物理吸附問題集錦（一）-基礎(chǔ)篇
發(fā)布時(shí)間：2025-05-24 點(diǎn)擊：27
1. 什么是表面和表面積?
表面是固體與周圍環(huán)境, 特別是液體和氣體相互影響的部分; 表面的大小即表面積。
表面積可以通過顆粒分割(減小粒度)和生成孔隙而增加，也可以通過燒結(jié)、熔融和生長而減小。
2. 什么是比表面積?為什么表面積如此重要?
比表面積英文為 specific surface area，指的是單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的總面積。分外表面積、內(nèi)表面積兩類。國際標(biāo)準(zhǔn)單位為㎡/g。
表面積是固體與周圍環(huán)境，特別是液體和氣體相互作用的手段和途徑。一般有下列三種作用：
1) 固體-固體之間的作用：表現(xiàn)為自動粘結(jié)，流動性(流沙)，壓塑性等。
2) 固體-液體之間的作用：表現(xiàn)為浸潤，非浸潤，吸附能力等。
3) 固體-氣體之間的作用：表現(xiàn)為吸附，催化能力等。
3. 什么是孔?
根據(jù) ISO15901 中的定義，不同的孔(微孔、介孔和大孔)可視作固體內(nèi)的孔、通道或空腔， 或者是形成床層、壓制體以及團(tuán)聚體的固體顆粒間的空間(如裂縫或空隙)。
4. 什么是開孔和閉孔?
多孔固體中與外界連通的空腔和孔道稱為開孔(open pore)，包括交聯(lián)孔、通孔和盲孔。這些孔道的表面積可以通過氣體吸附法進(jìn)行分析。
除了可測定孔外，固體中可能還有一些孔，這些孔與外表面不相通，且流體不能滲入，因此不在氣體吸附法或壓汞法的測定范圍內(nèi)。不與外界連通的孔稱為閉孔(close pore)。
開孔與閉孔大多為在多孔固體材料制備過程中形成的，有時(shí)也可在后處理過程中形成，如高溫?zé)Y(jié)可使開孔變?yōu)殚]孔。
5. 什么是孔隙度?
孔隙度是指深度大于寬度的表面特征，一般用孔徑及其分布和總孔體積表征。
6. 什么是多孔材料?
多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。多孔材料可表現(xiàn)為細(xì)或粗的粉體、壓制體、擠出體、片體或塊體等形式。其表征通常包括 孔徑分布和總孔體積或孔隙度的測定。在某些場合，也需要考察其孔隙形狀和流通性，并測定內(nèi)表面和外表面面積。
7. 真實(shí)的表面是什么樣的?
立方體和球體是在數(shù)學(xué)計(jì)算上最簡單的理想模型。對于邊長為L cm 立方體，其表面積為6L2 cm2。但在現(xiàn)實(shí)情況中，數(shù)學(xué)中的理想幾何形狀是根本不存在的，因?yàn)樵陲@微鏡下看所有真實(shí)表面，它們都是有缺陷，都是凸凹不平的。如果有一個(gè)“超級顯微鏡”，你就能看到表面有多粗糙，這不僅是由 于空隙，孔道，臺階和其它的非理想情況，更是由于原子或分子軌道的分布。這些表面的不規(guī)則性 總是創(chuàng)造出比相應(yīng)的理論面積更大的真實(shí)表面積。
8. 影響表面積的因素有哪些?
