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学习心得

应用表面化学

吉军义

2015-5-1

多孔吸附及应用

一、毛细凝结理论

吸附剂所吸附的气体在微孔中会发生凝结的现象。对于多孔性吸附剂，若吸附质在孔壁上润湿，会形成弯曲液面。在一定温度下弯曲液面和平液面的蒸气压不同，它们之间的关系可用开尔文方程描述

??2???????ln=? 式中Pr为T温度时曲率半径为r的弯曲液面上的蒸气压；P0为T温度时平液面的饱和蒸气压；γ为吸附质液体的表面张力；VL为吸附质的摩尔体积；R为气体常数；θ为吸附质与孔壁的接触角。

根据上式可知，凹面液体上的蒸气压比平面液体蒸气压低。因而气相中的压力低于实验温度下平面液体的饱和蒸气压P0时，在毛细孔中发生凝结，称为毛细凝结现象，是孔性固体特殊的吸附现象。毛细管越细，气体在其中发生凝结的压力就越低，反之则凝结的压力越大。

毛细凝结的发生常使吸附等温线在某一压力范围内吸附量有较快增加。若多孔固体的孔大小分布不大，当所有孔充满液态吸附质，则吸附量就不再增加。物理吸附可逆，所以吸附时和脱附时的等温线应当重合，但在某些多孔性吸附剂上吸附线与脱附线在某一压力范围内发生分离，这种现象被称为吸附的滞后现象。在分离部分，吸附线与脱附线构成所谓吸附滞后环(圈)。

对于吸附滞后现象有三种解释。

1．接触角不同

Zsignondy假设吸附和脱附时接触角θ不同。吸附时，液态吸附质填充孔隙，因而接触角是前进角；脱附时则是吸附质出去的过程其接触角是后退角。而前进角是大于后退角的，故θ吸附>θ脱附，所以cosθ吸附>cosθ脱附,所以根据开尔文方程知P脱附>P吸附，形成吸附滞后圈。

2．墨水瓶效应

McBain假设孔为口小腔大的墨水瓶形，吸附自半径大的瓶底开始，压力增大，瓶底逐渐充满，直到瓶口。脱附则自口径小的瓶口开始，瓶口半径小于瓶底半径，所以只能在低压时才能开始脱附，所以P脱附>P吸附，形成吸附滞后圈。

3．吸附脱附接触角

Cohan假设孔是两端开口的圆柱体，吸附开始的毛细凝聚在圆柱形的孔壁上进行，r 为无穷大，吸附时的开尔文方程为

?吸附???ln=? 而孔已被液态吸附质充满后，才开始脱附，因而脱附是从孔口的球形弯月液面开始，所以相应的脱附平衡压力应服从正常开尔文方程

?脱附2???ln=?显然，

?脱附?0= ?吸附2?0. 1

以上三种模型都有不足之处，如接触角滞后模型根本没有涉及吸附，墨水瓶模型过于特殊，难以用来解释很普遍的滞后现象，圆筒模型则忽略了表面上吸附物与液态被吸附物的差别，所以定量应用方面是有困难的。

二、吸附剂

固体表面的吸附在工农业生产和日常生活中得到了广泛的应用，对气体在固体表面的吸附器工业应用，主要是干燥脱气和净化分离，例如用硅胶、分子筛的作为干燥剂吸附空气中的水分；在电子和半导体工业中分别用分子筛吸气以保证高真空；防毒面具中用活性炭吸附有毒气体；用活性炭和分分子筛等分离低沸点气体混合物。

1． 活性炭

活性炭(activated carbon)是一种非极性吸附剂，外观为暗黑色，有粒状和粉状两种。工业采用的是粒状活性炭，其主要成分除碳以外，还含有少量的氧、氢、硫等元索，以及水分、灰分。它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。活性炭具有巨大的比表面和特别发达的微孔，通常活性炭的比表面积高达500~1700m2／g，这是活性炭吸附能力强，吸附容量大的主要原因。广泛用于气体和液体的精制、分离和净化，常用作催化剂载体。

2．硅胶

硅胶(silica gel )是胶体氧化硅脱水后透明或乳白色粒状固体，它的组成是xSiO2·yH2O。与水、醇类、酚类、胺类等可形成氢健，与不饱和烃可形成π键，是典型极性吸附剂，主要用作干燥剂、催化剂载体等。硅胶孔径在2。20M，根据孔径大小分为:大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶。由于孔隙结构的不同，它们的吸附性能各有特点。粗孔硅胶在相对湿度高的情况下有较高的吸附量，细孔硅胶则在相对湿度较低的情况下吸咐量高于粗孔硅胶。而B型硅胶由于孔结构介于粗、细孔之间，其吸附量也介于粗细孔之间。硅胶一般用作催化剂载体、消光剂、牙膏磨料等。

