吸附

吸附是粘附的原子，离子或分子从气体，液体或溶解的固体的表面。此过程会在吸附剂表面形成一层吸附物薄膜。这个过程不同于吸收，在吸收过程中，流体（吸收物）被液体或固体（吸收剂）溶解或渗透。吸附是一种表面现象，虽然吸收涉及材料的整个体积，但吸附通常先于吸收。术语“吸附”包括这两个过程，而解吸则是相反的过程。

IUPAC定义由于表面力的作用，物质在凝结层和液态或气态层界面处的浓度增加。

注1：当材料与血液或体液接触时，蛋白质的吸附非常重要。在血液的情况下，主要主要的白蛋白通常首先被吸附，然后根据对质量定律选择的表面亲和力（Vroman效应），重排有利于其他次要蛋白质。

注2：吸附分子是指在从溶液中吸附的情况下，耐用相同溶剂介质洗涤的分子。因此，洗涤条件可以改变测量结果，特别是当相互作用能较低时。

与表面张力一样，吸附是表面能的结果。在块状材料中，材料组成原子的所有键合要求（无论是离子键、共价键还是金属键）都由材料中的其他原子来满足。然而，吸附剂表面的原子并未完全被其他吸附剂原子包围，因此可以吸引吸附物。键合的确切性质取决于所涉及物种的细节，但吸附过程通常分为物理吸附（弱范德华力的特征）或化学吸附（共价键的特征）。它也可能由于静电吸引而发生。

吸附存在于许多自然、物理、生物和化学系统中，广泛用于工业应用，如多相催化剂、活性炭、捕获和利用废热为空调和其他工艺要求提供冷水（吸附式制冷机）、合成树脂、增加碳化物衍生碳的存储能力和水净化。吸附、离子交换和色谱是吸附过程，其中某些吸附物从流体相选择性地转移到悬浮在容器中或填充在柱中的不溶性刚性颗粒的表面。制药工业应用，使用吸附作为延长神经系统暴露于特定药物或其部分的一种手段，鲜为人知。

“吸附”一词是由德国物理学家海因里希·凯泽(HeinrichKayser，1853–1940)于1881年创造的。

吸附剂通常以球形小球、棒、模制品或流体动力学半径在0.25和5毫米之间的整料的形式使用。它们必须具有高耐磨性、高热稳定性和小孔径，这会导致更高的暴露表面积，从而具有高吸附能力。吸附剂还必须具有独特的孔结构，以实现气态蒸汽的快速传输。

大多数工业吸附剂分为以下三类之一：

• 含氧化合物——通常具有亲水性和极性，包括硅胶和沸石等材料。
• 碳基化合物——通常是疏水性和非极性的，包括活性炭和石墨等材料。
• 聚合物基化合物–极性或非极性，取决于聚合物基质中的官能团。

硅胶是SiO2的化学惰性、无毒、极性和尺寸稳定（<400°C或750°F）无定形形式。它是由硅酸钠和醋酸反应制得，然后经过老化、酸洗等一系列后处理过程，这些后处理方法导致了各种孔径分布。

二氧化硅用于干燥工艺空气（例如氧气、天然气）和从天然气中吸附重质（极性）碳氢化合物。

沸石是天然或合成的结晶硅铝酸盐，具有重复的孔隙网络并在高温下释放水。沸石本质上是极性的。

它们是通过在高压釜中水热合成铝硅酸钠或其他二氧化硅源，然后与某些阳离子（Na+、Li+、Ca2+、K+、NH4+）进行离子交换来制造的。沸石笼的通道直径通常在2到9Å之间。离子交换过程之后是干燥晶体，可以用粘合剂将其造粒以形成大孔颗粒。

沸石应用于工艺空气干燥、天然气脱CO2、重整气脱CO、空气分离、催化裂化、催化合成和重整。

非极性（硅质）沸石由不含铝的二氧化硅源或通过含铝沸石的脱铝合成。脱铝过程是通过在高温下用蒸汽处理沸石来完成的，温度通常高于500°C(930°F)。这种高温热处理破坏了铝-氧键，铝原子从沸石骨架中排出。

活性炭是一种高度多孔的无定形固体，由具有石墨晶格的微晶组成，通常制成小颗粒或粉末。它是非极性的且便宜。它的主要缺点之一是它会在中等温度（超过300°C）下与氧气发生反应。