影響表面積大小的因素包括顆粒大小(粒徑)和顆粒形狀(粒形)以及含孔量。
設(shè)想一個(gè)一米邊長的真實(shí)立方體被切割成一微米(10-6 m)的小立方體, 這樣將產(chǎn)生1018 個(gè)顆粒。每個(gè)顆粒暴露的面積是 6x10-12 平方米(m2), 所有顆粒貢獻(xiàn)的總面積則為 6x106 m2。與未切割材料比較，這種暴露面積的百萬倍的增加是超細(xì)粉體具有大表面積的典型。
除了粒度以外，顆粒形狀也對粉體的表面積有所貢獻(xiàn)。在所有幾何形狀中，球形具有最小的面積/體積比，但一串原子如果僅沿著鏈軸線鍵合，則會有最大的面積/體積比。所有的顆粒物質(zhì)都具 有幾何形狀，因而具有在兩個(gè)極端之間的表面積。通過比較兩個(gè)有相同組成和相同質(zhì)量，但形狀分 別為球形和立方體的顆粒表面積，很容易看到顆粒形狀對表面積的影響。計(jì)算得出，在顆粒重量相同的情況下，立方體面積大于球體面積。
因?yàn)榱健⒘Ｐ魏涂紫抖鹊牟煌缺砻娣e的范圍可以有極大的變化，但孔的影響往往使粒徑 和外部形狀因素的影響完全湮沒。由密度大約為 3g/cm3 的 0.1 微米半徑球形顆粒組成的粉末比表面大約為 10m2/g， 而 1.0 微米半徑的類似顆粒比表面會減少 10 倍;但是如果同樣的 1.0 微米半徑顆粒含有大量的孔隙，其比表面可能超過 1000m2/g。這清楚地表明孔對表面積的重要貢獻(xiàn)。
9. 在粒度分析儀上計(jì)算出的表面積值準(zhǔn)確嗎?
盡管顆粒形狀能被假設(shè)為規(guī)則的幾何形，但是絕大多數(shù)的情況下它是不規(guī)則的，只不過目前流行 的粒度測量方法是基于“等效球體積”。如果試圖利用粒度測量方法(包括激光衍射法、光散射法、 電域敏感法、沉降法、透過法、篩分法和電子顯微鏡法)測量比表面，由于粒形、表面的不規(guī)則及 孔隙度的影響，其結(jié)果會比真值嚴(yán)重偏小，甚至相差 1000 倍以上。因此，由粒徑計(jì)算表面積只能通過球形或其它規(guī)則幾何形狀的絕對假設(shè)建立一個(gè)低限值。
10. 孔的類型有哪些?
工業(yè)催化劑或載體作為多孔材料，是具有發(fā)達(dá)孔系的顆粒集合體。一般情況是一定的原子(分子)或離子按照晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則組成含有微孔的納米級晶粒;而因制備化學(xué)條件和化學(xué)組成的不同， 若干晶粒又可聚集為大小不一的微米級顆粒，然后工業(yè)成型成更大的團(tuán)粒或有不同幾何外形的顆粒集合體。
不同的制備方法會生成不同的孔結(jié)構(gòu)。如， 高溫?zé)Y(jié)或擠壓成型的多孔固體的孔結(jié)構(gòu)是無 規(guī)則的;而由膠體在充水的初級結(jié)構(gòu)中沉淀、 收縮、老化，會產(chǎn)生特征性的微孔結(jié)構(gòu)(典型 例子如水泥和石膏)。
沸石和分子篩具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部的孔是由晶體內(nèi)的孔道、縫隙或籠組成的具有均勻尺寸和規(guī)則的形狀。在沸石內(nèi)部，籠是由直徑 0.4 – 1nm 的窗口相連。一個(gè)籠可以看作是一個(gè)球形孔。
所以，實(shí)際體積中的孔結(jié)構(gòu)都是復(fù)雜的， 是由不同類型的孔組成的。在分子水平上看，孔的內(nèi)表面幾乎都是不光滑的。但是，我們可以從幾個(gè)基本類型開始(如圖)，然后建立它們的各種組合。
最典型的是筒形孔(圓柱孔)，它是孔分布計(jì)算的一個(gè)基礎(chǔ)模型。
擠壓固化但還未燒結(jié)的球形或多面體粒子多是錐形孔(楔形孔，棱錐形空隙)。
裂隙孔是由粒子間接觸或堆砌而形成的空間。這個(gè)模型也是溶漲和凝聚現(xiàn)象的計(jì)算基礎(chǔ)。
墨水瓶孔都有孔頸。孔徑是較大孔隙的頸口，因此墨水瓶孔也可以看成是球形孔與筒形孔的組 合。沸石類的孔隙是穩(wěn)定的，但被“頸口”所控制，它可以被看作是筒形孔和墨水瓶孔的中間狀態(tài)。
——以上內(nèi)容轉(zhuǎn)自楊正紅老師《物理吸附100問》，歡迎大家購買正版圖書閱讀
高企認(rèn)定研發(fā)費(fèi)用要求(企業(yè)研究開發(fā)費(fèi)用占比)
【iso14001標(biāo)準(zhǔn)要素】iso14001系列標(biāo)準(zhǔn)較關(guān)鍵的原則
FSC認(rèn)證,咨詢熟悉整個(gè)FSC材料的采購及內(nèi)部運(yùn)作的流程
車載收音機(jī)DAB+認(rèn)證流程及費(fèi)用
節(jié)水灌溉產(chǎn)品認(rèn)證
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表面是固體與周圍環(huán)境, 特別是液體和氣體相互影響的部分; 表面的大小即表面積。
表面積可以通過顆粒分割(減小粒度)和生成孔隙而增加，也可以通過燒結(jié)、熔融和生長而減小。
2. 什么是比表面積?為什么表面積如此重要?
