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一、实验目的1. 探究不同吸附剂对目标物质的吸附效果。
2. 分析影响吸附效果的主要因素，如吸附剂种类、吸附时间、吸附温度等。
3. 通过实验数据，确定最佳吸附条件。
二、实验原理吸附是指一种物质（吸附剂）在另一物质（吸附质）表面或孔隙中富集的现象。
根据吸附过程的机理，吸附可分为物理吸附和化学吸附。
物理吸附主要发生在固体表面，是由于分子间作用力（如范德华力）引起的。
物理吸附具有可逆性，吸附过程不涉及化学键的形成。
化学吸附则发生在固体表面与吸附质之间，是由于化学键的形成引起的。
化学吸附具有不可逆性，吸附过程涉及化学键的形成。
本实验主要研究物理吸附，通过测定吸附剂对目标物质的吸附量，评估吸附效果。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 吸附剂：活性炭、蒙脱石、沸石等。
- 吸附质：有机染料、重金属离子等。
- 溶剂：蒸馏水、乙醇等。
2. 实验仪器：- 吸附柱：柱长50cm，内径1cm。
- 恒温水浴锅。
- 分析天平。
- 分光光度计。
- 秒表。
四、实验方法1. 配制吸附剂溶液：称取一定量的吸附剂，用溶剂溶解，配制成一定浓度的吸附剂溶液。
2. 配制吸附质溶液：称取一定量的吸附质，用溶剂溶解，配制成一定浓度的吸附质溶液。
3. 吸附实验：将吸附剂溶液倒入吸附柱，控制流速，使吸附剂与吸附质充分接触。
记录吸附时间。
4. 解吸实验：将吸附后的溶液通过吸附剂，记录解吸时间。
5. 吸附量测定：用分光光度计测定吸附剂对吸附质的吸附量。
五、实验结果与分析1. 吸附效果比较：表1 吸附效果比较| 吸附剂 | 吸附量（mg/g） | 吸附率（%） || ------ | -------------- | ---------- || 活性炭 | 50.0 | 90.0 || 蒙脱石 | 40.0 | 72.0 || 沸石 | 30.0 | 54.0 |从表1可以看出，活性炭对吸附质的吸附效果最好，其次是蒙脱石，沸石吸附效果最差。
2. 影响吸附效果的因素：（1）吸附剂种类：不同吸附剂的比表面积、孔径结构等特性不同，导致吸附效果存在差异。
吸附等温线的类型及特点物理吸附仪是微孔材料样品分析的常用设备之一，常被用于多孔材料比表面积和孔隙度的表征，能够提供比表面积、孔容及孔径分布等关键物性参数。
其工作原理所采用的气体吸附法（BET法）是在朗格缪尔(Langmuir)单分子层吸附理论的基础上，经南勃鲁纳尔（Brunauer）、爱曼特（Emmett）和泰勒（Teller）等三人推广得出的多分子层吸附理论（BET理论）。
「单分子层吸附理论」1916年，Langmuir 根据分子运动理论和一些假定提出单分子层吸附理论，基于一些明确的假设条件，得到简明的吸附等温式——Langmuir方程，既可应用于化学吸附，也可以用于物理吸附，因而普遍应用于现阶段多相催化研究中。
假定①：吸附剂表面存在吸附位，吸附质分子只能单层吸附于吸附位上；假定②：吸附位在热力学和动力学意义上是均一的（吸附剂表面性质均匀），吸附热与表面覆盖度无关；假定③：吸附分子间无相互作用，无横向相互作用；假定④：吸附-脱附过程处于动力学平衡。
式中，θ为表面覆盖度，V为吸附量，V m表示单分子层吸附容量，p为吸附质蒸汽吸附平衡时的压力，a为吸附系数/吸附平衡常数。
通过测定恒定温度下，不同吸附质压力所对应的气体吸附量，可以得到一条相对压力（P/P0）和吸附量的关系曲线，即吸附等温线。
由于Langmuir方程是一个理想的吸附公式，对应的是Brunauer定义的五种吸附等温线中的第一种——Langmuir型等温线，它代表了在均匀表面，吸附分子彼此没有作用，且吸附是单分子层情况下吸附达到平衡时的规律，但在实践中不乏与其相符的实验结果，这可能是实际非理想的多种因素互相抵消所致。
Type I：单分子层吸附等温线I类等温线呈现出一定压力后接近饱和的情况，又称Langmuir型等温线。
除单分子层吸附表现出I类等温线外，沸石、活性炭、硅胶等具有2-3 nm以下的微孔吸附剂，其吸附等温线也呈现第I类型。
这是因为相对压力由零增加时，微孔吸附剂在发生多层吸附的同时也发生了毛细孔凝聚，使吸附量急剧增加，所有微孔被迅速填满后，吸附量便不再随相对压力而增加，呈现出吸附饱和。
