競爭吸附

競爭吸附是多個組分在吸附劑表面進行吸附時所發生的相互競爭現象。

這樣的吸附過程可能是不同組分分別吸附在不同類型的活性中心上，也可能是都吸附在相同類型的活性中心上。對於後者，各個組分吸附量的多少，取決於各個組分與活性中心作用力的強弱，強者的吸附量大。

基本介紹

• 中文名：競爭吸附
• 外文名：competitive adsorption
• 意義：離子之間相互作用的一種表現形式
• 作用：小分子、離子
• 學科：物理化學

概念

當有多種氣體分子同時存在（比如示意圖中的紅色和藍色的小球）時，它們就會相互競爭。動力學方程的框架相同，只不過每種分子的脫附速率都只和其在表面的覆蓋率成正比。但吸附速率卻和空位成正比。比如：

競爭吸附

A分子在表面的相互作用比B大一些；

A分子在氣相中的分壓比B大。

那么顯然A在競爭吸附中占優勢，在表面占有更高的覆蓋率。結合力越強（即平衡常數Keq越大），覆蓋率越高；分壓越高，覆蓋率越高。

礦物對金屬離子競爭吸附研究

吸附描述

礦物一水界面地球化學作用對控制元素地表循環、世界淡水質量、土壤的發展和某些金屬的成礦起著關鍵的作用。在地表三大圈層互相作用中，岩石圈(包括上壤)與水圈之間的相互物質交換作用是通過礦物表面作用而實現，是三大圈層作用最重要的一環。這種作用包括礦物的溶解與生長、共沉澱吸附與離子交換、氧化還原等，這就是水岩相互作用。近年人們通 過調 查發現，在工業密集區附近沉 積物中重金屬的積累達到可怕的程度，是正 常沉積物的幾十到幾百倍。這種積累嚴重影響著環境生態與淡水質量，正引起世界各國的關注並考慮其整治辦法。同時，這種積累與富集也正是地球化學家所關注的課題，即通過礦物一水界面作用而富集成礦的問題。這兩個問題都牽涉到礦物表面吸附反應。相關研究通過礦物對金屬離子競爭吸附實驗來探討其在沉積礦物各相中的分配。

競爭吸附

僅從單位重量礦物吸附量來看，規律並不明顯，似乎蒙脫石和高嶺土對所有金屬離子都表現出較強的吸附能力，合成針鐵礦對Ni²⁺、 Cd²⁺和粉石英對Ag⁺都有較大的吸附量。但是考慮到吸附是一表面過程，從單位面積吸 附的離子數（Dexp）看，不同的礦物對金屬離子的吸附能力差別可達10³以上，它們大小順序排列是：CaCO₃> 石英>水雲母 >高嶺土>蒙脫石>針鐵礦>三水鋁礦。Freedman研究了石英、方解石、高嶺土和蒙脫石等四種礦物 對地下水中重金屬離子的吸附。對不同金屬離子，單位重量礦物吸附能力大小排列不同。但對單位面積而言，礦物對金屬離子吸附能力大小排列為：方解石>石英>高嶺土>蒙脫石。例外的是，石英對Cu²⁺、Cr³⁺的吸附大於方解 石。同種礦物對不同的金屬離子吸附能力差別一般不超過一個數量級。

吸附原理

一種凝聚態物質表面(或外部邊界)的原子由於其表面懸鍵的存在，具有吸附外來離子或分子以減少其表面自由能的傾向。許多礦物，特別是氧化物礦物、矽酸鹽礦物和氫氧化物礦物表面接觸水時，即與水發生反應，產生氫 氧化功能團，或水解反應。這個功能團作用類似於弱的布朗斯台德(Bronsted)酸或鹼，既可離解使表面帶上電荷，又可與溶液的離子(或分子)反應形成表面配位配合物。

在中性條件下，高嶺土中矽氧四面體表面矽氧烷表現出強的質子施主特性，因此鋁氧烷則變成質子受 主。四 面體層與八面體層表面相互作用的結果是矽氧烷吸附金屬離子作用微弱，其表面吸附主要靠鋁氧烷。這種吸附作 用的削弱，結果是高嶺土吸附反應平衡常數下降，而歸入氧化物類。而通常2：1層狀產物，由於層間離子交換性 與羈留性，其對陽離子吸附反應能力也相應增加。

碳酸鹽礦物結構與上述兩組礦物有很大的差別。其中陰離子碳酸根基團中碳一氧鍵很強，而金屬離子與氧之間離子鍵較弱。當它與溶液作用時常表現出兩種獨立離子基團的特性。在礦物表面二者也表現出非常不同的質子化特性常數。與碳酸鹽類似的礦物應包括硫酸鹽和磷酸鹽礦物等。含氧鹽礦物的這種較高的吸附反應平衡常數特性可能與其複雜表面吸附反應機制有關。它除了形成表面配合物反應外，還有表面離子交換作用和被吸附離子向 晶格內部的擴散作用。當然，對硫酸鹽和磷酸鹽還需進一步研究來證實。