比表面積英文為 specific surface area，指的是單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的總面積。分外表面積、內(nèi)表面積兩類。國際標(biāo)準(zhǔn)單位為㎡/g。
表面積是固體與周圍環(huán)境，特別是液體和氣體相互作用的手段和途徑。一般有下列三種作用：
1) 固體-固體之間的作用：表現(xiàn)為自動粘結(jié)，流動性(流沙)，壓塑性等。
2) 固體-液體之間的作用：表現(xiàn)為浸潤，非浸潤，吸附能力等。
3) 固體-氣體之間的作用：表現(xiàn)為吸附，催化能力等。
3. 什么是孔?
根據(jù) ISO15901 中的定義，不同的孔(微孔、介孔和大孔)可視作固體內(nèi)的孔、通道或空腔， 或者是形成床層、壓制體以及團(tuán)聚體的固體顆粒間的空間(如裂縫或空隙)。
4. 什么是開孔和閉孔?
多孔固體中與外界連通的空腔和孔道稱為開孔(open pore)，包括交聯(lián)孔、通孔和盲孔。這些孔道的表面積可以通過氣體吸附法進(jìn)行分析。
除了可測定孔外，固體中可能還有一些孔，這些孔與外表面不相通，且流體不能滲入，因此不在氣體吸附法或壓汞法的測定范圍內(nèi)。不與外界連通的孔稱為閉孔(close pore)。
開孔與閉孔大多為在多孔固體材料制備過程中形成的，有時(shí)也可在后處理過程中形成，如高溫?zé)Y(jié)可使開孔變?yōu)殚]孔。
5. 什么是孔隙度?
孔隙度是指深度大于寬度的表面特征，一般用孔徑及其分布和總孔體積表征。
6. 什么是多孔材料?
多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。多孔材料可表現(xiàn)為細(xì)或粗的粉體、壓制體、擠出體、片體或塊體等形式。其表征通常包括 孔徑分布和總孔體積或孔隙度的測定。在某些場合，也需要考察其孔隙形狀和流通性，并測定內(nèi)表面和外表面面積。
7. 真實(shí)的表面是什么樣的?
立方體和球體是在數(shù)學(xué)計(jì)算上最簡單的理想模型。對于邊長為L cm 立方體，其表面積為6L2 cm2。但在現(xiàn)實(shí)情況中，數(shù)學(xué)中的理想幾何形狀是根本不存在的，因?yàn)樵陲@微鏡下看所有真實(shí)表面，它們都是有缺陷，都是凸凹不平的。如果有一個(gè)“超級顯微鏡”，你就能看到表面有多粗糙，這不僅是由 于空隙，孔道，臺階和其它的非理想情況，更是由于原子或分子軌道的分布。這些表面的不規(guī)則性 總是創(chuàng)造出比相應(yīng)的理論面積更大的真實(shí)表面積。
8. 影響表面積的因素有哪些?