物理吸附与化学吸附在催化中的应用摘要：吸附过程与催化作用在国民经济和环境保护方面具有重要意义。
他们是化学工业，石油炼制以及国民经济其他领域最活跃的研究课题之一。
这两个领域涉及到的都是表面现象，使用的都是多孔固体。
吸附是催化反应得以发展的最关键步骤之一，通过它揭示催化本质和研究催化性质越来越受到人们的重视，因此许多在线原位动态测量技术得以快速发展。
关键词：物理化学吸附表征测定孔结构气体探针1. 吸附现象吸附：当流体与多孔固体接触时, 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄, 此现象称为吸附。
吸附也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象[1,2]。
实际上，人们很早就发现并利用了吸附现象，如生活中用木炭脱湿和除臭等。
随着新型吸附剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究，吸附分离过程显示出节能、产品纯度高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一过程在化工、医药、食品、轻工、环保等行业得到了广泛的应用，例如：（1）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。
（2）气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。
（3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制取。
（4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、芳香烃馏分的分离。
（5）废气和废水的处理，如从高炉废气中回收一氧化碳和二氧化碳，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。
1.1吸附吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。
当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸附量（单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量），首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。
化学吸附和反应动力学的理论和实验化学吸附和反应动力学是化学研究领域中非常重要的两个部分。
化学吸附是指化学物质与固体表面相互作用并紧密结合的现象。
反应动力学则是指化学反应速率和反应动力的研究。
化学吸附的理论在化学吸附的研究中，主要涉及到三种类型的吸附，即物理吸附、化学吸附和分子筛吸附。
物理吸附是通过van der Waals力和静电吸引力实现的吸附。
在物理吸附中，吸附物与固体表面之间没有共价键，因此吸附物可以释放并回到气相中。
化学吸附是指吸附物与固体表面之间有共价键形成的吸附。
在化学吸附中，吸附物不能轻易地回到气相，因为它们已经与固体表面形成了牢固的化学键。
分子筛吸附是指通过一定的空间限制，限制吸附剂分子的大小和形状以实现吸附。
分子筛吸附可以用于鉴定化学物质中特定分子的数量和组成。
化学吸附与表面影响在实用化学中，化学吸附通常用于表面影响控制。
表面影响是指由固体表面引起的物理和化学现象。
需要注意的是，活性表面的物理特性和表面形貌对化学吸附起着至关重要的作用。
例如，仅有少量的铜催化剂，就能显著提高丙烯气体的POD反应的速率。
这是因为铜催化剂活性表面与丙烯气体之间某种特殊的相互作用引起的。
反应动力学的理论化学反应动力学是对化学反应速率和反应动力的研究。
每个化学反应具有其特定的反应速率，即反应物在每个时刻转化为产物的速度。
在化学反应动力学的研究中，最常用的是“自由能”和“活化能”这两个概念。
自由能是反应动力学的关键因素之一，它表示反应物向产物转化的动力学障碍。
根据定义，自由能越高，反应速率越慢。
活化能是产物形成的能量阈值，这是反应动力学的另一个关键因素。
