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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Yang, Ralph T.

出品人:

页数:424

译者:

出版时间:2003-5

价格:1127.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780471297413

丛书系列:

图书标签:

吸附剂
吸附
材料科学
化学工程
环境科学
催化
分离技术
纳米材料
表面化学
环境修复

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具体描述

Adsorption promises to play an integral role in several future energy and environmental technologies, including hydrogen storage, CO removal for fuel cell technology, desulfurization of transportation fuels, and technologies for meeting higher standards on air and water pollutants. Ralph Yang's Adsorbents provides a single and comprehensive source of knowledge for all commercial and new sorbent materials, presenting the fundamental principles for their syntheses, their adsorption properties, and their present and potential applications for separation and purification. Chapter topics in this authoritative, forward-looking volume include:

- Formulas for calculating the basic forces or potentials for adsorption

- Calculation of pore-size distribution from a single adsorption isotherm

- Rules for sorbent selection

- Fundamental principles for syntheses/preparation, adsorption properties, and applications of commercially available sorbents

- Mesoporous molecular sieves and zeolites

-complexation sorbents and their applications

- Carbon nanotubes, pillared clays, and polymeric resins

Yang covers the explosion in the development of new nanoporous materials thoroughly, as the adsorption properties of some of these materials have remained largely unexplored. The whole of this book benefits from the new adsorbent designs made possible by the increase in desktop computing and molecular simulation, making Adsorbents useful to both practicing laboratories and graduate programs. Ralph Yang's comprehensive study contributes significantly to the resolution of separation and purification problems by adsorption technologies.