影響表面積大小的因素包括顆粒大小(粒徑)和顆粒形狀(粒形)以及含孔量。
設(shè)想一個(gè)一米邊長的真實(shí)立方體被切割成一微米(10-6 m)的小立方體, 這樣將產(chǎn)生1018 個(gè)顆粒。每個(gè)顆粒暴露的面積是 6x10-12 平方米(m2), 所有顆粒貢獻(xiàn)的總面積則為 6x106 m2。與未切割材料比較，這種暴露面積的百萬倍的增加是超細(xì)粉體具有大表面積的典型。
除了粒度以外，顆粒形狀也對粉體的表面積有所貢獻(xiàn)。在所有幾何形狀中，球形具有最小的面積/體積比，但一串原子如果僅沿著鏈軸線鍵合，則會有最大的面積/體積比。所有的顆粒物質(zhì)都具 有幾何形狀，因而具有在兩個(gè)極端之間的表面積。通過比較兩個(gè)有相同組成和相同質(zhì)量，但形狀分 別為球形和立方體的顆粒表面積，很容易看到顆粒形狀對表面積的影響。計(jì)算得出，在顆粒重量相同的情況下，立方體面積大于球體面積。
因?yàn)榱健⒘Ｐ魏涂紫抖鹊牟煌缺砻娣e的范圍可以有極大的變化，但孔的影響往往使粒徑 和外部形狀因素的影響完全湮沒。由密度大約為 3g/cm3 的 0.1 微米半徑球形顆粒組成的粉末比表面大約為 10m2/g， 而 1.0 微米半徑的類似顆粒比表面會減少 10 倍;但是如果同樣的 1.0 微米半徑顆粒含有大量的孔隙，其比表面可能超過 1000m2/g。這清楚地表明孔對表面積的重要貢獻(xiàn)。
9. 在粒度分析儀上計(jì)算出的表面積值準(zhǔn)確嗎?
盡管顆粒形狀能被假設(shè)為規(guī)則的幾何形，但是絕大多數(shù)的情況下它是不規(guī)則的，只不過目前流行 的粒度測量方法是基于“等效球體積”。如果試圖利用粒度測量方法(包括激光衍射法、光散射法、 電域敏感法、沉降法、透過法、篩分法和電子顯微鏡法)測量比表面，由于粒形、表面的不規(guī)則及 孔隙度的影響，其結(jié)果會比真值嚴(yán)重偏小，甚至相差 1000 倍以上。因此，由粒徑計(jì)算表面積只能通過球形或其它規(guī)則幾何形狀的絕對假設(shè)建立一個(gè)低限值。
10. 孔的類型有哪些?
工業(yè)催化劑或載體作為多孔材料，是具有發(fā)達(dá)孔系的顆粒集合體。一般情況是一定的原子(分子)或離子按照晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則組成含有微孔的納米級晶粒;而因制備化學(xué)條件和化學(xué)組成的不同， 若干晶粒又可聚集為大小不一的微米級顆粒，然后工業(yè)成型成更大的團(tuán)粒或有不同幾何外形的顆粒集合體。
不同的制備方法會生成不同的孔結(jié)構(gòu)。如， 高溫?zé)Y(jié)或擠壓成型的多孔固體的孔結(jié)構(gòu)是無 規(guī)則的;而由膠體在充水的初級結(jié)構(gòu)中沉淀、 收縮、老化，會產(chǎn)生特征性的微孔結(jié)構(gòu)(典型 例子如水泥和石膏)。
沸石和分子篩具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部的孔是由晶體內(nèi)的孔道、縫隙或籠組成的具有均勻尺寸和規(guī)則的形狀。在沸石內(nèi)部，籠是由直徑 0.4 – 1nm 的窗口相連。一個(gè)籠可以看作是一個(gè)球形孔。
所以，實(shí)際體積中的孔結(jié)構(gòu)都是復(fù)雜的， 是由不同類型的孔組成的。在分子水平上看，孔的內(nèi)表面幾乎都是不光滑的。但是，我們可以從幾個(gè)基本類型開始(如圖)，然后建立它們的各種組合。
最典型的是筒形孔(圓柱孔)，它是孔分布計(jì)算的一個(gè)基礎(chǔ)模型。
擠壓固化但還未燒結(jié)的球形或多面體粒子多是錐形孔(楔形孔，棱錐形空隙)。
裂隙孔是由粒子間接觸或堆砌而形成的空間。這個(gè)模型也是溶漲和凝聚現(xiàn)象的計(jì)算基礎(chǔ)。
墨水瓶孔都有孔頸。孔徑是較大孔隙的頸口，因此墨水瓶孔也可以看成是球形孔與筒形孔的組 合。沸石類的孔隙是穩(wěn)定的，但被“頸口”所控制，它可以被看作是筒形孔和墨水瓶孔的中間狀態(tài)。
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