如果反应物具有的能量足够高，它就能克服活化能障碍并开始反应。
反应动力学的实验反应动力学的研究中，常用的实验方法是跟踪反应物的消耗和产物的生成。
常用的实验设备包括分光光度计、热分析仪、荧光分析仪和微卡斯梅耳。
例如，在光敏式聚合反应中，需要确定反应速率和反应机理。
物理吸附仪工作原理
物理吸附仪是一种用于研究固体材料表面吸附和解吸过程的仪器。
它主要基于物理吸附现象，通过测量气体在固体表面上的吸附量来推断表面上的吸附位点数、吸附位点能和吸附位点分布等信息。
物理吸附通常是指气体分子在固体表面上通过范德华力作用吸附。
当气体分子接近固体表面时，其分子间距离变小，范德华力开始起作用。
当距离非常近时，分子间存在吸引力，气体分子就会附着在固体表面上。
吸附过程中，气体分子会占据固体表面的吸附位点，形成一个吸附层。
物理吸附仪通常使用气体流量控制系统将待测气体引入仪器。
首先，通过一个预净化系统除去气体中的杂质。
然后，气体会通过一个温控系统进入吸附室，与样品表面进行接触。
吸附室通常是一个封闭的空间，其内部与外界隔离，以防止外界因素对实验结果的干扰。
在吸附室中，样品表面与气体分子进行相互作用，吸附层的形成使得气体分子数量逐渐增加。
仪器会通过一种测量手段（例如重量法、电容法等）实时监测体系中气体量的变化。
根据气体的吸附量随压力和温度的变化关系，可以得到吸附等温线和吸附热等吸附参数。
通过测量不同温度、不同气体分压下的吸附量，物理吸附仪可以确定吸附等温线。
根据Langmuir吸附等温线模型，可以计算出表面上的吸附位点数和吸附位点能。
此外，还可以利用
BET（Brunauer, Emmett and Teller）理论计算出比表面积等表征物质吸附性能的参数。
总之，物理吸附仪利用气体在固体表面上的物理吸附现象，通过测量吸附量来推断吸附位点数、吸附位点能和吸附位点分布等信息。
这一原理在材料科学和表面化学等领域中有广泛的应用。
吸附理论
1、Langmuir 理论
Langmuir 用动力学理论来处理Ⅰ型吸附等温线，作了如下假设：
（1）吸附剂表面是均匀的；
（2）每个吸附位只能吸附一个分子且只限于单层，即吸附是定域化的；
（3）吸附质分子间的相互作用可以忽略；
（4）吸附-脱附的过程处在动力学平衡之中。
从而得出Langmuir 方程如下：
1m m p p V KV V =+
V ──吸附体积；Vm ──单层吸附容量；p ──吸附质压力；K ──常数。
虽然Langmuir 方程描述了化学吸附和Ⅰ型吸附等温线，但总的来说不适用于处理物理吸附和Ⅱ到Ⅴ型吸附等温线。
如前所述，Ⅰ型吸附等温线反映的吸附类型可能是化学吸附也可以是微孔中的物理吸附。
对于化学吸附，如负载金属催化剂的金属表面积测量是合适的，但对于一般物理吸附来说测量值往往偏大。
此外，对于微孔物质如活性炭和分子筛上的吸附，是否是单层吸附还有待商榷等等。
2、BET 理论
在物理吸附过程中，在非常低的相对压力下，首先被覆盖的是高能量位。
具有较高能量的吸附位包括微孔中的吸附位（因为其孔壁提供重叠的位能）和位于平面台阶的水平垂直缘上的吸附位（因有两个平面的原子对吸附质分子发生作用）。
此外，在由多种原子组成的固体表面，吸附位能也会发生改变，这取决于暴露于表面的原子或官能团的性质。
但是，能量较高的位置首先被覆盖并不意味着随着相对压力增高、能量较低的位置不能被覆盖，而只是说明在能量较高的位置上物理吸附分子的平均停留时间较长。
因此，当吸附质气体压力增高时，表面逐渐被覆盖，气体分子吸附于空白表面的几率增加。
在表面被完全覆盖之前有可能形成第二吸附层或更多的吸附层。
在实际情况下，不可能有正好覆盖单层的相对压力存在。
BET 理论可以在不管单分子层吸附是否形成的条件下，能有效地从实验数据获得形成单分子层所需的分子数目。
BET 理论是Brunauer 、Emmertt 和Teller 在1938年提出多层吸附模型，它发展了Langmuir 单层吸附理论。
他们把Langmuir 动力学理论延伸至多层吸附，所作的假设除了吸附层不限于单层而可以是多层外，与Langmuir 理论所作的假设完全相同。
BET 理论假设吸附在最上层的分子与吸附质气体或蒸气处于动力学平衡之中。
BET 方程如下：
00
111(1)m m c p p V c V c p V p -=+-
其中V ——吸附气体体积；
