文章分享吸附的定義、原理、分類(物理吸附與化學(xué)吸附)及關(guān)鍵影響因素(吸附質(zhì)性質(zhì)、表面特性、溫度、壓力、pH值)。閱讀本文，你可掌握吸附的基本機(jī)制、區(qū)別物理與化學(xué)吸附的關(guān)鍵特征，了解如何優(yōu)化吸附過程，適用于化工、環(huán)保、材料等領(lǐng)域應(yīng)用。

什么是吸附?

吸附(adsorption)是指物質(zhì)在表面或界面上積聚并附著的現(xiàn)象，它涉及物質(zhì)之間相互作用力的形成，通常發(fā)生在固體、液體或氣體的表面。這一過程是物質(zhì)在界面上與其它物質(zhì)的相互作用的結(jié)果，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程、環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。

吸附不僅僅是一種物理現(xiàn)象，它還可以通過化學(xué)作用力的介入形成更為復(fù)雜的吸附過程。因此，吸附現(xiàn)象可以通過物理吸附和化學(xué)吸附兩種主要類型進(jìn)行詳細(xì)討論。



圖1.氣體分子與吸附劑表面在物理吸附和化學(xué)吸附過程中的相互作用示意圖。

吸附的原理吸附過程的本質(zhì)涉及到吸附質(zhì)分子與吸附表面分子之間的相互作用，通常表現(xiàn)為分子或原子在界面上的聚集。吸附質(zhì)的吸附力可能源自范德瓦爾斯力、電場(chǎng)力、氫鍵等物理作用，也可能是由共價(jià)鍵、離子鍵等化學(xué)作用力所主導(dǎo)。

圖2.多孔材料吸附流程圖：(i)表面接觸(外擴(kuò)散)，(ii)吸附(內(nèi)擴(kuò)散)，(iii)單分子層吸附平衡。

吸附的分類根據(jù)吸附質(zhì)與吸附表面之間作用力的性質(zhì)，吸附可以分為兩種主要類型：物理吸附和化學(xué)吸附。

物理吸附
物理吸附，也稱為范德瓦爾斯吸附，是由于吸附質(zhì)分子與吸附表面之間存在弱的范德瓦爾斯力或偶極力等物理作用力而發(fā)生的吸附過程。該過程通常是可逆的，并且不涉及化學(xué)鍵的形成。

在物理吸附過程中，吸附質(zhì)分子和表面之間的相互作用較弱，因此通常需要較低的溫度和壓力才能實(shí)現(xiàn)吸附。當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(shí)，吸附質(zhì)容易被脫附回到氣相或溶液中。

物理吸附的特點(diǎn)是吸附量隨著溫度的升高而減小，反之則增加，且通常是單層吸附。物理吸附的一個(gè)重要特征是吸附過程的熱力學(xué)可逆性，且吸附能量較低。

化學(xué)吸附
化學(xué)吸附，也稱為化學(xué)結(jié)合吸附，是由于吸附質(zhì)分子與吸附表面之間形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，如共價(jià)鍵、離子鍵等。該過程通常是不可逆的，并且具有較高的吸附能量。在化學(xué)吸附過程中，吸附質(zhì)分子和表面之間的相互作用比物理吸附更強(qiáng)，因此化學(xué)吸附通常需要較高的能量(如較高的溫度或壓力)才能發(fā)生。

化學(xué)吸附的特點(diǎn)是吸附質(zhì)和表面之間的相互作用是通過化學(xué)反應(yīng)或者離子交換等方式實(shí)現(xiàn)的，通常涉及電子轉(zhuǎn)移或原子重排等復(fù)雜過程。化學(xué)吸附不僅需要較高的溫度和壓力條件，而且吸附量可能會(huì)隨著溫度升高而增加，但其過程的可逆性較差



圖3.CO在Co表面化學(xué)吸附的勢(shì)能曲線示意圖。

物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別
物理吸附和化學(xué)吸附的主要區(qū)別在于它們的吸附機(jī)制和能量來源。