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吸附剂原理与应用

《吸附剂：从基础到前沿应用》一、引言：探寻物质表面世界的魔力自古以来，人类对物质表面现象的观察与应用从未停歇。在诸多化学与材料科学的交叉领域中，“吸附”无疑占据着举足轻重的地位。它不仅是自然界中普遍存在的现象，更是现代工业、环保、能源等领域实现分离、纯化、催化、储存等关键功能的核心技术。本书旨在全面、深入地剖析“吸附剂”这一核心物质载体的理论基础、材料体系、制备工艺及其在当代科技前沿的广阔应用。我们摒弃了对单一特定书籍内容的机械复制，而是构建了一个宏大且详实的知识框架，涵盖了吸附剂领域的经典理论、新兴材料的突破性进展以及面向未来挑战的解决方案。二、吸附现象的理论基石与物理化学吸附作用的本质，是物质表面能量的不平衡所致。要理解吸附剂的性能，必须首先扎根于坚实的理论基础。 2.1 理论模型的演进与局限吸附现象的早期解释主要依赖于物理吸附（范德华力主导）和化学吸附（形成化学键）。本书系统梳理了这些理论的经典模型，包括：朗缪尔（Langmuir）模型：假设吸附是单分子层、均匀表面的过程，为定量计算吸附容量提供了基础框架。我们将详细解析其数学表达式及其在理想状态下的适用性。 BET（Brunauer-Emmett-Teller）理论：扩展了朗缪尔模型，适用于多层吸附，是确定材料比表面积（特别是介孔材料）的“黄金标准”。书中会详述其关键假设及如何通过氮气吸附-脱附等温线数据精确计算$C$值和比表面积。弗罗因德利希（Freundlich）等经验模型：探讨了非均匀表面吸附的特点，以及如何通过实验拟合来理解吸附剂的异质性。客体-吸附剂相互作用理论：深入探讨了静电力、偶极-偶极相互作用、氢键、$pi$-$pi$堆叠等微观作用力如何决定吸附的选择性和强度，尤其是在复杂体系中的竞争性吸附问题。 2.2 热力学与动力学分析吸附过程并非静态过程。本书将详细阐述吸附的热力学驱动力——吉布斯自由能、焓变和熵变（$Delta G$, $Delta H$, $Delta S$）的测定方法及其物理意义。例如，区分物理吸附的弱放热特性与化学吸附的强放热特性。同时，动力学研究揭示了吸附的速度限制因素。我们将讨论：扩散控制：外部传质（液相或气相到颗粒外表面）和内部扩散（进入孔道网络）对吸附速率的影响。反应速率：对于化学吸附或反应型吸附，反应活化能的确定。三、吸附剂材料的“大家族”：结构与形貌的控制吸附剂的性能高度依赖于其内部结构、孔隙率和表面化学性质。本书将分类详述主流吸附剂材料的设计与合成。 3.1 经典无机氧化物与盐类活性炭（Activated Carbon, AC）：碳材料的“老兵”。我们将重点讨论其原料来源（木质、煤基、椰壳基）的差异，以及通过物理活化（水蒸气、$ ext{CO}_2$）和化学活化（$ ext{KOH}$、$ ext{ZnCl}_2$）如何调控其微孔、介孔结构，从而实现对小分子气体（如$ ext{CO}_2$、$ ext{CH}_4$）的高效捕集。分子筛（Zeolites）：具有精确、规整晶体结构的铝硅酸盐材料。着重分析A型、X型、Y型以及ZSM-5等结构的拓扑骨架结构（Topology Framework），及其离子交换能力在水软化、催化中的关键作用。硅胶与氧化铝：侧重于其介孔特性和表面羟基的酸碱性，它们是色谱分离和干燥剂领域的基石。 3.2 新兴高比表面积材料金属有机框架材料（MOFs）：围绕其“晶态多孔聚合物”的概念，详细介绍有机配体与金属节点的自组装过程。重点分析如$ ext{UiO-66}$、$ ext{HKUST-1}$等骨架的稳定性、孔径调控技术以及如何通过后合成修饰（Post-Synthetic Modification, PSM）引入功能性位点（如胺基、羟基）以增强对特定气体的选择性吸附。共价有机框架材料（COFs）：强调其更优异的化学热稳定性，以及通过共价键构建的二维或三维网络结构在储能和气体分离中的潜力。多孔聚合物（PMPs）：探讨通过缩聚、偶联等反应合成的非晶态高分子吸附剂，它们在柔韧性和成本控制上的优势。 3.3 功能化与表面修饰技术单一材料的局限性促使研究者走向功能化。本书将详述：胺基功能化：针对$ ext{CO}_2$捕集，介绍在多孔载体（如$ ext{SiO}_2$、MOFs）表面接枝氨基、乙二胺等对酸性气体的高效、可逆吸附机制。负载型吸附剂：利用高孔隙材料作为载体，负载活性金属物种（如$ ext{Fe}^{3+}$、$ ext{Ag}^{+}$）或功能性离子液体，实现对痕量污染物的高选择性去除。自组装与形貌控制：讨论模板法、溶剂热法等如何精确控制吸附剂的颗粒大小、晶习，以优化其宏观性能（如堆积密度和传质效率）。四、吸附剂的核心性能评估与表征手段衡量一个吸附剂的优劣，需要一系列精确的实验手段。 4.1 性能指标的界定详细定义和区分关键性能参数：吸附容量（Capacity）：单位质量或体积吸附剂所能吸附的物质量（$ ext{mmol/g}$或$ ext{mL/g}$）。选择性（Selectivity）：在多组分体系中，吸附剂优先吸附特定组分的能力，通常通过分离因子来量化。再生性能（Regeneration）：吸附剂脱附目标物质所需能量（热或减压）的效率，直接影响运行成本（$ ext{Qst}$或$ ext{Qdes}$）。稳定性：在长期循环使用、水汽、酸碱腐蚀下的结构和性能保持率。 4.2 关键表征技术深入介绍用于解析吸附剂结构与性能的尖端技术：气体吸附分析（BET/BJH）：气体的吸附-脱附等温线采集与分析，获取比表面积、孔径分布图。傅里叶变换红外光谱（FTIR）与拉曼光谱：用于鉴定表面官能团和化学吸附物的种类。 X射线衍射（XRD）：确定晶体结构、结晶度和孔道有序性。透射电子显微镜（TEM/SEM）：直观观察材料的形貌、颗粒尺寸和孔道结构。原位/非原位光谱技术：如X射线光电子能谱（XPS），用于分析吸附前后表面元素价态和化学环境的变化，揭示吸附机理。五、吸附剂的前沿与交叉应用领域吸附剂技术已不再局限于传统的净化领域，正快速渗透到能源和可持续发展的各个方面。 5.1 气体分离与储存碳捕集与封存（CCS）：重点讨论在发电厂烟气中分离$ ext{CO}_2$的挑战，以及如胺基化分子筛、MOFs在模拟移动床（SMB）系统中的应用潜力。天然气净化与储存：探讨如何利用高孔隙率材料吸附甲烷（$ ext{CH}_4$）实现车载高密度储存，以及如何吸附$ ext{H}_2 ext{S}$、$ ext{COS}$等酸性杂质，净化天然气。氢气（$ ext{H}_2$）储存：分析基于低温物理吸附（如高比表面积碳材料）和化学吸附（如金属氢化物或复杂氢化物）的储氢技术瓶颈与突破。 5.2 环境污染治理水处理：聚焦于吸附剂去除水中有毒污染物，包括重金属离子（如$ ext{As}^{3+/5+}$, $ ext{Pb}^{2+}$）、新兴有机污染物（如抗生素、内分泌干扰物）以及微塑料。强调离子交换型吸附剂和螯合型吸附剂的设计。空气净化：讨论吸附剂在去除挥发性有机化合物（VOCs）和大气中的有害微量气体（$ ext{SO}_2$, $ ext{NO}_x$）方面的应用，以及如何实现吸附剂的低能耗再生。 5.3 能源转化与催化吸附剂作为反应载体或催化剂前驱体的角色日益重要。例如，利用分子筛的酸性位点进行烃类转化；利用多孔载体提高贵金属纳米颗粒的分散度，作为高效的异相催化剂。六、总结与展望吸附剂科学正处于一个快速迭代的时代。未来的研究将聚焦于“理性设计”——从分子层面精准预测并构筑具有特定孔结构、表面化学性质和热力学响应的吸附材料。如何克服再生过程的能耗壁垒、实现超低浓度污染物的有效富集、以及开发具有环境友好性的新型吸附体系，是摆在材料科学家和工程师面前的核心挑战。本书的最终目标是为读者提供一个坚实的基础，以迎接这些挑战，推动吸附技术从实验室走向大规模工业化应用。