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吸附剂与吸附质之间的相互作用对选择性的影响

作者:admin     发布日期: 2020-11-26     二维码分享

就平衡分离特性而言,同一种吸附剂吸附不同吸附质的能力不相同,而同一种吸附质在不同吸附剂上被吸附的能力也不相同,这就构成了选择吸附的基础。吸附的机理非常复杂,主要是涉及吸附剂与吸附质之间的相互作用力,有一个普遍规律,即吸附能力随吸附质的沸点和临界温度的增高或相对分子质量的增加而增大。换言之,越易冷凝成液态的气体,其分子间作用力就越大,由于色散作用它们比只有冷却至低温才液化的气体更易被吸附。


极性吸附剂的分子筛也一样,对正构烷烃、正构醇类的吸附能力随它们沸点的增高也就是碳原子数目的增加而增大。其原因是随着相对分子质量增大,吸附质分子的极化率(分子中电子云在外电场作用下变形能力的度量)增大,而使诱导力和色散力增强,不仅使沸点增高,而且更易被吸附。

另外,气体分子的极性与否也影响到吸附剂的的选择性,例如,对于CO和CH4分子,CO的沸点比CH4低,在活性碳上的吸附容量CO小于CH4,但CO是极性分子,而CH4是非极性分子,在分子筛上CO的吸附容量就大于CH4。同样,可被极化的分子和极性吸附剂如分子筛及硅胶之间具有强的亲和力,特别对于烃类吸附质,相同碳原子数目的烃类,不饱和烃类比饱和烃类吸附能力大,不饱和度越大,吸附也越强。因为不饱和度越大极化率就越大。吸附热的大小也反应了吸附剂与吸附质相互作用力的大小,C2H6在NaY分子筛上吸附热低于NaX,因为NaY分子筛的阳离子密度小,只有较小的极化能,而相应的C2H6在硅胶上的吸附热也要稍微大于NaY,因为其孔壁紧贴着C2H6分子,具有叠加的作用力,这样硅胶就有较大的色散力。综合所述,极性和非极性吸附剂与吸附质之间的相互作用力主要涉及到的色散力、静电力和诱导力,他们各自对吸附的影响程度有时很不相同,有时是色散力起主要作用,而有时是静电力起主要作用。

除了上述的物理吸附作用力外,还有一种是弱化学作用力,可分为两种,一种是同类分子间的化学作用称为缔合,另一种是不同分子间的化学作用称为络合,其力的本性主要是氢键和电荷转移两种。

下面是活性炭、分子筛、硅胶、活性氧化铝和碳分子筛对数种分子的吸附强弱顺序:

活性炭:H2S>C3H8>C2H6>C2H4>CO2>CH4>CO>N2>O2>Ar>H2

分子筛:H2O>NH3>H2S>SO2>CO2>C2H4>C2H6>CO>CH4>N2>O2>Ar>H2

硅胶:C3H8>C2H2>CO2>C2H4>C2H6>CH4>CO>N2>O2>Ar>H2

活性氧化铝:C3H8>C2H4>C2H6>CH4

炭分子筛(H2):CO2>CH4>CO>N2>O2>H2

因此,对于已确定的应用,了解气体组分与分离有关的性质,去选择适用的吸附剂。例如,极性的大小、烃类的链长和饱和度以及气体组分的分子尺寸和结构等。特别是对于有些分离困难的情况,气体的性质有时会显得很重要。同样,吸附剂的性质也不可忽视,例如分子筛的孔径。阳离子半径的大小、阳离子的密度、吸附剂的表面物理化学状态等,有的吸附剂表面存在很多表面官能团,它们能够成为吸附质的吸附中心,发生电荷转移型吸附,有时还发生化学反应。



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