質（吸附質（adsorbate））從氣相或液相中國移動通信集團并在固體或液體凝聚態（基體（substrate））上形成表面單分子層的過程。每個相都是一個與主體系統其他部分有界限區分的明顯區域，其物理性質（如化學組成）不變。最終，吸附質的物理化學性質決定了吸附發生的程度。
歷史沿革
古代應用
自然界充滿了吸附（Adsorption）現象。據說在古埃及，使用最古老的吸附劑對棉、絲等動植物纖維進行染色、鞣革，用木炭、骨炭對酒、水和砂糖等飲料和食品進行脫色精制。中國湖南長沙馬王堆一號漢墓，修建于公元前178年，古墓結構為里面4層木棺，木棺外面放置5t木炭，木炭周圍再用白陶土防水。由于采用了這些完美的保護措施，使得墓中的尸體和隨葬品在經歷了2000多年的漫長時間后依然保持著令人難以置信的完好狀態。在日本，京都皇宮的地板下也鋪了很厚的木炭。
近代發現及研究
1773年，C.W.Sheele第一個對木炭吸附氣體的現象進行了科學觀察，1777年，A.F.Fontana報道了木炭脫出氣體后能吸附一定量的其他氣體。同時，氧的發現者之一的瑞典科學家C.W.Scheele發現木炭在加熱時放出的氣體，在冷卻時又被木炭吸著。1785年，俄羅斯科學家T.Lowitz發現木炭可以脫除溶液中的有色物質。還有其他人記載了木炭有凈水、除濕等吸著作用。這些工作都是定性的觀察和描述。
1814年，瑞士學者T.deSaussure第一個系統地研究了多種氣體在幾種吸附劑上的吸著。他認為不同木炭吸著不同氣體的體積不同，并且他首先指出吸著氣體的多少決定于固體的表面積，且指出吸著氣體的過程伴隨有熱量的釋出，即這一過程是放熱過程。1843年，Mitscherlich注意到在吸著氣體時木炭中孔的作用，并估計出木炭孔的平均直徑。1879年，Smith將多種氣體在炭上的吸著能力以吸著氣體的體積排列次序（以氫的吸著體積為1計）：H2（1），N2（4.25），CO（6.03），O2（7.99），CH4（10.01），N2O（12.90），CO2，（22.05），SO2（36.95），括號內為相應的吸著體積。此順序恰與各氣體沸點有關，沸點越低，吸著體積越小。在這些代表性工作中已開始涉及吸著的性質和規律，尚未能區分吸附與吸收。
吸附熱力學、吸附動力學及多種吸附模型的理論成果在19世紀末-20世紀初相繼出現。在1873-1878年期間，美國物理學家和化學家JW.Gibbs對經典熱力學規律進行了總結，并全面解決了熱力學體系平衡問題，提出了Gibbs吸附公式。這一成果是吸附理論的基礎，適用于解決一切界面吸附問題，特別是對處理氣液和液液界面的吸附研究更為方便。
在第一次世界大戰期間，俄羅斯科學家以二次活化的炭為吸附劑制成了防毒面具，有效地防止濾器、光氣等毒氣對人體的毒害。在解決毒氣工作的基礎上，N.A.Shilov提出了床層吸附動力學的方程式。1911年，德國膠體化學家R.A.Zsigmondy為了解釋孔性固體吸附等溫線滯后圈現象，根據凹液面上的平衡蒸氣壓小于同溫度下平液面上的飽和蒸氣壓提出了毛細凝聚理論，該理論是微孔吸附劑吸附的理論依據。
20世紀后發展
20世紀初，多相催化開始迅速發展，多相催化的基本步驟是反應物向催化劑表面擴散并被吸附，在催化劑表面進行化學反應生成產物，產物從表面脫附并向體相擴散。因此，研究反應物的吸附、產物的脫附、催化劑表面性質是進行催化研究的重要內容。1910年，合成氨的大量工業生產是多相催化工藝的發展，測定出了多種氣體在這些催化劑上的吸附曲線，從中選擇有最佳活性的催化劑和工藝條件。BET的多分子層吸附理論和BDDT對氣體吸附等溫線的分類就是在這種歷史背景下提出的。
1914年，匈牙利外科醫生M.Polanyi提出了一種沒有過多理論假設的吸附理論——吸附勢理論。該理論認為在固體表面有勢能場，吸附質分子落入此勢能場中即被吸附。這一理論較早地解決了吸附等溫線的預示，但未能給出明確的吸附等溫式。1916年，美國物理化學家1.Langmuir提出了單層吸附理論，這一理論有明確的假設條件，得出了簡明的吸附等溫式—Lapgmuir方程。單分子層吸附理論是后續發展的BET多層吸附理論的基礎。在此之前，經驗的Freundlich 吸附等溫式問世。吸附勢理論在初期只是理論的描述為給出吸附等溫式，故在一段時間內未受到重視。后續的發展將吸附平衡、吸附量、微孔體積孔結構、吸附能聯系起來，這一理論在等溫線預示、液相吸附中都得到應用。
