就平衡分離特性而言,同一種吸附劑吸附不同吸附質(zhì)的能力不相同,而同一種吸附質(zhì)在不同吸附劑上被吸附的能力也不相同,這就構(gòu)成了選擇吸附的基礎(chǔ)。吸附的機(jī)理非常復(fù)雜,主要是涉及吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用力,有一個(gè)普遍規(guī)律,即吸附能力隨吸附質(zhì)的沸點(diǎn)和臨界溫度的增高或相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增大。換言之,越易冷凝成液態(tài)的氣體,其分子間作用力就越大,由于色散作用它們比只有冷卻至低溫才液化的氣體更易被吸附。
極性吸附劑的分子篩也一樣,對(duì)正構(gòu)烷烴、正構(gòu)醇類的吸附能力隨它們沸點(diǎn)的增高也就是碳原子數(shù)目的增加而增大。其原因是隨著相對(duì)分子質(zhì)量增大,吸附質(zhì)分子的極化率(分子中電子云在外電場(chǎng)作用下變形能力的度量)增大,而使誘導(dǎo)力和色散力增強(qiáng),不僅使沸點(diǎn)增高,而且更易被吸附。
另外,氣體分子的極性與否也影響到吸附劑的的選擇性,例如,對(duì)于CO和CH4分子,CO的沸點(diǎn)比CH4低,在活性碳上的吸附容量CO小于CH4,但CO是極性分子,而CH4是非極性分子,在分子篩上CO的吸附容量就大于CH4。同樣,可被極化的分子和極性吸附劑如分子篩及硅膠之間具有強(qiáng)的親和力,特別對(duì)于烴類吸附質(zhì),相同碳原子數(shù)目的烴類,不飽和烴類比飽和烴類吸附能力大,不飽和度越大,吸附也越強(qiáng)。因?yàn)椴伙柡投仍酱髽O化率就越大。吸附熱的大小也反應(yīng)了吸附劑與吸附質(zhì)相互作用力的大小,C2H6在NaY分子篩上吸附熱低于NaX,因?yàn)镹aY分子篩的陽(yáng)離子密度小,只有較小的極化能,而相應(yīng)的C2H6在硅膠上的吸附熱也要稍微大于NaY,因?yàn)槠淇妆诰o貼著C2H6分子,具有疊加的作用力,這樣硅膠就有較大的色散力。綜合所述,極性和非極性吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用力主要涉及到的色散力、靜電力和誘導(dǎo)力,他們各自對(duì)吸附的影響程度有時(shí)很不相同,有時(shí)是色散力起主要作用,而有時(shí)是靜電力起主要作用。
除了上述的物理吸附作用力外,還有一種是弱化學(xué)作用力,可分為兩種,一種是同類分子間的化學(xué)作用稱為締合,另一種是不同分子間的化學(xué)作用稱為絡(luò)合,其力的本性主要是氫鍵和電荷轉(zhuǎn)移兩種。
下面是活性炭、分子篩、硅膠、活性氧化鋁和碳分子篩對(duì)數(shù)種分子的吸附強(qiáng)弱順序:
活性炭:H2S>C3H8>C2H6>C2H4>CO2>CH4>CO>N2>O2>Ar>H2
分子篩:H2O>NH3>H2S>SO2>CO2>C2H4>C2H6>CO>CH4>N2>O2>Ar>H2
硅膠:C3H8>C2H2>CO2>C2H4>C2H6>CH4>CO>N2>O2>Ar>H2
活性氧化鋁:C3H8>C2H4>C2H6>CH4
炭分子篩(H2):CO2>CH4>CO>N2>O2>H2
因此,對(duì)于已確定的應(yīng)用,了解氣體組分與分離有關(guān)的性質(zhì),去選擇適用的吸附劑。例如,極性的大小、烴類的鏈長(zhǎng)和飽和度以及氣體組分的分子尺寸和結(jié)構(gòu)等。特別是對(duì)于有些分離困難的情況,氣體的性質(zhì)有時(shí)會(huì)顯得很重要。同樣,吸附劑的性質(zhì)也不可忽視,例如分子篩的孔徑。陽(yáng)離子半徑的大小、陽(yáng)離子的密度、吸附劑的表面物理化學(xué)狀態(tài)等,有的吸附劑表面存在很多表面官能團(tuán),它們能夠成為吸附質(zhì)的吸附中心,發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移型吸附,有時(shí)還發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。