粉體與多孔固體材料的吸附：原理、方法及應用（簡體書）

本書全面綜述了有關吸附理論、方法與應用的方方面面，首先對吸附的原理、熱力學和方法學進行一個總述；然後運用吸附方法討論表面積和孔徑大小；之後介紹並討論各種不同吸附劑（碳材料、氧化物、黏土、沸石、金屬有機框架MOF）的一些典型吸附等溫線和能量學。重點在於對實驗資料的確定和解釋，特別是具有技術重要性的吸附劑的表徵。

讀者物件主要為學生及表面科學初涉獵者，通過本書可以瞭解到如何利用現今先進的科學技術手段來測定表面積、孔尺寸和表面特徵，如何對材料的性能進行表徵與判斷。

原著作者：F. 魯克羅爾，J. 魯克羅爾，K.S.W. 辛， P. 盧埃林， G. 莫蘭。法國艾克斯-馬賽大學（Aix Marseille University）和 蒙彼利埃大學( Université de Montpellier )的教授。五位作者在表面科學和吸附科學領域做出了一些開創性的工作，在業內有一定的影響力

譯者：陳建,周力,王奮英等 南昌大學教師，在南昌大學從事科研與教學工作。

本書為引進版圖書，全面總結了粉體和多孔固體材料吸附的基礎理論和實際應用。可以滿足學生和非表面化學專業的人士，瞭解各種先進的技術用來測定表面積、孔徑、表接口表徵等。對於近些年活性炭、金屬氧化物、黏土、分子篩沸石等材料的吸附性質有比較深入的總結。

譯者前言

吸附現象很早就為人們所認識，比如古時候活性炭就被用來脫色和除味。而對吸附原理及應用的研究則是在最近的幾十年間才迅速發展起來，並對我們的生產生活產生了重要影響，比如許多具有優良性能的吸附劑和催化劑的開發。這本由法國蒙比利埃大學G. Maurin教授等五位作者合著的《粉末與多孔固體材料的吸附》，正是將最重要的粉末以及固態多孔物質的吸附原理、方法和應用進行了總結性回顧，能夠為在相關領域從事學習和研究的人員帶來全面、系統的基礎知識方面的幫助。

全書共分為14章，其中第1～6章主要介紹氣-固、液-固接口上吸附的熱力學和方法學，以及吸附相關的基礎理論和模擬研究，第7～9章主要介紹如何通過氣體吸附法測定表面積以及如何對介孔和微孔進行評估，第10～14章則分別具體介紹了每一類典型的吸附材料，包括活性炭、金屬氧化物、黏土、沸石、有序介孔材料、金屬有機框架材料等。這種章節佈局既能讓初學者由簡至深全面瞭解吸附的基本概念和理論，又能讓研究者直奔主題查閱感興趣的相關內容。

本書的翻譯工作主要由陳建博士、周力博士和王奮英博士承擔，還有幾位研究生在初稿的翻譯過程中也做了相應的工作。其中，在翻譯初稿中，第1章由南昌大學周力博士承擔，第2、9、14章由南昌大學的研究生袁雅芬承擔，第3、4、10～13章由浙江師範大學的陳建博士承擔，第5～8章由南昌大學王奮英博士承擔；在二次審校定稿中，第1～9、13、14章由周力博士完成，第10～12章由王奮英博士完成。非常感謝各位譯者在時間和精力上的付出，尤其是趙耀鵬博士在百忙之中為解答各種疑問所付出的辛勞。也特別感謝化學工業出版社的支持以及為稿件後期的處理所付出的辛勤工作。

受譯者理論知識水準所限，書中難免會存在疏漏之處，歡迎讀者朋友們提出，以幫助我們糾正。最後，希望這本譯著能夠為各個層次閱讀者的學習和工作帶來有益的作用。





第二版前言

本書第二版的主要目標與第一版相同，那就是：努力對粉末和多孔固體吸附氣體和液體的原理、方法及應用進行一個介紹性的回顧。

本書的著重點也如第一版，在於對實驗資料的確定和解釋，特別是具有技術重要性的吸附劑的表徵。在過去的14年中，發展有序孔隙結構和類比確定吸附體系這些技術領域獲得了相當的進展。然而，仍有問題尚未解決，主要是對無序吸附劑表面積和孔徑分佈的評定。細心的讀者將會發現一些章節出現了不同的觀點，而我們希望這些能夠激發未來更多的研究與討論。

在第二版的撰寫過程中我們意識到，在經典著作的背景下，非專業人員去理解吸附科學最新進展的範圍和限制，是件越來越難的事。因此，我們試圖去總結和解釋更重要的與多孔和非孔物質表面性質表徵相關的進展的意義。

第二版新增的一個新章節是模擬多孔固體的吸附，這部分內容應該能夠引起那些希望理解計算過程目的與意義的實驗者的興趣；新增的另一個章節主要介紹金屬有機框架（MOF）結構的吸附性質，這一方向在最近數年引起了許多關注。本書的其餘部分也做了大幅修改，大部分主題都進行了重新排列和擴充，以使每個章節都儘量自成體系。

