水处理药剂常用吸附剂的特性及吸附机理
    ①活性炭  活性炭是一种最常见的黑色大表面多孔性吸附剂，其主要
成分为无定形碳，还有少量的氢、氧、氮、硫及灰分。作为优良的吸附剂，
活性炭具有以下特点：
    大的比表面。活性炭的比表面通常都在每克几百平方米以上，超过
lOOOm2 /g的样品很容易得到。大的比表面提供了大吸附能力的条件。
    发达的孔隙结构。按常规工艺制备的活性炭均有丰富的微孔，微孔体积
常可达o．2～o．6cm3 /g o由于微孔的大小与吸附分子大小近于同数量级，故
吸附分子受到四周孔壁的叠加吸附作用力，故可有大的吸附量，最大吸附量
与微孔体积相等。这种微孔吸附剂的吸附机制称为微孔填充。
    活性炭具有碳的六角形排列的网状平面组成的微晶群和无规则碳的结
构，使其对吸附分子有强烈的色散力作用。同时，活性炭表面的某些含氧基
团和杂原子对某些吸附分子有极性作用。因此，活性炭既可吸附非极性分子
又可吸附某些极性分子。
    活性炭有相当好的化学稳定性，耐酸和碱。具有一定的力学强度、易再
生、生产成本较低等优点。
    从宏观来说，决定活性炭吸附能力大小是比表面大小、孑L结构特点、表
面性质和吸附质的性质。从微观来说，活性炭的吸附主要取决于以下机制。
    范德华力引起的物理吸附。活性炭的基本微晶是与石墨类似的二维平面结
构，排成六角形的碳原子平行平面（尽管不如石墨完整）对外来吸附质有强烈
的范德华力作用，这种作用导致物理吸附的发生。这也正是人们通常将活性炭
主要归于非极性吸附剂的原因。在范德华力作用中吸附某种组分以达到分离、
回收、净化等目的大多是应用活性炭表面对某种组分有强烈的物理吸附作用。
    ，活性炭对某些化学反应有催化作用。例如在活性炭存在下，硫化氢可发
生氧化反应：
 
