1. 吸附机理
按吸附现象产生的原因而言,可分为物理吸附和化学吸附。凡是能吸附液态离子的固体均称为吸附剂,其吸附能力的大小以交换容量(CEC)来表示。交换容量的大小一般与下列因素有关:①黏土矿物及有机质的交换容量大;②颗粒越小,比表面积越大,交换容量也越大;③表层土壤的交换容量与土壤中黏土矿物种类及数量有关;④固体表面电荷是pH值的函数。
1.物理吸附
固体颗粒表面带电荷,在固液相接触时,会发生靠固体表面静电引力吸附液相异性离子的现象,这种现象称为物理吸附。物理吸附的键联力为静电引力,键联力较弱,因此已吸附在颗粒表面的离子,在一定条件下,可被液体中另一种离子所替换,所以物理吸附也称为离子交换。被吸附离子的电性,取决于表面电荷的电性,颗粒表面带负电荷,吸附阳离子,称为阳离子吸附,或阳离子交换;颗粒表面带正电荷,吸附阴离子,称为阴离子吸附或阴离子交换。物理吸附是一种可逆反应,可用质量作用定律来描述。
按其电荷的性质可分为永久电荷和可变电荷。永久电荷是矿物晶格内的同晶替代所产生的电荷。例如,黏土矿物的结构为硅四面体和铝八面体,四面体内的硅和八面体内的铝均可被与其直径大小相近的离子所替代;四价的Si4+可被三价的Al3+替代,而三价的Al3+可被二价的Mg2+替代,这样的结果,使颗粒表面电荷产生了不均衡,使其呈现出负电性。由于同晶替代是在黏土矿物形成时产生的,并且是在黏土晶格的内部,因此一旦产生这种替代作用,电荷就不会改变,具有永久性质,故称永久电荷。蒙脱石和伊利石的同晶替代较多,所以它们的表面电荷以永久电荷为主;而高岭石则不同,它的同晶替代少,其主要的表面电荷另有来源。
可变电荷是颗粒表面产生化学解离形成的,其表面电荷的性质(正电荷或负电荷)及数量往往随介质pH值的改变而变化,所以称为可变电荷。
2.化学吸附
化学吸附不是依赖于静电引力,液相中的离子是靠键力强的化学键(如共价键)结合到固体颗粒表面,被吸附的离子进入颗粒的结晶格架,成为晶格的一部分,它不可能再返回溶液,是一种不可逆反应,这种现象也称为特殊吸附。产生化学吸附的一个基本条件是,被吸附离子直径与晶格中网穴的直径大致相等,例如,K+的直径为266pm,硅铝酸盐胶体晶格网穴直径为280pm,它们的直径大致相等,所以K+可被吸附到胶体的晶格里。
在实际研究中,要区分物理吸附及化学吸附十分困难,而物理吸附要比化学吸附普遍。因此,目前研究最多的是物理吸附。
2. 黏土的吸附和水化作用
泥浆中黏土颗粒和分解介质水的界面上,自动浓集介质中分子或离子的现象称为黏土的吸附。由于黏土颗粒表面通常带有负电荷,因而能吸附介质中的各种水化阳离子,使黏土颗粒表面形成一层具有一定厚度的水化膜,这种现象叫作黏土的水化作用。黏土的吸附和水化作用是使泥浆分散体系稳定的重要因素。用不同的化学处理方法调节,控制其吸附与水化作用,可以获得不同性能的各种类型的泥浆。
(一)黏土的吸附性能
泥浆中黏土的吸附,和其他许多物体的吸附一样,可以分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种。
物理吸附是分子间相互作用力所产生的吸附,是由于表面分子具有表面能所引起的。其吸附力弱并易解吸,且吸附速度快。泥浆中黏土颗粒与处理剂分子或离子之间广泛存在着物理吸附现象。
化学吸附是吸附物质间存在化学键力的吸附,其吸附力强。不易解吸,吸附速度较慢。化学吸附也广泛存在于泥浆中。
离子交换吸附是物理-化学吸附,泥浆中广泛存在。是黏土在泥浆中的主要吸附作用,是进行泥浆化学处理和性能调整的依据。由于黏土颗粒表面带负电荷,能吸附阳离子,并且所吸附的阳离子是可以交换的,即和泥浆中存在的其他阳离子进行交换,且这种交换是可逆的。黏土颗粒吸附阳离子的属性,数量(交换容量)等对黏土颗粒在泥浆中的分散和稳定有很重要的影响。
(二)黏土的水化作用
黏土的水化作用是指泥浆中黏土颗粒表面吸附分子的状态和能力。黏土颗粒表面可以直接吸附极性水分子——吸附水。更主要的是黏土颗粒表面带负电荷、能吸附分散在泥浆中的大量阳离子来实现水化,使黏土颗粒表面形成一层水化膜,从而产生水化作用。
黏土的水化作用是影响水基泥浆性能的重要因素,泥浆中黏土颗粒的分散稳定与凝聚沉淀,在很大程度上取决于黏土颗粒的水化作用的强弱。
(三)泥浆中黏土颗粒表面的双电层
黏土颗粒在水中,其表面所带的负电荷能产生电场,通过静电作用可把交换性阳离子吸引在它的周围形成双电层。黏土颗粒周围所吸附的阳离子只有一部分同黏土颗粒一起运动,这部分同黏土吸引得比较牢固的阳离子层,称为吸附层;另一部分阳离子距离黏土颗粒稍远,不随着一起运动,这部分阳离子所在的层位叫作扩散层。
泥浆中黏土颗粒表面的双电层理论是用电解质进行泥浆化学处理的理论基础。
3. 有机污染物的吸附包括哪两个过程
包括物理吸附、静电吸附和离子交换吸附等吸附过程。
物理吸附
物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力,即所谓的范德华力(Van der waals)。因此,物理吸附又称范德华吸附,它是一种可逆过程。当固体表面分子与气体或液体分子间的引力大于气体或液体内部分子间的引力时,气体或液体的分子就被吸附在固体表面上。从分子运动观点来看,这些吸附在固体表面的分子由于分子运动,也会从固体表面脱离而进入气体(或液体)中去,其本身不发生任何化学变化。随着温度的升高,气体(或液体)分子的动能增加,分子就不易滞留在因体表面上,而越来越多地逸入气体(或液体 中去,即所谓“脱附”。这种吸附—脱附的可逆现象在物理吸附中均存在。工业上就利用这种现象,借改变操作条件,使吸附的物质脱附,达到使吸附剂再生,回收被吸附物质而达到分离的目的。物理吸附的特征是吸附物质不发生任何化学反应,吸附过程进行得极快,参与吸附的各相间的平衡瞬时即可达到。
静电吸附
静电吸附则是物体带有不同的电性,异性相吸原理。
离子交换吸附
离子交换吸附根据不同的要求选择不同的假虎吸附剂。
4. 表面络合吸附和离子交换吸附哪个能力大
表面吸附作用指的是在固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力,可用作吸附剂。吸附可分为物理吸附和化学吸附。如果吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生吸附,称为物理吸附;如果吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用,生成化学键引起吸附,称为化学吸附。离子交换实际上也是一种吸附。物理吸附和化学吸附并非不相容的,而且随着条件的变化可以相伴发生,但在一个系统中,可能某一种吸附是主要的。