為解釋和應用吸附方法提供有用的指導，我們挑選了我們自己和其他相關研究中的特殊例子，來論證每個章節中的原理。實際上，過去14年發表的關於吸附的新作品，其數量太多，並不適合在本書這樣的篇幅中有效討論，因此，我們不得不放棄對一些傑出科學家優秀作品的引用。

本書中表達的許多觀點間接地受益於我們與眾多合作者和朋友間無數次富有成果且愉快的討論。當然，所有直接相關的著作都以參考文獻的形式列在每章的最後。還有一些人值得特別提出感謝。除了第一版序言中出現的名字外，我們還要感謝：Peter Branton, Donald Carruthers, Renaud Denoyel, Tina Düren, Erich Müller, Alex Neimark, Jehane Ragai, ‘Paco’ Rodriguez-Reinoso, Randall Snurr, John Meurig Thomas, Petr Nachtigall, Matthias Thommes, Klaus Unger和Ruth Williams。感謝他們長期以來的支持與鼓勵。





第一版前言

吸附過程持續增長的重要性（比如，在分離技術中、工業催化和污染控制中）導致新型吸附劑和催化劑方面的科技文獻不斷增加。而且，在過去的幾十年中，各種各樣的新程式也被引入到對吸附資料的解釋中，特別是對微孔和介孔吸附的分析。最新的進展，比如吸附能量學、網絡滲流和密度泛函理論，相對於比較傳統的表面覆蓋和孔隙填充理論，其意義越來越難以評價，這已經毫不奇怪了。

在本書中，我們努力對粉末和多孔固體吸附氣體和液體的原理、方法及應用進行一個介紹性的回顧。我們特別希望本書能夠為那些從事吸附研究的所有學生和非專業人士提供參考。我們也相信本書中的一些章節，能夠引起那些直接或間接關注分類詳細的多孔固體材料的科學家、工程師和技術人員的興趣。

我們明白現在很少有人能夠有時間或者願意逐頁地去閱讀一本科學書籍，而且，也知道有些讀者希望查找的是簡明的基本原理或方法，另一些讀者則對比如活性炭或者氧化物的吸附性質更感興趣。因為一些原因，我們沒有採用更傳統一些的物質分類方法，即每種理論之後緊跟著對它應用的詳細描述。相反，這本書的結構框架是這樣的：第1～5章對吸附的原理、熱力學和方法學進行一個總的概述；第6～8章運用吸附方法討論表面積和孔徑大小（也是概述）；第9～12章介紹並討論各種不同吸附劑（活性炭、氧化物、黏土、分子篩）的一些典型吸附等溫線和能量學；第13章給出結論和推薦。

這本書通篇的重點在於確定和解釋吸附平衡和其中的能量學，而不太強調吸附動力學和化學工程方面的問題，當然這二者都是非常重要的課題，留給其他作者來完成。因為我們是想為吸附科學的初學者提供一些有用指導，所以我們的方式在一定程度上還是循規蹈矩的。基於此，本書並不能給出有關粉末與多孔固體吸附方方面面的全面討論，而且其中涉及的物質也是有限的。鑒於書中只是選取了部分論文和其他優秀的研究成果，有可能會引起國際吸附協會一些成員的不快。對此，我們只能解釋為書中第13章中總結的，選取的內容只是出於解釋和說明吸附最基本原理的需要。

本書中的許多觀點是在過去三四十年間由無數的合作研究發展而來的。許多合作者的名字就列在每章末尾給出的參考文獻中。我們真誠地感謝所有同意此書出版的作者和出版商。為了保持清晰和比如資料單位的一致性，大部分的圖片都經過了修改。

對以下合作者提供的信息我們要表達衷心的謝意，他們分別是：D. Avnir, F.S. Baker, F. Bergaya, M. Bienfait, R.H. Bradley, P.J. Branton, P.J.M. Carrott, J.M. Cases, B.R. Davis, M. Donohue, D.H. Everett, G. Findenegg, A. Fuchs, P. Grange, K.E. Gubbins, K. Kaneko, N.K. Kanellopoulos, W.D. Machin, A. Neimark, D. Nicholson, T. Otowa, R. Pellenq, F. Rodriguez- Reinoso, N.A. Seaton, J.D.F. Ramsay, G.W. Scherer, W.A. Steele, F. Stoeckli, J. Suzanne, J. Meurig Thomas, K.K. Unger和H. Van Damme。

特別的感謝要送給給予了我們很多寬容與鼓勵的Y. Grillet, R. Denoyel和P.L. Llewellyn，還有為本書提供高質量插圖的P. Chevrot以及在本書出版過程中始終如一辛勤工作的M.F. Fiori女士。

最後，我們還要在此表達對S. John Gregg博士的深深敬意，他用超過60年時間，為吸附和表面科學領域做出了領袖型的貢獻。



 

第1章緒言

1.1　吸附的重要性 / 1

1.2　吸附的歷史 / 1

1.3　定義及術語 / 5

1.4　物理吸附和化學吸附 / 9

1.5　吸附等溫線的類型 / 9

1.5.1　氣體物理等溫線分類 / 9

1.5.2　氣體的化學吸附 / 12

1.5.3　溶液的吸附 / 12

1.6　物理吸附能和分子類比 / 12

1.7　擴散吸附 / 17

參考文獻 / 18

 

