[科普中国]-吸附热

吸附

当流体与多孔固体接触时， 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄， 此现象称为吸附。 吸附也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。

在液体或气体表面生成一层原子或分子的现象。被吸附的原子或分子常被化学键牢牢吸住，即化学吸附。化学吸附中，被吸附层常为一个分子那么厚的一薄层。吸附也可通过较弱的物理力发生，即物理吸附，通常形成几个分子层。1

吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。

吸附热简介物理吸附的吸附热等于吸附质的凝缩热与湿润热之和。当前者相对于后者很大时，可忽略湿润热。物理吸附的吸附热一般为几百到几千焦耳每摩尔，最大不超过40kJ/mol。化学吸附过程的吸附热比物理吸附过程的大，其数量相当于化学反应热，一般为84-417kJ/mol。吸附温度也会影响吸附热的大小。在实际操作中，吸附热会导致吸附层温度升高，进而使吸附剂平均活性下降。

吸附过程产生的热为吸附热，吸附热的大小可以衡量吸附强弱的程度，吸附热越大，吸附越强。

吸附热是衡量吸附剂吸附功能强弱的重要指标之一。

预测吸附等温线不同温度下的吸附等温线是过程模拟和设计所必需的。获取的方法是通过测定各温度范围内的多条吸附等温线，然后将等温线拟合为温度的函数。以往常因缺乏各温度下的实验数据，采用假设吸附始终发生在等温的条件下，甚至假设各组份的吸附等温线均为线性，这样的结果与工业的实际操作情况会有较大的差距，因此，通过较少的吸附等温线数据准确预测其它温度范围内的等温线是很有实际意义的。胡涛等通过测定常温范围的2个特定温度下的吸附等温线，利用计算所得的等量吸附热预测其它温度下的吸附等温线，并与实验测定值和内插法获得的吸附等温线进行了比较，详细考察了通过吸附热预测等温线的准确性。同时还利用文献数据，通过计算等量吸附热，预测了较宽压力和温度范围的等温线数据，并与插值法和文献的实验数据进行了比较，探讨方法的适用性。

结果表明：用吸附热预测不同温度的等温线仅需两温度下的吸附等温线数据。这样的方法可以用于吸附过程模拟计算和设计中，解决需要不同温度下吸附等温线数据的问题。2

天然气和氢气吸附储存吸附热天然气、氢气以其热值高、污染物排放少的优点受到了人们的喜欢。如何安全、经济、有效的储存这些气体燃料还是一个没有解决的课题。较热门的研究活题是利用高比表面活性碳、碳纳米管和碳纳米纤维吸附储存天然气和氢气，但是还远远没有达到能实用的地步。原因之一是没有一种吸附剂材料能达到实用的能量密度要求；之二是还没有一种方法很好的解决吸脱附过程当中热效应的问题。

吸脱附过程是一个放热吸热过程，任何速率的吸附或脱附过程都伴随着吸附系统温升一温降现象的发生。学者周理利用Ax一21活性碳进行了吸附储存天然气和氢气的研究，得出Ax一21活性碳吸附储存天然气的平均吸附热为16.5kJ/mol，吸附储存氢气的平均吸附热为6.4kJ/mol。吸脱附的热效应对吸附系统的吸附过程和脱附过程有很大的负面作用：吸附过程中放热，吸附系统的温度升高，温度升高将不利于吸附作用的进行，从而降低吸附量；脱附过程中吸热，吸附系统的温度降低将不利于脱附作用的进行，将会增加脱附残余量。吸热一放热作用，可使吸附容量减少约40%。国内外的学者针对车用吸附储存系统，对其吸附热效应进行了大量的实验和理论上的研究。美国联台碳化物公司资助的NYSERDA（NewYorkstate energyresearch anddevelopmentauthority）和NYGAS（NewYorkgasgmup）联合组织和AGLARG（Atlantagaslight adsorption researchgroup）国际合作组织一直致力于吸附法储存天然气汽车燃料技术的研究，他们的主要工作之一就是研究吸附热对储气能力的影响及降低吸附热影响的储气技术。

前人的实验研究结果已经对吸附储罐中的温度场分布有了一个清楚的描述。但是吸附剂的特征参数如孔径分布、填充密度，比表面积是否对吸附热和吸附系统动态吸附储量有影响还是一个未知的话题。还有一个有意思的问题：吸附性能越好的吸附剂，其动态吸附储存量是否就越大（吸附性能好，吸附热效应可能更强烈，残余吸附量可能会更多）。这些都需要从理论上和实验得以验证。对于碳纳米管、碳纳米纤维吸附储存氢气，确定碳纳米管和碳纳米纤维的热物性参数，建立合适的数学模型描述吸附系统的动态特征也是待解决的课题。3