    该反应的机理虽尚不完全清楚，但在催化剂表面发生催化反应，反应物
一定要首先被化学吸附。活性炭由类似于石墨结构的微晶构成，在这些微晶
中有大量的不饱和键，大的比表面和丰富的孔结构也使活性炭表面有大量的
处于边、棱上的高能量碳原子。这些不饱和键、高能量碳原子都可能成为发
生化学吸附的位置。
    活性炭的微孔容积占总孔容积的很大比例。进入微孔中的吸附质分子受
到四方孑L壁的叠加作用能，当气体平衡压力（或溶液平衡浓度）不很大时，
微孔即可被吸附质完全填满。在中孔中，在一定的气体平衡压力（或溶液的
平衡浓度）下，被吸附的吸附质形成凹液面，在此凹液面上发生毛细凝结，
从而吸附量急剧增加。现在，已将由毛细凝结作用引起的吸附质在孔性固体
中的浓集归属于吸附作用。
    ②硅胶  硅胶是无定形结构的硅酸干凝胶，有丰富的孔结构和大的比
表面，是常用的极性吸附剂o   
    硅胶的一般制法是将碱金属硅酸盐（如水玻璃）酸化，生成的硅酸经分
子间缩合而成硅溶胶。硅溶胶在一定条件下胶凝，然后经老化、洗涤、预处
理、干燥和活化等步骤得到成品硅胶。
    硅胶是典型的极性吸附剂，可自非极性或弱极性溶剂中吸附极性物质，
主要应用于气体干燥、蒸气回收、有机液体脱水、石油精制等，也常用作色
谱载体、多相催化剂载体。高分散的硅胶（或二氧化硅）也可用作橡胶、塑
料制品的填充剂。
    商品硅胶多为半透明或乳白色块状物。块状物经粉碎、过筛可得不同大
小的粉状或颗粒产品。采用一定工艺成胶，可得到球形硅胶和变色硅胶。球
形硅胶的力学强度大，不易粉化。变色硅胶多是在硅酸胶凝时用氯化钴浸渍
干燥后成蓝色，吸水后变为粉红色。
    硅胶按孔径大小可分为细孔、中孔和粗孔等几类，但各类硅胶孑L的大小
尚无统一的规定。
   硅胶的基本结构单元是硅氧四面
体，即四个氧原子在四面体的四角，硅原子在四面体的中心，每个氧原子又
与相邻的两个硅原子共有。硅氧四面体以不同方式联结、堆积成Si02胶粒，
并进而形成硅胶的骨架，即为硅酸凝胶的网状结构oSi02胶粒联结、堆积
时形成孔隙可成为硅胶的孔隙。因此，Si02胶粒和硅酸凝胶形成的条件及
凝胶的后处理步骤决定了硅胶的比表面、比孔容、孔径分布等宏观参数。这
些条件和步骤主要包括胶凝时介质的pH值，硅胶水凝胶老化液的温度、浓
度和pH值，洗涤液的成分和温度，干燥方式，升温速度，干燥温度等。
    硅胶的化学稳定性好，耐酸但不耐碱。在硅胶上一般都是物理吸附，化
学吸附较少。硅胶耐热性好，高纯硅胶在低于700℃处理时比表面和孔结构
无明显变化。硅胶对水和极性小分子有机物有良好的选择性吸附能力。常用
硅胶的结构特性为：比表面积300_750m2/g；比孔容0.3～1.2 cm3 /g；平
均孔半径，1～7 nm；堆积密度0.4～0.9g/cm3；真密度2.2g/cm3 0    硅胶的比热容约为0. 92kJ/( kg．K)，热导率为0.llkJ/(m．h．K)，
对水蒸气的平均吸附热为2650kJ/kgo
    从亚微观的角度看，硅胶是由二氧化硅的小粒子联结而成的空间网状多
孔性固体，比结晶型二氧化硅有更多的边、棱、角、弯曲部分和孔穴。处于
这些位置的原子可能有不饱和的价键和特殊的作用能，有更强的吸附作用。
    当与水接触时，硅胶表面的硅原子化学吸附水形成硅羟基。在硅羟基上
可以以形成氢键的作用方式发生水分子的物理吸附。物理吸附是不受吸附层
数限制的，故可以在物理吸附的水分子上再发生水分子的物理吸附。在硅胶
表面和孔隙中有三种吸附的水，自由水、表面物理吸附和孔隙中毛细凝结的
水、化学吸附的水（硅胶表面羟基）o除去这些水要求的温度不同。大部分
人认为，在空气中干燥，1 20℃可除去自由水和物理吸附的水，毛细孔中的
水分子在1 80℃以上才能除净。真空干燥时，对除去水分子的温度有不同看
法，大多数认为需200～300℃，更高的温度可导致脱羟基。
    由于硅胶属于无定形二氧化硅，其表面上的硅原子不是很有规律地排
列，因而水化时硅原子上的羟基彼此间不会是等距离的，它们在吸附或化学
反应中的性质也有差别。硅胶的吸附和催化性能与其表面羟基的多少和类型
有关。表面羟基的数目通常以表面羟基的浓度表示，即单位表面上羟基的个
数为表面羟基浓度(一OH个数／nm)o二氧化硅表面羟基的浓度与热处理
的温度有关，二者的关系可以见表1-5 0
表1-5  硅胶表面羟基浓度（一OH个数／nm）与热处理温度的关系
    热处理温度／℃     Aerosil(真空处理)     自制硅胶（大气中处理）

 这些结果表明，表面羟基浓度主要与处理温度有关，与硅胶的制备方
法、孔结构、粒子大小关系不大．
    ③沸石分子筛  沸石分子筛是天然或人工合成的含碱金属和碱土金属
氧化物的结晶硅铝酸盐。一般将天然的分子筛称为沸石，人工合成的称为分
子筛，两者的化学组成和分子结构并无本质差别，故通常混称沸石分子筛，
沸石分子筛有严格的结构和孔隙，孔隙大小因结构差异略有变化，从而可达
到对不同分子大小物质的分离，故而得名，天然矿物沸石在常温下孔隙中充
满水，加热时水析出，沸石起泡沸腾，故而称为沸石。至今发现的矿物沸石
和人工合成的分子筛不下百种，并不断有新型分子筛合成成功。分子筛孑L径
均匀，属微孔极性吸附剂（近年来有中孔分子筛合成的报道）o沸石分子筛
广泛应用于气体、液体多种物质的分离、干燥、净化、脱水、回收等。分子
筛具有可交换的阳离子，故可用-于离子交换、海水淡化和制备多相催化
剂等。
 
