页岩气学习培训资料PPT页岩气在固体表面的吸附.ppt

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1、固体表面的吸附,2019/9/29,参考资料： 中国科学、科学通报 COAL GEOLOGY 煤炭学报 地质学报、天然气工业,固体表面的吸附,2019/9/29,吸附等温线,吸附等压线,Langmuir吸附等温式,吸附等量线,Freundlich吸附等温式,BET吸附等温式,物理吸附,化学吸附,物理吸附向化学吸附的转变,吸附热,1、固体表面的特性,2019/9/29,固体表面上的原子或分子与液体一样，受力也是不均匀的，而且不像液体表面分子可以移动，通常它们是定位的。,固体表面是不均匀的，即使从宏观上看似乎很光滑，但从原子水平上看是凹凸不平的。,同种晶体由于制备、加工不同，会具有不同的表面性质，

2、而且实际晶体的晶面是不完整的，会有晶格缺陷、空位和位错等。,正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。而且不同的部位吸附和催化的活性不同。,2、吸附剂和吸附质(adsorbent,adsorbate),2019/9/29,当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。,常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。,为了测定固体的比表面，常用的吸附质有：氮气、水蒸气、苯或环己烷的蒸汽等。,吸附量的表示,2019/9/29,吸附量通常有两种表示方法：,(2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。,(1)单位质量的吸附剂所吸附气体

3、的体积。,体积要换算成标准状况(STP),吸附量与温度、压力的关系,2019/9/29,对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即：,通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系，例如：,(1)T=常数，q = f (p)，得吸附等温线。,(2)p=常数，q = f (T)，得吸附等压线。,(3)q=常数，p = f (T)，得吸附等量线。,3、吸附等温线的类型,2019/9/29,从吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间的相互作用等有关信息。,常见的吸附等温线有如下5种类型：(图中p/ps称为比压，ps是吸附质在该温度时的饱

4、和蒸汽压，p为吸附质的压力),吸附等温线的类型,2019/9/29,()在2.5nm以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。例如78K时N2在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。,吸附等温线的类型,2019/9/29,()常称为S型等温线。吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸附。在比压接近1时，发生毛细管和孔凝现象。,吸附等温线的类型,2019/9/29,()这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线，如352K时，Br2在硅胶上的吸附。,吸附等温线的类型,2019/9/29,()多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种等温线。在比压较高时，有毛细凝聚现象。例如在323

5、K时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属于这种类型。,吸附等温线的类型,2019/9/29,()发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。例如373K时，水汽在活性炭上的吸附属于这种类型。,毛细凝聚现象,2019/9/29,设吸附剂的孔为一端开口半径为R的圆筒， R的大小属于中孔范围，可以应用Kelvin公式。设液体能完全润湿孔壁，这样所得的吸附等温线如图(a)所示。,AB线段代表低压下的吸附，当压力达到折点处，发生毛细凝聚，即蒸汽变成液体在毛细管中凝聚，吸附量迅速增加。,这是因为液体能润湿固体，在孔中液面呈弯月形，如图(b)所示。,毛细凝聚现象,2019/9/29,根据Kelvin公式，凹面上的蒸汽压比平面上

6、小，所以在小于饱和蒸汽压时，凹面上已达饱和而发生凝聚，这就是毛细凝聚现象。在测量固体比表面时，采用低压，因为发生毛细凝聚后会使结果偏高。,继续增加压力，凝聚液体增多，当达到图(b)中的b线处，液面成平面，这时的吸附等温线如CD线所示。,4、研究气体吸附实验的方法,2019/9/29,比表面，孔容和孔分布是多孔催化剂和吸附剂的重要参数，这些参数通常可以从吸附实验得到。常用的测定方法分为静态法和动态法两大类，在静态法中又可分为重量法和容量法两种。,在测定固体的吸附量之前，必须将固体表面原有吸附的气体和蒸汽脱附。脱附过程一般在加热和真空的条件下进行，真空度在0.01Pa以下脱附2小时，加热的温度根据