20世紀20-40年代，一些化學家將吸附的氣體視為二維氣體，它們可在固體表面上運動，并可能有相互間的作用，因而它們服從多種形式的二維氣體狀態方程，將這些關系與Gibbs吸附公式結合，得到一些吸附等溫式，這一公式不僅彌補了經典吸附勢理論未能給出吸附等溫式的缺陷，而且給出了由吸附等溫線的低、中壓部分的試驗結果測定微孔吸附劑微孔體積的方法。20世紀50年以后，氣體吸附理論的發展主要表現在：對原有氣體吸附理論的修正與補充；混合氣體的吸附，并提出了多種混合氣體吸附公式；吸附熱力學和吸附動力學的研究；不均勻固體表面上的吸附及化學吸附。
原理
吸附機理
吸附作用可發生在氣-液、氣-固或液-固二相之間。當二相物質相互接觸時，二者界面上呈現一個內部組成不同于原來任何一相的區域，同原來相內的物質濃度相比，界面上物質濃度的增加即稱為吸附。或者說，吸附是指物質在一相之間界面上的積聚或濃縮，是一種建立在分子擴散基礎上的物質表面現象。分子之間的吸引力促成吸附。
吸附類型
根據固體表面吸附力性質的不同，吸附可分為物理吸附、化學吸附和離子交換吸附三種類型。物理吸附和化學吸附并非獨立，常伴隨發生。在污水處理技術中，大部分的吸附往往是幾種吸附綜合作用的結果。由于吸附質、吸附劑及其他因素的影響，常以某一種吸附為主，如有的吸附在低溫時主要是物理吸附，在高溫時主要是化學吸附。
物理吸附
吸附劑和吸附質之間通過分子間力產生的吸附稱為物理吸附，是一種常見的吸附現象。因為吸附是由分子力（范德華力）引起的，所以吸附熱較小，一般在41.9kJ/摩爾 以內。物理吸附因為不發生化學作用，所以低溫時就能進行。被吸附的分子由于熱運動還會離開吸附劑表面，這種現象稱為解吸，它是吸附的逆過程。物理吸附可形成單分子或多分子吸附層。由于分子間力是普遍存在的，所以一種吸附劑可吸附多種吸附質。由于吸附劑和吸附質的極性強弱不同，吸附劑對吸附質的吸附量存在差異。
化學吸附
電子在吸附質和吸附劑表面之間交換或共有而出現化學反應，使得吸附質和吸附劑之間產生化學鍵吸附作用，這一過程稱為化學吸附（或化學吸著）。吸附質與吸附劑之間由于化學鍵力發生了化學作用，使得其化學性質改變。如生石灰吸附CO2，形成CaCO3。化學吸附一般在較高溫度下進行，吸附熱較大，相當于化學反應熱，一般為83.7~418.7kJ/摩爾。化學吸附具有選擇性，表現為一種吸附劑只能對某種或幾種吸附質發生吸附。由于化學吸附是靠吸附劑和吸附質之間的化學鍵力進行的，吸附只能形成單分子吸附層。當化學鍵力大時，化學吸附是不可逆的。
離子交換吸附
吸附質的離子由于靜電引力聚集到吸附劑表面的帶電點上，同時吸附劑也會釋放出一個等當量離子，離子所帶電荷越多，吸附越強。對于電荷相同的離子水化半徑越小，越易被吸附。
相關理論
吸附質
在吸附過程中，被吸附到固體表面的物質或能夠被固體表面吸附的物質叫吸附質（adsorbate）。
吸附劑
吸附質所依附的物質稱為吸附劑（adsorent），即具有吸附另一種物質的能力的物質，多指固態物質。廣義來看，一切固體表面都有吸附作用，但實際上，只有具有較大比表面積的多孔物質或細微顆粒，才具有明顯的吸附能力。
吸附劑是吸附法的核心，總體可分為無機化合物吸附劑和有機吸附劑。其中，常見的無機吸附劑有活性炭、活性炭纖維、納米碳管、分子篩、黏土、多孔硅膠等。吸附設計中為了盡可能提高吸附效率，要考慮的因素很多，對于一定的生產任務，吸附質的性質和濃度是確定的，需要考慮的因素是吸附劑的選擇、吸附裝置及吸附流程的選擇。吸附劑的性質直接影響吸附效率，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。
吸附等溫線
吸附等溫線是指在一定溫度條件下，被吸附劑吸附的吸附質的量與吸附質溶液濃度或氣體壓力之間的平衡關系曲線。在前人的大量研究和從實驗測得的大量吸附等溫線基礎上，Brunauer、Deming、Deming和Teller對吸附等溫線進行了分類，將吸附等溫線分為5種類型，稱為BDDT分類。后來，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）進行了補充，增加了VI型臺階形等溫線。