    式中，M为金属阳离子N为这些阳离子的价数T和y为相应结合的
Si02和H20的物质的量。
    分子筛的化学组成中M2与O与Al2 03的摩尔比为1，这样才可以平衡
硅酸根阴离子的负电荷，使分子呈中性。分子筛中Si02与Al2 03的摩尔比
称为硅铝比，不同类型的分子筛硅铝比可以不同。一般来说，分子筛的硅铝
比越高，热稳定性和化学稳定性越好。
    分子筛类型不同化学组成不同。常见分子筛的化学组成经验式为：
 
    沸石分子筛是优良的吸附剂，主要表现在对水等极性小分子有强烈的吸
附能力；对于临界直径、形状、极性、不饱和度等不同的分子有选择性吸附
能力。分子筛的这些吸附特性源于以下几个方面：大的比表面和微孔体积。
分子筛孔穴小且较均一，吸附分子在孔穴内受到孔壁的叠加吸附力的作用，
其吸附机理与微孔填充无异；分子筛孔径较均匀。只有小于或近似等于孔径
大小的分子才可能被吸附；分子筛孔穴内可交换的金属阳离子对某些分子的
吸附有特殊的作用；分子筛对少数分子有化学吸附作用。
    ④活性氧化铝  作为吸附剂的氧化铝，通常称为活性氧化铝。活性氧
化铝具有大的比表面和丰富的孔结构，有较好的热稳定性和一定的表面酸
性，广泛用于炼油、化肥、石油化工等领域，作为干燥剂、吸附剂、催化剂
或其载体。
    分子式为Al2 03的化合物晶型有多种，
    活性氧化铝的表面性质，如较大比表面和丰富的孔结构、较大的表面羟基
浓度、表面的两性性质、表面带电性质，使其对某些物质具有良好的吸附能力。
。  活性氧化铝对极性吸附质气体或蒸气（特别是水蒸气）具有优良的吸附
能力，其对空气深度干燥的能力优于硅胶，在1 00℃以上吸附水的能力也优
于硅胶。氧化铝表面羟基浓度是常见金属和非金属氧化物中（如硅胶、氧化
锌、二氧化钛、三氧化二铁等）最高的，表面羟基与水分子形成氢键是水物
理吸附的主要原因。极性气体在Al2 03的毛细孔中发生毛细凝结，可大大
提高吸附量，并使等温线表现为矿型。
    活性氧化铝表面的氧离子和铝离子上都可能发生某些物质的化学吸附。
例如化学吸附的水可使表面氧离子形成羟基。氧化铝上的化学吸附作用可以
净化氟含量高的水和捕集某些工业生产中产生的HF蒸气。
    在活性氧化铝上的化学吸附可导致某些多相催化反应的进行。在多相酸
碱催化反应中，反应物的吸附能力和催化活性不仅与反应物的性质、催化剂
的宏观物化性质有关，而且与催化剂表面总酸度有很好的一致关系。
    氧化铝表面有酸性中心，单位表面（或单位质量固体）上酸性中心的数
量称为酸量，单位为mmol/m2(或mol/g)o实验证明，在室温条件下，
Al2 03表面是非酸性的，Al2 03在1 00℃时开始有酸性，y-Al2 03则要在
更高的温度才显酸性。此后随温度升高两种Al2 03的表面酸量都急剧增加。
但约超过5 00℃（真空条件）后，酸量又略有下降。在水溶液中氧化铝表面
带有电荷，带电符号和电荷密度与介质pH值有关。由于大多数情况下
Al2 03的等电点约为pH=9，故在不同pH值的水中Al2 03对同一离子有不
同的吸附能力。此外，离子在带有电荷的Al2 03上吸附必引起Al2 03表面
性质的变化，也将引起其吸附性能的变化。
    ⑤黏土  是岩石经风化而形成的具有一定晶体结构的天然矿物质，黏土的
成分和结构都十分复杂，其中有些黏土具有较大的比表面和孔隙结构，可作为
天然吸附剂和离子交换剂。因其成本低廉，故在一些工业部门中广泛应用。
    黏土矿物按其晶体结构特点可以分为三类：
    a．有膨胀晶格的层状矿物。此类黏土有较丰富的孔隙结构和较大的比
表面，有较好的吸附和离子交换能力。此类黏土的代表是蒙脱土，蒙脱土也
称斑脱土或膨润土，该名称来源于其美国产地名称。
    b．有纤维状层带晶体结构的矿物。此类黏土微孔较少，为提高其吸附
    高岭土有水合高岭土和无水高岭土两种。高岭土为无微孔粒子，比表面
约为几至十几平方米每克（有报道比表面达70m2 /g的），孔隙（主要是中
孔和粒子间的缝隙）体积一般不大于0. 2cm2 /g o蒙脱土有钠质和钙质两种。
孑L隙包括微孔和中孔，大孔较少，微孑L体积可占总体积的80%以上，比表
面一般为几十平方米每克（有报道达300m2 /g的）o
    即使是对有吸附活性的天然黏土（如漂白土），使用前也要经过简单的
热处理。对于蒙脱土等则要经过化学活化处理方显高吸附活性。硅藻土等不
易活化，甚至需高温灼烧以除去吸附的水分。
    最常用的化学活化方法是用无机酸处理（如常用20%的硫酸和盐酸）o
酸处理可除去部分或全部的Ca,Mg,Fe,Al等金属氧化物，同时可提高
表面酸度。酸处理常能增大比表面和增加孔隙。有数据表明，酸处理可使某
些黏土样品的比表面增大1倍。蒙脱土用28%～30%盐酸热处理后，晶体
结构发生变化，层间可交换阳离子被H+取代，溶出部分Al和可溶于酸的
杂质，所得产物称为酸性白土，具有很强的油脂脱色能力。
    具有可膨胀性晶格结构的蒙脱土及具有纤维状结构和定向孔道的黏土矿
物（如海泡石等）都具有阳离子交换能力。一般来说，黏土的阳离子交换容
量越大，其吸附和脱色能力越强。酸性白土的强脱色能力与其有交换态的
H+有关。在黏土上因离子交换上H+而形成的酸性中心，可化学吸附含氮、
硫、氧的化合物。蒙脱土晶层中小的阳离子被大的阳离子交换可使晶层间距
加大，提高本不能进入原晶层间的较大分子（如烃分子）的吸附量。
    在多种黏土吸附剂中蒙脱土及其钙性产品应用最多。蒙脱土具有较好的
吸附能力是由于其晶格具有膨胀性和晶层间有可交换的阳离子。
    黏土用于工业用油、植物油、饮料、原水和废水等的净化（或再生）o
有时为了提高黏土自水溶液中吸附有机物的能力，常使黏土表面采用吸附表
面活性剂的方法进行有机改性。经用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性
 