7、吸附剂的性质而定，防止温度太高而影响吸附剂的结构。,重量法测定气体吸附,2019/9/29,实验装置如图。将吸附剂放在样品盘3中，吸附质放在样品管4中。首先加热炉子6，并使体系与真空装置相接。到达预定温度和真空度后，保持2小时，脱附完毕，记下石英弹簧2下面某一端点的读数。,根据加样前后该端点读数的变化，可知道加样品后石英弹簧的伸长，从而算出脱附后净样品的质量。,重量法测定气体吸附,2019/9/29,容量法测定气体吸附,2019/9/29,实验装置如图所示，预先将吸附质气体或蒸汽装在贮气瓶4中，整个吸附系统和量气管的体积都经过精确校正。,将一定量的吸附剂装入样品管1中，加热、真空脱附，然后放在

8、恒温缸中关上活塞。,容量法测定气体吸附,2019/9/29,容量法测定气体吸附,2019/9/29,从贮气瓶4中放出一定量气体，用压力计读出压力；再打开样品管活塞，达吸附平衡后再读取压力。,从压差的变化，用气体状态方程可计算吸附量。用量气管中水银液面的升降，调节系统中的压力和体积，可得到不同压力下的吸附量，从而可绘出吸附等温线。,吸附等温线,2019/9/29,保持温度不变，显示吸附量与比压之间的关系曲线称为吸附等温线。,纵坐标是吸附量，横坐标是比压p/ps，p是吸附质蒸汽的平衡压力， ps是吸附温度时吸附质的饱和蒸汽压。,通常将比压控制在0.3以下，防止毛细凝聚而使结果偏高。,吸附等温线,2

9、019/9/29,样品脱附后，设定一个温度，如253 K，控制吸附质不同的压力，根据石英弹簧的伸长可以计算出相应的吸附量，就可以画出一根253 K时的吸附等温线，如图所示。,用相同的方法，改变吸附恒温浴的温度，可以测出一组不同温度下的吸附等温线。,动态法吸附实验,2019/9/29,用气相色谱动态法研究气体或蒸汽的吸附，既快速又准确。实验装置如示意图所示。,动态法吸附实验,2019/9/29,将活化好的吸附剂装在吸附柱6中，将作为载气的惰性气体N2或He与适量的吸附质蒸汽混合通过吸附柱。,分析吸附后出口气的成分或分析用惰性气体洗下的被吸附气体的成分，从自动记录仪或与之联结的微处理机处理的结果，

10、就可以得到吸附量与压力的关系、吸附等温线、比表面、孔分布等有用信息。,吸附等压线,2019/9/29,保持压力不变，吸附量与温度之间的关系曲线称为吸附等压线。,吸附等压线不是用实验直接测量的，而是在实验测定等温线的基础上画出来的。,在实验测定的一组吸附等温线上，选定比压为0.1，作垂线与各等温线相交。,吸附等压线,2019/9/29,根据交点的吸附量和温度，作出一条qT曲线，这就是比压为0.1时的等压线。,用相同的方法，选定不同的比压，可以画出一组吸附等压线。,从图上可见，保持比压不变，吸附量随着温度的升高而下降。,吸附等压线,2019/9/29,吸附等量线,2019/9/29,保持吸附量不变

11、，压力与温度之间的关系曲线称为吸附等量线。,吸附等量线不是用实验直接测量的，而是在实验测定等温线的基础上画出来的。,在实验测定的一组吸附等温线上，选定吸附量为q1，作水平线与各等温线相交。,吸附等量线,2019/9/29,根据交点的温度与压力，画出一条pT线，这就是吸附量为q1时的吸附等量线。,选定不同的吸附量，可以画出一组吸附等量线。,从图上可见，保持吸附量不变，当温度升高时，压力也要相应增高。从等量线上可以求出吸附热。,吸附等量线,2019/9/29,5、Langmuir吸附等温式,2019/9/29,Langmuir吸附等温式描述了吸附量与被吸附蒸汽压力之间的定量关系。他在推导该公式的过

12、程引入了两个重要假设：,(1) 吸附是单分子层的；,(2) 固体表面是均匀的，被吸附分子之间无相互作用。,设：表面覆盖度q = V/Vm,Vm为吸满单分子层的体积,则空白表面为(1 - q ),V为吸附体积,达到平衡时，吸附与脱附速率相等。,r(吸附)=kap( 1-q ),r(脱附)=kdq,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,得：,ka=p(1 - q )=kdq,设a = ka/kd,这公式称为 Langmuir吸附等温式，式中a称为吸附系数，它的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,以q 对p 作图，得：,Langmui

