吸附
吸附（Adsorption），是指在固相-气相、固相-液相、液相-气相、液相-液相等体系中，某个相的物质密度或溶于该相中的溶质浓度在界面上发生改变（与本体相不同）的现象。是物质在一相之间界面上的积聚或浓缩，是一种建立在分子扩散基础上的物质表面现象。根据固体表面吸附力性质的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。
1773年，C.W.Sheele第一个对木炭吸附气体的现象进行了科学观察。1881年，Kayser提出了“吸附”这一术语。在1873-1878年期间，美国物理学家和化学家JW.Gibbs对经典热力学规律进行了总结，提出了Gibbs吸附公式。1914年，匈牙利外科医生M.Polanyi提出了一种没有过多理论假设的吸附理论——吸附势理论。1916年，美国物理化学家1.Langmuir提出了单层吸附理论，得出了简明的Lapgmuir吸附等温式。20世纪20-40年代，一些化学家得到一些吸附等温式，公式弥补经典吸附势理论未能给出吸附等温式的缺陷，而且给出了由吸附等温线的低、中压部分的试验结果测定微孔吸附剂微孔体积的方法。20世纪50年以后，气体吸附理论的发展主要表现在：对原有气体吸附理论的修正与补充；混合气体的吸附，并提出了多种混合气体吸附公式；吸附热力学和吸附动力学的研究；不均匀固体表面上的吸附及化学吸附。
吸附与工农业生产的关系非常密切，涉及吸附作用的领域十分广泛。例如用硅胶、分子筛作为干燥剂吸附气体中的水分；防毒面具中用活性炭吸附有害气体；用吸附剂处理废水或废气以去除环境污染物等。在科学研究，特别是固体表面研究中也有广泛应用。例如BET气体吸附法测定固体的比表面。此外，在金属酸洗时使用的缓蚀剂就是依靠其分子吸附在金属表面，而抑制了金属在酸中的溶解；润滑剂在金属表面的吸附膜起了重要作用等。
词源
名称
1881年，Kayser提出了“吸附”这一术语，指出吸附是气体在空白表面上的凝聚，它与吸收完全不同。“吸着”（Sorption）这一术语是McBain于1909年提出的，它包括吸附、毛细凝聚和吸收。
定义
吸附可以定义为物质（吸附质（adsorbate））从气相或液相中国移动通信集团并在固体或液体凝聚态（基体（substrate））上形成表面单分子层的过程。每个相都是一个与主体系统其他部分有界限区分的明显区域，其物理性质（如化学组成）不变。最终，吸附质的物理化学性质决定了吸附发生的程度。
历史沿革
古代应用
自然界充满了吸附（Adsorption）现象。据说在古埃及，使用最古老的吸附剂对棉、丝等动植物纤维进行染色、鞣革，用木炭、骨炭对酒、水和砂糖等饮料和食品进行脱色精制。中国湖南长沙马王堆一号汉墓，修建于公元前178年，古墓结构为里面4层木棺，木棺外面放置5t木炭，木炭周围再用白陶土防水。由于采用了这些完美的保护措施，使得墓中的尸体和随葬品在经历了2000多年的漫长时间后依然保持着令人难以置信的完好状态。在日本，京都皇宫的地板下也铺了很厚的木炭。
近代发现及研究
1773年，C.W.Sheele第一个对木炭吸附气体的现象进行了科学观察，1777年，A.F.Fontana报道了木炭脱出气体后能吸附一定量的其他气体。同时，氧的发现者之一的瑞典科学家C.W.Scheele发现木炭在加热时放出的气体，在冷却时又被木炭吸着。1785年，俄罗斯科学家T.Lowitz发现木炭可以脱除溶液中的有色物质。还有其他人记载了木炭有净水、除湿等吸着作用。这些工作都是定性的观察和描述。