吸附等溫式
一定的吸附劑所吸附物質的數量與此物質的性質、濃度、溫度有關。在一定溫度下，表明被吸附物質的量與濃度之間的關系式稱為吸附等溫式。目前常用的公式有三種：朗格繆爾（Langmuir）吸附等溫式、弗蘭德利希（Freundlich）吸附等溫式和BET吸附等溫式。
朗格繆爾吸附等溫式
朗格繆爾吸附等溫式是在被吸附物質僅為單分子層的假定下推導出來的，對于物理吸附及化學吸附都適用，并且在較高的濃度條件下都與實際情況非常吻合，因而得到了較為廣泛的運用。
弗蘭德利希公式
弗蘭德利希公式是個經驗公式，經證實得到。水處理中的污染物質濃度相對較低時常用該式。該公式與根據不均勻表面上的吸附理論而得到的吸附量和吸附熱的關系相符。
BET吸附等溫式
BET吸附等溫式與朗格約翰·繆爾吸附等溫式的單分子模型不同，它假設分子在吸附劑表面上能夠連續重疊、無線吸附，是一種多分子層吸附。
類似概念
吸收
吸附和吸收都可用于分離氣體混合物，名字相近，但吸收是根據氣體混合物中各組分在液體中溶解度的不同達到分離目的的傳質過程。吸附是利用多孔性固體吸附劑將氣體混合物中的一種或數種組分吸著到固體表面上以達到分離的目的。
吸附和吸收都涉及傳質過程，吸收是采用液態吸收劑進行吸收，是氣液兩相分離；吸附采用固態吸附劑進行吸附，是氣固兩相分離。吸收發生時，待分離組分不僅保持在液體表面，而且通過液體表面分散到整個液體相；吸附發生時，待分離組分僅在吸附劑表面上濃縮富集成吸附層，并不深入吸附劑內部。
影響因素
吸附劑的性質
一般來說，吸附劑的比表面積越大，吸附能力就越強。吸附劑如果是極性分子，則易吸附極性的吸附質。此外，吸劑的顆粒大小、細孔的構造、孔徑分布情況以及其表面化學性質等對吸附均有不同程度的影響。
吸附質的性質
溶解度
吸附質在陵水中的濟解度越低，越容易被吸附。吸附質在水中溶解度越大，吸附質對水的親和力就越強，就不易轉向吸附劑界面面被吸附。
表面自由能
能夠使液體表面自由能降低越多的吸附質，也越容易被吸附。例如，活性炭在水溶液中吸附脂肪酸，由于含碳越多的脂肪酸分子可使其表面自由能降低得越多，所以吸附量也越大。
極性
服從極性相容的理論，極性的吸附質易被極性的吸附劑吸附，非極性的吸附質易被非極易的吸附劑吸附。
吸附質分子的大小和不飽和度
活性炭與合成沸石相比，前者易吸附分子直徑較大的飽和化合物，而后者易吸附直徑較小的不飽和化合物。
吸附質的濃度
當吸附劑表面全部被吸附質占據時，吸附最就達到了極限狀態，吸附量不再隨吸附質濃度的提高面增加。
應用
工農業生產
吸附與工農業生產的關系非常密切，涉及吸附作用的領域十分廣泛。最早吸附方法應用于食品工業中凈化糖汁、釀酒工業中去除乙醇中的雜醇油，所應用的吸附劑多為木炭及骨炭。直至20世紀初，出現了用氣體活化和化學活化法制備活性炭的專利，并建立了活性炭工廠。由此，吸附方法才用于氣體分離和凈化的工業操作。例如用硅膠、分子篩作為干燥劑吸附氣體中的水分；防毒面具中用活性炭吸附有害氣體；用吸附劑處理廢水或廢氣以去除環境污染物等。在精糖、油脂等時也常用吸附劑脫色除臭；某些物質的分離和回收、產品的凈化提純也可利用吸附作用來實現，色譜分離技術就是利用吸附劑對混合物中各個成分的吸附能力不同，而使之分離的方法。
科學研究
吸附作用在科學研究，特別是固體表面研究中也有廣泛應用。例如前面已討論過BET氣體吸附法測定固體的比表面。從吸附數據還可獲得吸附劑表面狀態、被吸附分子的形態以及被吸附分子與固體表面的相互作用等種種信息。
其他領域
此外，涉及吸附的領域和過程還很多，如在金屬酸洗時使用的緩蝕劑就是依靠其分子吸附在金屬表面，而抑制了金屬在酸中的溶解。在潤滑作用中，潤滑劑在金屬表面的吸附膜起了重要作用。還有許多情況下需要使已吸附物質解吸，例如新制造的金屬真空設備往往很難抽成真空，這大多是因為金屬設備表面上已吸附有很多氣體或其他雜質，它們在抽真空過程中不斷釋放氣體所致，因此真空設備內的表面應加工成光滑表面以減少吸附，并要洗凈油污，將設備加熱以使吸附的氣體盡早解吸，這樣才能較快地使設備達到真空。在真空涂膜工藝中也需要清除基體表面上吸附的氣體和雜質，以保證涂膜附著良好。
參考資料 >