13、r吸附等温式,2019/9/29,1.当p很小，或吸附很弱时，ap1，q = ap，q 与 p 成线性关系。,2.当p很大或吸附很强时，ap1，q =1，q 与 p无关，吸附已铺满单分子层。,3.当压力适中，q pm，m介于0与1之间。,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,m为吸附剂质量,重排后可得：p/V = 1/Vma + p/Vm,这是Langmuir吸附公式的又一表示形式。用实验数据，以p/Vp作图得一直线，从斜率和截距求出吸附系数a和铺满单分子层的气体体积Vm。,将q =V/Vm代入Langmuir吸附公式,Vm是一个重要参数。从吸附质分子截面积Am，可计算吸附剂的总表面

14、积S和比表面A。,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,对于一个吸附质分子吸附时解离成两个粒子的吸附,达到吸附平衡时：,则Langmuir吸附等温式可以表示为：,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,当A和B两种粒子都被吸附时，A和B分子的吸附与解吸速率分别为：,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,两式联立解得qA，qB分别为：,对i种气体混合吸附的Lngmuir吸附公式为：,Langmuir吸附等温式,2019/9/29,1.假设吸附是单分子层的，与事实不符。,2.假设表面是均匀的，其实大部分表面是不均匀的。,3.在覆盖度q 较大时，Langmuir吸附等温式

15、不适用。,Langmuir吸附等温式的缺点：,Freundlich吸附等温式,2019/9/29,Freundlich吸附等温式有两种表示形式：,q：吸附量，cm3/g k，n是与温度、体系有关的常数。,Freundlich吸附公式对q 的适用范围比Langmuir公式要宽。,6、BET公式,2019/9/29,由Brunauer-Emmett-Teller三人提出的多分子层吸附公式简称BET公式。,他们接受了Langmuir理论中关于固体表面是均匀的观点，但他们认为吸附是多分子层的。当然第一层吸附与第二层吸附不同，因为相互作用的对象不同，因而吸附热也不同，第二层及以后各层的吸附热接近与凝聚热

16、。,在这个基础上他们导出了BET吸附二常数公式。,BET公式,2019/9/29,式中两个常数为c和Vm，c是与吸附热有关的常数，Vm为铺满单分子层所需气体的体积。p和V分别为吸附时的压力和体积，ps是实验温度下吸附质的饱和蒸汽压。,BET公式,2019/9/29,为了使用方便，将二常数公式改写为：,用实验数据 对 作图，得一条直线。从直线的斜率和截距可计算两个常数值c和Vm，从Vm可以计算吸附剂的比表面：,Am是吸附质分子的截面积，要换算到标准状态(STP)。,BET公式,2019/9/29,为了计算方便起见，二常数公式较常用，比压一般控制在0.050.35之间。,比压太低，建立不起多分子层

17、物理吸附；,比压过高，容易发生毛细凝聚，使结果偏高。,BET公式,2019/9/29,如果吸附层不是无限的，而是有一定的限制，例如在吸附剂孔道内，至多只能吸附n层，则BET公式修正为三常数公式：,若n =1,为单分子层吸附,上式可以简化为 Langmuir公式。,若n =，(p/ps)0，上式可转化为二常数公式。三常数公式一般适用于比压在0.350.60之间的吸附。,7、物理吸附,2019/9/29,具有如下特点的吸附称为物理吸附：,1.吸附力是由固体和气体分子之间的范德华引力产生 的，一般比较弱。,2.吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个 kJ/mol以下。,3.吸附无选择性，任何固体

18、可以吸附任何气体，当然 吸附量会有所不同。,物理吸附,2019/9/29,4.吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快。,5.吸附可以是单分子层的，但也可以是多分子层的。,6.吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而 变快。,总之：物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。,物理吸附,2019/9/29,H2在金属镍表面发生物理吸附,这时氢没有解离，两原子核间距等于Ni和H的原子半径加上两者的范德华半径。,放出的能量ea等于物理吸附热Qp，这数值相当于氢气的液化热。,在相互作用的位能曲线上，随着H2分子向Ni表面靠近，相互作用位能下降。到达a点，位能最

19、低，这是物理吸附的稳定状态。,物理吸附,2019/9/29,如果氢分子通过a点要进一步靠近Ni表面，由于核间的排斥作用，使位能沿ac线升高。,8、化学吸附,2019/9/29,具有如下特点的吸附称为化学吸附：,1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键 力，一般较强。,2.吸附热较高，接近于化学反应热，一般在40kJ/mol 以上。,3.吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发 生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦 然。,化学吸附,2019/9/29,4.吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。,5.吸附是单分子层的。,6.吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。,总之：化学