能力需进行活化、代表性黏土有海泡石、石棉、凹凸棒土等。
    c．刚性晶格的层状矿物。此类黏土晶层间隙小，水和极性分子不能进
入，无膨胀性，无微孔，比表面小。代表品种有高岭土、滑石、叶蜡石等。
    从吸附能力大小来说，黏土可分为有吸附活性的黏土和无吸附活性的黏
土两大类。有吸附活性的黏土又可分为天然有吸附活性（如漂白土）和活化
后才有活性的（如蒙脱土）两种。高岭土是无吸附活性黏土的代表。因此，
在众多黏土矿物中高岭土和蒙脱土最为重要。

后吸附能力可提高10～20倍。
    天然土壤（如西北高原的黄土）主要成分也多是Si02、Al2 03等，对
有机物和金属离子也有吸附能力，对它们吸附规律的研究对农业、环境保护
具有重要意义。
．  ⑥吸附树脂  吸附树脂是人工合成的孔性高分子聚合物吸附剂，是在
离子交换树脂的基础上发展起来的，故为合成离子交换剂中的一种。与一般
离子交换剂的区别在于吸附树脂一般不含离子交换基团，其内部有丰富、通
畅的分子大小的通道。化学稳定性好，耐酸、碱和有机溶剂。按极性大小不
同，吸附树脂可分为非极性、中极性、极性和强极性四种类型，见表1-6 0
表1-6  吸附树脂的类型与实例
    树脂极性     实    例
  非极性   聚苯乙烯、聚芳烃、聚乙基苯乙烯、聚甲基苯乙烯等

  中极性     ．、、
  聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯等
  极性   聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮等
  强极性   聚乙烯吡啶、苯酚一甲醛一胺缩合物等

    吸附树脂都有较大的比表面（几十至几百m2/g）和适宜的孔径。总之，
    吸附树脂的表面性质在许多方面与活性炭类似。