1814年，瑞士学者T.deSaussure第一个系统地研究了多种气体在几种吸附剂上的吸着。他认为不同木炭吸着不同气体的体积不同，并且他首先指出吸着气体的多少决定于固体的表面积，且指出吸着气体的过程伴随有热量的释出，即这一过程是放热过程。1843年，Mitscherlich注意到在吸着气体时木炭中孔的作用，并估计出木炭孔的平均直径。1879年，Smith将多种气体在炭上的吸着能力以吸着气体的体积排列次序（以氢的吸着体积为1计）：H2（1），N2（4.25），CO（6.03），O2（7.99），CH4（10.01），N2O（12.90），CO2，（22.05），SO2（36.95），括号内为相应的吸着体积。此顺序恰与各气体沸点有关，沸点越低，吸着体积越小。在这些代表性工作中已开始涉及吸着的性质和规律，尚未能区分吸附与吸收。
吸附热力学、吸附动力学及多种吸附模型的理论成果在19世纪末-20世纪初相继出现。在1873-1878年期间，美国物理学家和化学家JW.Gibbs对经典热力学规律进行了总结，并全面解决了热力学体系平衡问题，提出了Gibbs吸附公式。这一成果是吸附理论的基础，适用于解决一切界面吸附问题，特别是对处理气液和液液界面的吸附研究更为方便。
在第一次世界大战期间，俄罗斯科学家以二次活化的炭为吸附剂制成了防毒面具，有效地防止滤器、光气等毒气对人体的毒害。在解决毒气工作的基础上，N.A.Shilov提出了床层吸附动力学的方程式。1911年，德国胶体化学家R.A.Zsigmondy为了解释孔性固体吸附等温线滞后圈现象，根据凹液面上的平衡蒸气压小于同温度下平液面上的饱和蒸气压提出了毛细凝聚理论，该理论是微孔吸附剂吸附的理论依据。
20世纪后发展
20世纪初，多相催化开始迅速发展，多相催化的基本步骤是反应物向催化剂表面扩散并被吸附，在催化剂表面进行化学反应生成产物，产物从表面脱附并向体相扩散。因此，研究反应物的吸附、产物的脱附、催化剂表面性质是进行催化研究的重要内容。1910年，合成氨的大量工业生产是多相催化工艺的发展，测定出了多种气体在这些催化剂上的吸附曲线，从中选择有最佳活性的催化剂和工艺条件。BET的多分子层吸附理论和BDDT对气体吸附等温线的分类就是在这种历史背景下提出的。
1914年，匈牙利外科医生M.Polanyi提出了一种没有过多理论假设的吸附理论——吸附势理论。该理论认为在固体表面有势能场，吸附质分子落入此势能场中即被吸附。这一理论较早地解决了吸附等温线的预示，但未能给出明确的吸附等温式。1916年，美国物理化学家1.Langmuir提出了单层吸附理论，这一理论有明确的假设条件，得出了简明的吸附等温式—Lapgmuir方程。单分子层吸附理论是后续发展的BET多层吸附理论的基础。在此之前，经验的Freundlich 吸附等温式问世。吸附势理论在初期只是理论的描述为给出吸附等温式，故在一段时间内未受到重视。后续的发展将吸附平衡、吸附量、微孔体积孔结构、吸附能联系起来，这一理论在等温线预示、液相吸附中都得到应用。
20世纪20-40年代，一些化学家将吸附的气体视为二维气体，它们可在固体表面上运动，并可能有相互间的作用，因而它们服从多种形式的二维气体状态方程，将这些关系与Gibbs吸附公式结合，得到一些吸附等温式，这一公式不仅弥补了经典吸附势理论未能给出吸附等温式的缺陷，而且给出了由吸附等温线的低、中压部分的试验结果测定微孔吸附剂微孔体积的方法。20世纪50年以后，气体吸附理论的发展主要表现在：对原有气体吸附理论的修正与补充；混合气体的吸附，并提出了多种混合气体吸附公式；吸附热力学和吸附动力学的研究；不均匀固体表面上的吸附及化学吸附。
原理
吸附机理
吸附作用可发生在气-液、气-固或液-固二相之间。当二相物质相互接触时，二者界面上呈现一个内部组成不同于原来任何一相的区域，同原来相内的物质浓度相比，界面上物质浓度的增加即称为吸附。或者说，吸附是指物质在一相之间界面上的积聚或浓缩，是一种建立在分子扩散基础上的物质表面现象。分子之间的吸引力促成吸附。
吸附类型