Vm ——单层吸附气体容量；
c ——常数，与吸附剂、吸附质之间相互作用力有关；
p/p0——相对压力
利用实验数据，以01
(1)p V p -对p/p0作图，一般在相对压力0.05≤p/p0≤0.35
间能得到一条很好的直线，直线的拟合方程表示为：y A Bx =+，截距
1
m A V c =，斜率
1
m c B V c -=。
从而可得 1
m V A B =+
1B c A =
+ 表面积
m m A S a n N =⋅⋅ 其中m a ——氮气在77K 温度下液态六方密堆积的氮分子截面积，数值为16.2×1020 m2；
nm ——单层吸附容量(mol)，
22.414m
m V n =； A N ——Avogadro 常数，数值为6.022×1023。
上述方程就是BET 多点法计算比表面积的公式．
3、BJH 中孔结构分析方法
3.1、Kelvin 方程
我们都熟悉这样的实验：将细管插入水槽中，发现细管中的液面比水槽水平面高；将细管插入水银中，则细管中的液面比水银液面低。
产生这种现象的根本原因是细管中存在附加压力。
附加压力实验示意图
另一常见的现象是毛细管凝结。
当外界蒸气压还没有达到饱和蒸气压时，毛细管中已发生了凝结现象。
此外还有过饱和现象等等。
解释这些现象最成功的理论就是Kelvin 方程。
Kelvin 方程形式如下：
02cos1
ln p V
p RT r
γθ
=-⋅
(6)
式中P──蒸气压；P0──饱和蒸气压；γ──液体表面张力；
r──毛细管半径；R──通用气体常数；T──绝对温度；
V──吸附质的液相摩尔体积；θ──液相与孔壁的接触角。
若液体在孔壁上辅展，则θ＝0，此时Kelvin 公式变为如下形式：
021
ln p V
p RT r
γ
=-⋅
(7)
Kelvin 公式解释了毛细管凝结现象的形成。
在毛细管中，由于凹液面饱和蒸气压小于外界平液面的饱和蒸气压，因此当外界液体蒸气压还没有达到饱和蒸气压值时，毛细管内液体蒸气压已经达到饱和状态从而发生凝聚。
物理吸附分析仪正是利用毛细管凝结现象以及Kelvin 方程进行孔结构测量和计算的。
3.2、BJH中孔结构分析法
中孔固体的孔结构研究是与Ⅳ型吸附等温线的分析紧密相连的。
在低相对压力区，它与Ⅱ型吸附等温线相同。
但在大于某一相对压力值以后，它偏离Ⅱ型向上翘．
Ⅳ型吸附等温线最重要的特征是具有回环。
回环是在吸附等温线上，由于吸附曲线与脱附曲线不重合而形成的现象。
在回环区域，在同一相对压力值下，脱附曲线上吸附量总是大于吸附曲线上的吸附量；反过来，在同一吸附量时对应有两个相对压力值。
对回环的解释是一个相当复杂的问题。
吸附回环总是闭合的，很少发现有不闭合的回环。
Harris和Avery等人发现，许多吸附剂上氮吸附等温线闭合点均在p/p0＝0.42～0.5之间。
根据Kelvin 公式
计算，相应的孔径约为1.7 nm ～2nm 。
单层吸附的完成通常在相对压力p/p0＝0.3处，这相当于1～2个N2分子直径。
对于小于这种尺寸的孔，描述毛细管凝结现象的Kelvin 公式是不适用的。
在这以前的低相对压力内，吸附、脱附沿同一路径，不会有回环出现。
在相对压力大于p/p0＝0.42～0.5的高相对压力区,因吸附、脱附曲线不沿同一路径进行，脱附线总在吸附线之上而形成回环。
在这一区域内用于描述毛细管凝结作用的Kelvin 公式能相当可靠地描述在这类中孔范围内发生的吸附质凝聚和解聚现象。
吸附质在同一孔内的凝集和解聚现象发生于不同的相对压力，因而解释了回环的出现．因此，Kelvin 公式是中孔分析法的理论依据。
BJH 法是Barrett 、Joyner 和Helena 等学者最早提出的最经典的中孔分析方法。
在吸附等温线测量过程中，当毛细管凝结现象在孔中发生时，孔壁上已覆盖了一层吸附质的膜，其厚度为t 。
因而毛细管凝聚不直接发生在孔壁而是发生在孔壁内核中。
如果凝聚液体的接触角是0°，用Kelvin 公式计算的孔内核半径rk 为
2ln()0m
k V r p RT p γ=- (8)
假定孔型为园柱形孔，孔半径为p r ，吸附膜厚度为t ，则有
k p r r t =+ (9)
在BJH 原始文献中，t 由Haley 方程计算
135()ln 0m t t p p =-
(10) m
t ──氮分子单层吸附膜厚度，为0.354 nm 。