3．分子筛

分子筛(molecular sieves)具有多孔的骨架结构，在结构中有许多孔径均匀的通道和排列、整齐、内表面相当大的空穴。这些晶体只能允许直径比空穴孔径小的分子进入孔穴，从而可使大小不同的分子分开，起到筛选分子的作用，故而得名。

三、影响吸附的因素

1．吸附剂结构

(1)比表面积

单位质量吸附剂表面积称做比表面积。吸附剂粒径越小，或微孔越发达，则比表面积越大。吸附剂比表面积越大，吸附能越强。固体吸附剂的表面积是表征吸附性能的重要物理量，但测量相当困难，可采用气体吸附法。

(2)孔结构

吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。孔径太大，比表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对宜径较大的分子起屏蔽作用。通常将孔半径大于0.1?m的称为大孔，2x10-3 ~0.1?m的称为过渡孔，而小于2x10-3?m的称为微孔。大部分吸附表面积由微孔提供。采用不同的原料和活化工艺制备的吸附剂其孔径分布是不同的。再生情况也影响孔的结构。分子筛因其孔径分布十分均匀，而对某些特定大小的分子具有很高的选择吸附性。

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(3)表面化学性质

在制造过程中，吸附剂会形成部分不均匀表面氧化物，其成分和数量随原料和活化工艺不同而异。一般把表面氧化物分成酸性的和碱性的，酸性氧化物有羰基、醌型羟基、正内酯基、萤光型内酯基、羟酸酐基及环式过氧基等。酸性氧化物在低温(<500℃)活化时形成。对碱性氧化物的说法有分歧，碱性氧化物在高温(800—1000℃)活化时形成，在溶液中可以吸附酸性物。表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂只有类似化学吸附的能力，因而有助于吸附极性分子，削弱了吸附非极性分子的能力。

2．吸附质性质

一定吸附剂，由于吸附质性质差异，吸附效果不同。如活性炭对芳香族化合物吸附效果好于脂肪族化合物，不饱和链有机物好于饱和链有机物，非极性或极性小的吸附质好于极性强吸附质。但实际体系中，吸附质一般不是单一的，它们之间可以互相促进、干扰或互不相干。

3．操作条件

吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温有利于脱附。溶液的pH值影响到溶质的存在状态(分子、离子、配合物)，也影响到吸附剂表面的电荷特性和化学特性，进而影响到吸附效果。在吸附操作中，应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。另外，吸附剂脱附再生等因素也影响吸附效果。

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第二篇：表面化学学习心得

表面化学学习心得

通过职称教育表面化学的学习，我收获了很多。这种收获远远大于大学期间学习知识的总和。因为工作后更加知道化学在实际中的应用，这个时候能够有职称培训这样的机会，确实很难得，也很有益。

本学期的专业课时表面化学，通过对教材的学习，了解的表面化学的本质。通过更深入的学习，以往我的很多疑惑，问题都得到解决。还有的不是能马上解决的，只是自己的一些想法。这些，肯就是将来科研的点滴素材！这些，可能就为以后的专业学习做好基础！以下就是我学习表面化学的一些收获体会：

第一章与第二章主要介绍了表面层的基本概念和性质。学习了这两章后使我对表面化学有了初步的概念。平时工作中经常会接触到化工设备、管道、阀门、仪表等的材质问题，以前只知道我们的工艺要求的最低材质要求，却并不了解为什么这样去选型。现在通过硬度、脆性、残余应力、吸附、扩散等的学习，知道了材料材质的选择还有这么多知识需要掌握。化工材料不但要选择足够的硬度，还要考虑到脆度，防止过硬使材料断裂，这种需求就使得材料加工过程中充分了解上面五种表面化学性质，制作出符合要求的产品，满足生产生活的需要。涂层的学习，相对来说还是比较容易的，因为生活中也经常接触到这种概念。涂层的抗腐蚀性能和装饰性能，已经成为人们生活中的必需，而化工中对腐蚀的要求又远远高于普通生活中的需要。表面层强度分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等，还可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等。其中一个重要的概念疲劳强度就是材料、零件和结构件对疲劳破坏的抗力。在规定的循环应力幅值和大量重复次数下，材料所能承受的最大交变应力。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

第三章的内容是润湿与洗涤。润湿现象在生产实际中应用较广泛，由于润湿改变了界面状态，根据生产需要，人们可有目的的时间润湿或不润湿。例如，表面活性剂结构中一般都会有亲水基和亲油基，可作为润湿和不润湿的调节剂。当表面活性剂加入水中后，在水-空气界面上形成了定向排列，从而改变了原有界面的性质。本章介绍了润湿在几个典型行业中的应用。1.治金行业的模型铸造浇铸工艺中熔融金属和模具间的湿润程度直接关系到浇铸件的质量。润湿性不好，熔融金属不能与模具吻合，铸件在尖角处呈圆形。反之润湿太强，熔融金属易渗入模型缝隙中而形成不光滑的表面；2.农业中在喷洒农药或液体化肥到植物上