根据固体表面吸附力性质的不同，吸附可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。物理吸附和化学吸附并非独立，常伴随发生。在水处理中，大部分的吸附往往是几种吸附综合作用的结果。由于吸附质、吸附剂及其他因素的影响，常以某一种吸附为主，如有的吸附在低温时主要是物理吸附，在高温时主要是化学吸附。
物理吸附
吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附称为物理吸附，是一种常见的吸附现象。因为吸附是由分子力（范德华力）引起的，所以吸附热较小，一般在41.9kJ/摩尔 以内。物理吸附因为不发生化学作用，所以低温时就能进行。被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂表面，这种现象称为解吸，它是吸附的逆过程。物理吸附可形成单分子或多分子吸附层。由于分子间力是普遍存在的，所以一种吸附剂可吸附多种吸附质。由于吸附剂和吸附质的极性强弱不同，吸附剂对吸附质的吸附量存在差异。
化学吸附
电子在吸附质和吸附剂表面之间交换或共有而出现化学反应，使得吸附质和吸附剂之间产生化学键吸附作用，这一过程称为化学吸附（或化学吸着）。吸附质与吸附剂之间由于化学键力发生了化学作用，使得其化学性质改变。如生石灰吸附CO2，形成CaCO3。化学吸附一般在较高温度下进行，吸附热较大，相当于化学反应热，一般为83.7~418.7kJ/摩尔。化学吸附具有选择性，表现为一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生吸附。由于化学吸附是靠吸附剂和吸附质之间的化学键力进行的，吸附只能形成单分子吸附层。当化学键力大时，化学吸附是不可逆的。
离子交换吸附
吸附质的离子由于静电引力聚集到吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂也会释放出一个等当量离子，离子所带电荷越多，吸附越强。对于电荷相同的离子水化半径越小，越易被吸附。
相关理论
吸附质
在吸附过程中，被吸附到固体表面的物质或能够被固体表面吸附的物质叫吸附质（adsorbate）。
吸附剂
吸附质所依附的物质称为吸附剂（adsorent），即具有吸附另一种物质的能力的物质，多指固态物质。广义来看，一切固体表面都有吸附作用，但实际上，只有具有较大比表面积的多孔物质或细微颗粒，才具有明显的吸附能力。
吸附剂是吸附法的核心，总体可分为无机化合物吸附剂和有机吸附剂。其中，常见的无机吸附剂有活性炭、活性炭纤维、纳米碳管、分子筛、黏土、多孔硅胶等。吸附设计中为了尽可能提高吸附效率，要考虑的因素很多，对于一定的生产任务，吸附质的性质和浓度是确定的，需要考虑的因素是吸附剂的选择、吸附装置及吸附流程的选择。吸附剂的性质直接影响吸附效率，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。
吸附等温线
吸附等温线是指在一定温度条件下，被吸附剂吸附的吸附质的量与吸附质溶液浓度或气体压力之间的平衡关系曲线。在前人的大量研究和从实验测得的大量吸附等温线基础上，Brunauer、Deming、Deming和Teller对吸附等温线进行了分类，将吸附等温线分为5种类型，称为BDDT分类。后来，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）进行了补充，增加了VI型台阶形等温线。
吸附等温式
一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质、浓度、温度有关。在一定温度下，表明被吸附物质的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。目前常用的公式有三种：朗格缪尔（Langmuir）吸附等温式、弗兰德利希（Freundlich）吸附等温式和BET吸附等温式。