20、吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。,化学吸附,2019/9/29,在相互作用的位能线上，H2分子获得解离能DH-H，解离成H原子，处于c的位置。,H2在金属镍表面发生化学吸附,随着H原子向Ni表面靠近，位能不断下降，达到b点，这是化学吸附的稳定状态。,化学吸附,2019/9/29,Ni和H之间的距离等于两者的原子半径之和。,能量gb是放出的化学吸附热Qc，这相当于两者之间形成化学键的键能。,随着H原子进一步向Ni表面靠近，由于核间斥力，位能沿bc线迅速上升。,物理吸附向化学吸附的转变,2019/9/29,H2分子在Ni表面的吸附是

21、在物理吸附过程中，提供一点活化能，就可以转变成化学吸附。,H2分子从P到达a点是物理吸附，放出物理吸附热Qp，这时提供活化能Ea，使氢分子到达P点，就解离为氢原子，接下来发生化学吸附。,这活化能Ea远小于H2分子的解离能，这就是Ni为什么是一个好的加氢脱氢催化剂的原因。,物理吸附向化学吸附的转变,2019/9/29,物理吸附向化学吸附的转变,2019/9/29,脱氢作用沿化学吸附的逆过程进行，所提供的活化能等于Qc+Ea，使稳定吸附的氢原子越过这个能量达到P点，然后变成H2分子沿Pa P线离开表面。,物理吸附向化学吸附的转变,2019/9/29,物理吸附向化学吸附的转变,2019/9/29,物

22、理吸附向化学吸附的转变,2019/9/29,9、吸附热,2019/9/29,吸附热的定义：,吸附热的取号：,在吸附过程中的热效应称为吸附热。物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。,吸附是放热过程，但是习惯把吸附热都取成正值。,固体在等温、等压下吸附气体是一个自发过程，G0，气体从三维运动变成吸附态的二维运动，熵减少， S0，H=G+TS， H0。,吸附热的分类,2019/9/29,积分吸附热,微分吸附热,等温条件下，一定量的固体吸附一定量的气体所放出的热，用Q表示。积分吸附热实际上是各种不同覆盖度下吸附热的平均值。显然覆盖度低时的吸附热大。,在

23、吸附剂表面吸附一定量气体q后，再吸附少量气体dq时放出的热dQ，用公式表示吸附量为q时的微分吸附热为：,吸附热的测定,2019/9/29,（1）直接用实验测定 在高真空体系中，先将吸附剂脱附干净，然后用精密的量热计测量吸附一定量气体后放出的热量。这样测得的是积分吸附热。,（2）从吸附等量线求算 在一组吸附等量线上求出不同温度下的(p/T)q值，再根据克劳修斯-克莱贝龙方程得,式中Q就是某一吸附量时的等量吸附热,近似的看作微分吸附热.,（3）色谱法 用气相色谱技术测定吸附热。,从吸附热衡量催化剂的优劣,2019/9/29,吸附热的大小反映了吸附强弱的程度。,一种好的催化剂必须要吸附反应物，使它活

24、化，这样吸附就不能太弱，否则达不到活化的效果。但也不能太强，否则反应物不易解吸，占领了活性位就变成毒物，使催化剂很快失去活性。,好的催化剂吸附的强度应恰到好处，太强太弱都不好，并且吸附和解吸的速率都应该比较快。,从吸附热衡量催化剂的优劣,2019/9/29,例如，合成氨反应 ，为什么选用铁作催化剂？,因为合成氨是通过吸附的氮与氢起反应而生成氨的。这就需要催化剂对氨的吸附既不太强，又不太弱，恰好使N2吸附后变成原子状态。,而铁系元素作催化剂符合这种要求。,从吸附热衡量催化剂的优劣,2019/9/29,如图所示，横坐标是各族元素，左边坐标表示对氮的起始化学吸附热，右边坐标表示氨的合成速率。,吸附热沿DE线上升，合成速率沿AB上升。,速率达到最高点B后，吸附热继续上升，由于吸附太强，合成速率反而下降。,对应B点的是第八族第一列铁系元素。,从吸附热衡量催化剂的优劣,2019/9/29,