第2章氣/固接口的吸附熱力學

2.1　引言 / 21

2.2　單一氣體吸附的定量表示 / 22

2.2.1　壓力不超過100kPa時的吸附 / 22

2.2.2　壓力超過100kPa及更高時的吸附 / 25

2.3　吸附的熱力學勢 / 28

2.4　Gibbs表示中與吸附態有關的熱力學量 / 32

2.4.1　摩爾表面過剩量的定義 / 32

2.4.2　微分表面過剩量的定義 / 33

2.5　吸附過程中的熱力學量 / 34

2.5.1　微分吸附量的定義 / 34

2.5.2　積分摩爾吸附量的定義 / 36

2.5.3　微分和積分摩爾吸附量的優點及局限性 / 36

2.5.4　積分摩爾吸附量的評估 / 37

2.6　從一系列實驗物理吸附等溫線間接推導吸附量：等比容法 / 38

2.6.1　微分吸附量 / 38

2.6.2　積分摩爾吸附量 / 40

2.7　由量熱資料推導吸附量 / 41

2.7.1　非連續過程 / 41

2.7.2　連續過程 / 42

2.8　測定微分吸附焓的其他方法 / 43

2.8.1　浸潤式量熱法 / 43

2.8.2　色譜法 / 44

2.9　高壓狀態方程：單一氣體和混合氣體 / 44

2.9.1　純氣體情況下 / 44

2.9.2　混合氣體情況下 / 46

參考文獻 / 47

 

第3章氣體吸附法

3.1　引言 / 49

3.2　表面過剩量（及吸附量）的測定 / 50

3.2.1　氣體吸附測壓法（僅測量壓力） / 50

3.2.2　重量法氣體吸附（測量質量和壓力） / 56

3.2.3　流量控制或監測條件下的氣體吸附 / 59

3.2.4　氣體共吸附 / 62

3.2.5　校準方法和修正 / 63

3.2.6　其他關鍵方面 / 71

3.3　氣體吸附量熱法 / 73

3.3.1　可用設備 / 73

3.3.2　量熱程式 / 77

3.4　吸附劑脫氣 / 79

3.4.1　脫氣目標 / 79

3.4.2　傳統真空脫氣 / 79

3.4.3　CRTA控制的真空脫氣 / 81

3.4.4　載氣脫氣 / 82

3.5　實驗資料的呈現 / 83

參考文獻 / 84



第4章固/液接口的吸附：熱力學和方法學

4.1　引言 / 87

4.2　純液體中固體浸潤的能量 / 88

4.2.1　熱力學背景 / 88

4.2.2　純液體中浸潤式微量熱法實驗技術 / 96

4.2.3　純液體浸潤式微量熱法的應用 / 101

4.3　液體溶液中的吸附 / 110

4.3.1　二元溶液吸附量的定量表達 / 111

4.3.2　溶液吸附中能量的定量表示 / 117

4.3.3　研究溶液吸附的基本實驗方法 / 119

4.3.4　溶液吸附的應用 / 126

參考文獻 / 130



第5章氣/固接口上物理吸附等溫線的經典闡述

5.1　引言 / 135

5.2　純氣體的吸附 / 135

5.2.1　與吉布斯吸附方程相關的方程：在可用表面上或微孔中的吸附相的描述 / 135

5.2.2　Langmuir理論 / 139

5.2.3　多層吸附 / 141

5.2.4　Dubinin-Stoeckli理論：微孔填充 / 148

5.2.5　Ⅵ 型等溫線：物理吸附層的相變 / 150

5.2.6　經驗等溫方程 / 153

5.3　混合氣體的吸附 / 155

5.3.1　擴展的Langmuir模型 / 155

5.3.2　理想吸附溶液理論 / 157

5.4　結論 / 158

參考文獻 / 158



第6章類比多孔固體物理吸附

6.1　引言 / 162

6.2　多孔固體的微觀描述 / 163

6.2.1　結晶材料 / 163

6.2.2　非結晶材料 / 164

6.3　分子間勢能函數 / 165

6.3.1　吸附質/吸附劑相互作用的一般表達 / 165

6.3.2 “簡單”吸附質/吸附劑體系的常用策略 / 167

6.3.3　更“複雜”的吸附質/吸附劑體系示例 / 168

6.4　表徵計算工具 / 170

6.4.1　引言 / 170

6.4.2　可接觸的比表面積 / 170

6.4.3　孔體積/PSD / 173

6.5　類比多孔固體物理吸附 / 174

6.5.1　GCMC模擬 / 174

6.5.2　量子化學計算 / 186

6.6　模擬多孔固體中擴散 / 190

6.6.1　基本原理 / 190

6.6.2　單組分擴散 / 192

6.6.3　混合氣體擴散 / 195

6.7　結論與未來挑戰 / 196

參考文獻 / 197



第7章通過氣體吸附測定表面積

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