时，若农药、液体化肥对植物茎、叶表面润湿不好，就不会很好地铺展，容易滚落到地面造成浪费，这样就降低了效果。如果在农药中加入少量的活性剂，可提高润湿性，有利于发挥药效。3.在能源中这是涉及面非常广的问题，如干电池爬碱、水利发电中防水坝的寿命都与表面现象直接有关。洗涤作用涉及的体系复杂多样，因而影响洗涤作用的因素几乎很难有统一的规律。常常在某些条件下，机械因素和几何因素甚至比物理、化学因素更加重要。

后面主要介绍了乳状液与泡沫。乳状液是指一种或多种液体分散在另一种与它不相溶的液体中的体系，通常把乳状液中以液珠形式存在的那一个相称为内相（也叫分散相，或不连续相）而另一相则称为外相（也叫分散介质或连续相）将两种不相混溶的液体（如油和水）放在一起搅拌时，一种液体成为液珠分散到另种液体中形成乳状液，这种过程叫乳化，但由于这是使相界面增加的过程，该体系是热力学不稳定的。为使相界面积达到最小，最终要分成不相混溶的相。在上述不稳定的两相分散体系中加入第三组分，该组分易在两相界面上吸附，富集，促使乳状液的稳定性增加，这种第三组分就是乳化剂。因此，凡能使油水两相发生乳化，形成较稳定乳状液的物质就叫乳化剂。对油水分散体系，水相用W（Water）表示，油相用O（Oil）表示。通常乳状液分为两种类型，一种是油做内相，水作外相，称水包油乳状液0/w:另一种是水作内相，油作外相，称为油包水W/0.

有关泡沫的应用较多，如泡沫玻璃、泡沫水泥和泡沫塑料，以及泡沫灭火、泡沫分离和泡沫浮选等。

面包中有气泡是人所共知的，正是由于气泡的存在，才使面包具有松软适口等特点。面包制造是利用酵母菌分解面粉中的糖，产生大量C02使面发泡的。为了得到质量好的面包，关键在于控制发泡与面包成熟时间。如果发泡快而成熟慢，或发泡慢而成熟快，都会出现发不起来的劣质品。只有发泡与成熟时间同步时，才能得到高质量的面包。

泡沫灭火时，形成泡沫的质量和坚实性决定灭火效率。除操作工艺外，起泡剂及稳泡剂则为关键。一般起泡剂常用皂素、肥皂及其它合成表面活性剂。稳泡剂则多用天然蛋白质及其水解物、纸浆皂等。泡沫灭火剂中常有铝盐、铁盐，他们在生成泡沫的反应过程中形成了胶状不溶氢氧化物，对于增加泡沫的强度和稳定性具有良好的作用。泡沫的密度小，可以覆盖在轻质可燃有机液体上面，隔绝空气，起到水所不具有的灭火作用。

一般来说，从含有界面活性物质的溶液中所得到的泡沫里，界面活性物质的含量都比原溶液的含量高。例如，经分析发现破坏的啤酒泡沫中所含的蛋白质、蛇麻子、铁等的浓度比原来的溶液及残余的溶液都高。肥皂泡所含皂的成分比皂

液要高。因此，利用这种现象能够进行溶质的浓缩和分离的方法叫做泡沫分离法。分离的一般规律是，当溶液中只含有一种溶质，这种溶质又是表面活性物质且能形成稳定泡沫时，它在泡沫中易被浓缩分离，而当溶液中含有两种以上溶质时，活性高者首先被浓缩分离。

另外，在泡沫应用中还有消泡的问题。如在电影胶片生产中，卤化银乳剂中存在气泡将严重影响胶片质量。因此，在涂布之前必须对乳剂进行消泡处理。一般情况是在乳剂中加入消泡剂，并放置一段时间。为了不影响胶片的感光性能，使用相当大量的乙醇和丁醇做为消泡剂。

通过对以上内容的学习，使我对化工表面化学有了更加深刻的了解，我学习了表面化学的基本概念、表面层与涂层结构与性质、润湿与洗涤、乳状液与泡沫。了解到这些知识后，在第六章对表面技术的实际应用认识更加深刻。这些知识不但使我了解到以前没接触过的知识，也为我继续学习其它知识提供了依据，指明方向。希望以后专业课培训中，老师们能多多提供更多更安全的专业知识，丰富我的头脑。我也会在4年的学习时间里认真学习，紧跟着老师的步伐，逐渐学习，认真总结。希望以后再老师的帮助下，能够接触到更多更有用的专业知识，为我的工作积累丰富的理论知识，这样才能成为有用之人。

姓名：董良安

编号：109102081326

单位：黑龙江宝泰隆曱醇有限公司