許多工業催化劑為多孔性的. 根據IUPAC的分類,催化劑的細孔可以分成三類:微孔(micropore),指孔半徑小于 2nm的孔.活性炭、沸石分子篩等含有此種類型的孔;中等孔(mesopore),指半徑在 2—50 nm的孔,多數催化劑的孔屬于這一范圍;大孔(macropore),指半徑大于50nm 的孔,如Fe3O4、硅藻土等含有此類型孔.
1. 毛細管凝聚與Kelvin方程
由于一些催化劑含有許多細孔,所以在吸附過程中常常有毛細管凝聚現象發生. 如在解釋IV型等溫線時(見圖2.24). 認為等溫線的初始部分代表細孔孔壁上的單層吸附,到滯后環的始點B時,表示*小的孔內開始凝聚,隨壓力的提高,稍大些的孔也逐漸被凝聚液充滿,直到飽和壓力下,整個體系被凝聚液充滿.
毛細管凝聚模型應用了這樣一個原理:在毛細管內液體彎月面凹面上方的平衡蒸汽壓力P小于同溫度下的飽和蒸汽壓P0,即在固體細孔內低于飽和蒸汽壓力的蒸汽可以凝聚為液體.這一原理的數學表述即為Kelvin方程,
(3.17 )
其中,為液體表面張力系數,為液體摩爾體積,為孔半徑,θ為接觸角. Kelvin方程描述了凝聚時,氣體的相對壓力和孔徑的關系,它是吸附法測孔分布的理論基礎.
2. 吸附的滯后現象
吸附等溫線給出了壓力-吸附量的一一對應關系,無論在吸附過程,還是在
脫附過程應當得到同一條等溫線,但是在研究一些孔性催化劑等溫吸附時出現了異常,如在IV型等溫線中等壓力段出現了吸附線和脫附線不重合,通常稱這一現象為滯后( 見圖3.6 ). 在等溫線上,(ABC)段為細孔壁上單層吸附,向上的(CDE)吸附段稱為吸附支,到飽和時,吸附量不變或繼續增加,向下的脫附段(EFC)稱為脫附支,環(CDEF)稱為滯后環. 可以看出,在一定相對壓力下,脫附支的吸附總是大于對應吸附支上的吸附量. 滯后現象的出現,與催化劑中細孔內的凝聚有關.對此曾提出過多種模型加以解釋.以下介紹兩種常見的模型.
圖3.6 IV型等溫線的滯后現象
是由McBain提出的墨水瓶模型[4 ].設想細孔有如圖3.7所示的形狀,瓶口處半徑為rs,瓶體處半徑為rb。據Kelvin方程,瓶口和瓶體處發生凝聚所需的蒸汽壓分別為
和
因為rb>rn,故 Pb>Pn。
圖3.7 墨水瓶模型的毛細凝聚
吸附過程中,蒸汽壓先達到Pn,這時瓶口發生凝聚,而瓶體是空的,只有蒸汽壓到Pb時瓶體才發生凝聚.脫附時,蒸汽壓降低先接近Pb,照理此時瓶體的凝聚液應該蒸發,但由于瓶口處有液體而不能蒸發,一直要等到蒸汽壓降到Pn, 瓶口處凝聚液蒸發完后才能蒸發,這樣,雖然體系的壓力相同,與吸附過程相比,在脫附過程中催化劑細孔內含了更多的凝聚液,出現了滯后現象.
第二個模型是由 Cohan提出的兩端開口的圓柱孔模型[5](圖3.8).認為在這種孔內,氣-液間不是形成彎月面,不能直接用Kelvin方程,而此時是形成圓筒形液膜,隨壓力增加液膜逐漸增厚,Cohan給出凝聚所需的壓力為
可以看出,按此方程得到的r與由Kelvin方程得到的rK差了一倍,rK=2r。
圖3.8 圓柱孔模型的毛細凝聚
脫附時,從充滿凝聚液的孔的蒸發則是從孔兩端的彎月面開始,這時的彎月面為半球形,因而按Kelvin方程,凝聚液蒸發所需的壓力為
對同一個孔,凝聚與蒸發發生在不同的相對壓力下,這就是出現滯后的原因.
滯后環有多種類型(圖3.9).滯后環的形狀主要與吸附劑的孔結構和孔的網絡性質有關有關