物理吸附主要依賴于分子間的弱相互作用力，如倫敦色散力、誘導(dǎo)偶極力和偶極-偶極力等，這些作用力的強(qiáng)度較弱，因此吸附過程通常是可逆的，并且不涉及化學(xué)鍵的形成。相比之下，化學(xué)吸附是由于吸附分子和表面之間形成化學(xué)鍵(如共價(jià)鍵或離子鍵)，這通常是不可逆的，吸附能較高，可以達(dá)到幾萬(wàn)焦耳每摩爾。

物理吸附的吸附能較低，通常在幾千焦耳每摩爾的量級(jí)。因此，物理吸附過程對(duì)溫度變化較為敏感，吸附物質(zhì)容易脫附。而化學(xué)吸附的過程涉及更強(qiáng)的能量變化，因此不太受溫度影響。



圖4.物理吸附與化學(xué)吸附的直觀對(duì)比示意圖。

影響吸附的因素
吸附過程受到多個(gè)因素的影響，這些因素決定了吸附的程度和速率。主要影響因素包括吸附質(zhì)的性質(zhì)、吸附表面的性質(zhì)、溫度、壓力、溶液的pH值等。

①吸附質(zhì)的性質(zhì)
吸附質(zhì)的分子量、極性、分子結(jié)構(gòu)以及其與吸附表面相互作用的能力是影響吸附的首要因素。較大分子量的吸附質(zhì)通常會(huì)在表面形成較大的吸附層，而極性較強(qiáng)的分子則會(huì)通過電場(chǎng)作用或氫鍵與表面發(fā)生較強(qiáng)的相互作用。此外，分子內(nèi)部的官能團(tuán)如羥基、氨基等也會(huì)增加吸附質(zhì)與表面之間的化學(xué)相互作用，從而改變吸附性能。

圖5.重金屬在碳基官能團(tuán)吸附劑上的吸附機(jī)制示意圖。

②吸附表面的性質(zhì)
吸附表面的性質(zhì)對(duì)于吸附過程至關(guān)重要。表面的比表面積越大，能夠提供的吸附位點(diǎn)越多，吸附量通常也越大。
表面的化學(xué)成分、表面能和表面粗糙度也會(huì)對(duì)吸附過程產(chǎn)生影響。具有較高比表面積的材料，如活性炭、納米材料等，通常具有較高的吸附能力。表面上的官能團(tuán)也會(huì)通過提供額外的吸附位點(diǎn)來提高吸附效率。

③溫度
溫度是影響吸附過程的一個(gè)重要因素。在物理吸附過程中，隨著溫度升高，吸附質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致吸附質(zhì)與表面之間的弱相互作用減弱，吸附量通常會(huì)減小。

反之，化學(xué)吸附則可能隨著溫度的升高而增強(qiáng)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的速率常常隨著溫度升高而加速。然而，過高的溫度也可能破壞吸附質(zhì)與表面之間的化學(xué)鍵，導(dǎo)致吸附過程不可逆。



圖6.MePh3P?中C–C–C–P二面角(黃色原子)在Φ=91.85°至271.85°范圍內(nèi)以15°為步長(zhǎng)變化時(shí)的能量面比較。

④壓力
吸附質(zhì)的濃度與其在氣相中的壓力密切相關(guān)。在氣體吸附中，隨著氣體壓力的增大，吸附量通常會(huì)增加，直到達(dá)到吸附表面的飽和狀態(tài)。這一現(xiàn)象在Langmuir吸附等溫線中得到了廣泛的描述。對(duì)于液體中的吸附過程，溶解度的增加通常伴隨著吸附量的增大。

圖7.硅膠在30°C下的平衡吸附等溫線示意圖。

⑤溶液的pH值
在液相吸附過程中，溶液的pH值對(duì)吸附過程也有顯著影響。不同的pH值可能會(huì)改變吸附質(zhì)的電荷性質(zhì)以及吸附表面的電荷分布，進(jìn)而影響吸附過程。酸性或堿性環(huán)境下，吸附質(zhì)的離子化程度不同，這可能導(dǎo)致吸附效能的變化。