朗格缪尔吸附等温式
朗格缪尔吸附等温式是在被吸附物质仅为单分子层的假定下推导出来的，对于物理吸附及化学吸附都适用，并且在较高的浓度条件下都与实际情况非常吻合，因而得到了较为广泛的运用。
弗兰德利希公式
弗兰德利希公式是个经验公式，经证实得到。水处理中的污染物质浓度相对较低时常用该式。该公式与根据不均匀表面上的吸附理论而得到的吸附量和吸附热的关系相符。
BET吸附等温式
BET吸附等温式与朗格约翰·缪尔吸附等温式的单分子模型不同，它假设分子在吸附剂表面上能够连续重叠、无线吸附，是一种多分子层吸附。
类似概念
吸收
吸附和吸收都可用于分离气体混合物，名字相近，但吸收是根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同达到分离目的的传质过程。吸附是利用多孔性固体吸附剂将气体混合物中的一种或数种组分吸着到固体表面上以达到分离的目的。
吸附和吸收都涉及传质过程，吸收是采用液态吸收剂进行吸收，是气液两相分离；吸附采用固态吸附剂进行吸附，是气固两相分离。吸收发生时，待分离组分不仅保持在液体表面，而且通过液体表面分散到整个液体相；吸附发生时，待分离组分仅在吸附剂表面上浓缩富集成吸附层，并不深入吸附剂内部。
影响因素
吸附剂的性质
一般来说，吸附剂的比表面积越大，吸附能力就越强。吸附剂如果是极性分子，则易吸附极性的吸附质。此外，吸剂的颗粒大小、细孔的构造、孔径分布情况以及其表面化学性质等对吸附均有不同程度的影响。
吸附质的性质
溶解度
吸附质在陵水中的济解度越低，越容易被吸附。吸附质在水中溶解度越大，吸附质对水的亲和力就越强，就不易转向吸附剂界面面被吸附。
表面自由能
能够使液体表面自由能降低越多的吸附质，也越容易被吸附。例如，活性炭在水溶液中吸附脂肪酸，由于含碳越多的脂肪酸分子可使其表面自由能降低得越多，所以吸附量也越大。
极性
服从极性相容的理论，极性的吸附质易被极性的吸附剂吸附，非极性的吸附质易被非极易的吸附剂吸附。
吸附质分子的大小和不饱和度
活性炭与合成沸石相比，前者易吸附分子直径较大的饱和化合物，而后者易吸附直径较小的不饱和化合物。
吸附质的浓度
当吸附剂表面全部被吸附质占据时，吸附最就达到了极限状态，吸附量不再随吸附质浓度的提高面增加。
应用
工农业生产
吸附与工农业生产的关系非常密切，涉及吸附作用的领域十分广泛。最早吸附方法应用于食品工业中净化糖汁、酿酒工业中去除乙醇中的杂醇油，所应用的吸附剂多为木炭及骨炭。直至20世纪初，出现了用气体活化和化学活化法制备活性炭的专利，并建立了活性炭工厂。由此，吸附方法才用于气体分离和净化的工业操作。例如用硅胶、分子筛作为干燥剂吸附气体中的水分；防毒面具中用活性炭吸附有害气体；用吸附剂处理废水或废气以去除环境污染物等。在精糖、油脂等时也常用吸附剂脱色除臭；某些物质的分离和回收、产品的净化提纯也可利用吸附作用来实现，色谱分离技术就是利用吸附剂对混合物中各个成分的吸附能力不同，而使之分离的方法。
科学研究
吸附作用在科学研究，特别是固体表面研究中也有广泛应用。例如前面已讨论过BET气体吸附法测定固体的比表面。从吸附数据还可获得吸附剂表面状态、被吸附分子的形态以及被吸附分子与固体表面的相互作用等种种信息。
其他领域
此外，涉及吸附的领域和过程还很多，如在金属酸洗时使用的缓蚀剂就是依靠其分子吸附在金属表面，而抑制了金属在酸中的溶解。在润滑作用中，润滑剂在金属表面的吸附膜起了重要作用。还有许多情况下需要使已吸附物质解吸，例如新制造的金属真空设备往往很难抽成真空，这大多是因为金属设备表面上已吸附有很多气体或其他杂质，它们在抽真空过程中不断释放气体所致，因此真空设备内的表面应加工成光滑表面以减少吸附，并要洗净油污，将设备加热以使吸附的气体尽早解吸，这样才能较快地使设备达到真空。在真空涂膜工艺中也需要清除基体表面上吸附的气体和杂质，以保证涂膜附着良好。