活性炭可以由含碳材料制造，包括煤（烟煤、次烟煤和褐煤）、泥炭、木材或坚果壳（例如椰子）。制造过程包括两个阶段，碳化和活化。碳化过程包括干燥，然后加热以从原材料中分离出副产品，包括焦油和其他碳氢化合物，并去除产生的任何气体。该过程是通过在不能支持燃烧的无氧气氛中将材料加热超过400°C(750°F)来完成的。然后通过将碳化颗粒暴露于氧化剂（通常是高温蒸汽或二氧化碳）来“活化”碳化颗粒。该试剂会烧掉碳化阶段产生的孔隙阻塞结构，因此它们会形成多孔的三维石墨晶格结构。活化过程中形成的孔的大小是它们在这个阶段花费的时间的函数。更长的暴露时间导致更大的孔径。

活性炭用于吸附有机物和非极性吸附物，通常也用于废气（和废水）处理。它是使用最广泛的吸附剂，因为它的大部分化学（例如表面基团）和物理特性（例如孔径分布和表面积）都可以根据需要进行调整。它的有用性还源于其大微孔（有时是中孔）体积和由此产生的高表面积。

水在表面的吸附在化学工程、材料科学和催化领域具有广泛的重要性。也称为表面水合，固体表面物理或化学吸附水的存在在控制界面性质、化学反应途径和广泛系统中的催化性能方面起着重要作用。在物理吸附水的情况下，可以简单地通过在允许水完全蒸发的温度和压力条件下干燥来消除表面水化。对于化学吸附的水，水合可以是解离吸附的形式，其中H2O分子分解为表面吸附的-H和-OH，或分子吸附（缔合吸附），其中单个水分子保持完整

具有水吸附质的Linde13X等合成沸石的低成本（200美元/吨）和高循环率（2,000×）最近在用于热能储存(TES)，特别是低档太阳能和废热。从2000年至今（2020年），欧盟资助了几个试点项目。基本概念是将太阳能热能作为化学潜能储存在沸石中。通常，来自平板太阳能集热器的干热空气流过沸石床，从而驱除存在的任何水吸附物。根据沸石的体积和太阳能热板的面积，储存可以是昼夜、每周、每月，甚至是季节性的。当需要在夜间、没有阳光的时间或冬天加热时，加湿的空气会流过沸石。当湿气被沸石吸收时，热量会释放到空气中，然后释放到建筑空间。这种特别使用沸石的TES形式是Guerra于1978年首次教授的。

建议用于碳捕获和储存的典型吸附剂是沸石和MOF。吸附剂的定制使它们成为吸收的潜在有吸引力的替代品。由于吸附剂可以通过温度或压力摆动进行再生，因此该步骤比吸收再生方法能耗更低。碳捕获中吸附成本存在的主要问题是：再生吸附剂、质量比、溶剂/MOF、吸附剂成本、吸附剂生产、吸附剂寿命。

在吸附增强型水煤气变换(SEWGS)技术中，基于固体吸附的燃烧前碳捕获过程与水煤气变换反应(WGS)相结合，以产生高压氢气流。产生的CO2流可以储存或用于其他工业过程。

蛋白质吸附是一个在生物材料领域具有基础性作用的过程。事实上，与生物介质（例如血液或血清）接触的生物材料表面会立即被蛋白质覆盖。因此，活细胞不直接与生物材料表面相互作用，而是与吸附的蛋白质层相互作用。该蛋白质层介导生物材料与细胞之间的相互作用，将生物材料的物理和化学特性转化为“生物语言”。事实上，细胞膜受体结合蛋白质层生物活性位点，这些受体-蛋白质结合事件通过细胞膜以刺激特定细胞内过程的方式转导，然后决定细胞粘附、形状、生长和分化。蛋白质吸附受许多表面特性的影响，例如表面润湿性、表面化学成分和表面纳米级形态。表面活性剂吸附是一种类似的现象，但利用表面活性剂分子代替蛋白质。

将吸附剂与制冷剂结合，吸附式制冷机利用热量提供冷却效果。这种以热水形式存在的热量可能来自任何数量的工业来源，包括来自工业过程的废热、来自太阳能热装置的原热或来自活塞发动机或涡轮机的排气或水套热量。

虽然吸附式制冷机和吸收式制冷有相似之处，但前者是基于气体和固体之间的相互作用。冷却器的吸附室充满了固体材料（例如沸石、硅胶、氧化铝、活性炭或某些类型的金属盐），它们在中性状态下已经吸附了制冷剂。加热时，固体解吸（释放）制冷剂蒸汽，随后冷却和液化。然后，这种液态制冷剂通过其汽化焓在蒸发器中提供冷却效果。在最后阶段，制冷剂蒸气被（重新）吸附到固体中。由于吸附式制冷机不需要压缩机，因此相对安静。