Langmuir吸附模式及其应用

西北水资源与水工程习!第六卷年第一期乙忱吸附模式及其应用张森太原工业大学水利系提要本文综述了提出并建立在单分子吸咐理论基础上,将土坡对溶质的吸咐量和溶质液相浓度之间的关系进行定量描述的吸附模型,及其在应用中的发展关键词土壤溶质吸咐作用只模式箭青上切厂吸附是指土壤对原来存在于土壤水中的各种溶质的选择性吸收和贮存。与土壤中溶质迁移有关的最常碰到的吸着形式是物理吸附,化学吸附和离子交换。物理吸附是溶质枯附在土壤颗粒表面的过程其吸附形式较纯化学反应所发生的化学吸附作用为弱且专性较差。离子交换是带电的溶质与土壤颗粒上的离子相互交换的过程。对溶质来说,固体的吸附溶量随着这种溶质的液相浓度的增加而趋于增加。模型研究的实质是将土壤对溶质的吸附量和溶质液相浓度之间关系进行定量描述。本文主要讨论描述这种关系的吸附等温模型。自年提出并建立在单分子吸附理论基础上的吸附模型以来,其得到了广泛的应用和发展,归纳起来模型可分为简单的吸附等温式,!竟争吸附等温式,!二表面等温式。简单的吸附等温式利用单分子理论导出了简单的吸附等温式,用来描述固体表面对气体的吸附。他假定,固体表面具有一定数目的吸附位,如果气体撞到空的吸附位,则气体分子便被吸附反之如果撞到已被占据的吸附位,则被弹回到气相中,这个模式直接引出吸附上限的概念,当固体表面被气体分子的紧密吸附层所覆盖时,则出现吸附的最大值。简单的吸附等温式的两个标准形式为、,沙、了曰子、了‘、一一一一工韶在这两个公式中,是土壤表面对溶质吸附键的强度的量度,为单位土壤基质可吸附的最大溶量。由式可见,以对作图应得到斜率为的一条直线,而在应用过程中人们发现土壤对溶质的吸附过程中会引起非线性问题。和认为人们将简单的等温吸附式引用于土壤胶体对溶质吸附过程中存在许多漏洞,最为重要的一点是,当气体被吸附到固体表面时,并没有其它物质被置换出来,而在土壤化学中,则存在着这一现象,即当一种离子被吸附会有其它离子被解吸出,然而方程并未考虑这个事实,因而引起了吸附等温式的非线性问题。和以及得到的土壤磷酸盐吸附的数据表明,在土壤对磷的吸附情况对画出的不是一条直线,他们解释为土壤对磷的吸附能不是常数吸附过程可能是存在一个快速吸附的初级阶段,接着是缓慢反应的第二阶段,由这两个阶段形成吸附和沉淀的两个过程。若假定土壤基质对溶质的吸附热和溶质所占据吸附位的数值之间存在各种各样的函数关系,则可以由此推导出几种实用的等温式。假定,吸附热是表面覆盖的直线函数,则吸附等温式采用所用的形式刀,式中,,均是常数。如果吸附热是表面覆盖度的对数函数,则吸附等温式可表示为,,式中,均是常数。!和等通过三种不同的方程描述磷酸盐吸附的整个等温式以解决非线性问题。其是以取决于浓度吸附范围三个阶段的理论为基础的,这三个阶段即高能化学吸附、沉淀和低能物理吸附阶段。和指出,应用和所得的数据,土壤对磷的吸附能和表面覆盖度之间几乎成直线关系,因此他们提出,公式所建立的吸附等温式形式可能更适合于描述土壤对磷酸盐的吸附,因为它构成直线的浓度变化范围较式更宽。以不同方式说明对所作图形的弯曲程度,他年曾作了最小二乘法使几个不同方程式适合于等人得到的种不同土壤对磷酸盐吸附的数据。他得出最佳方程式是誓一凡汀式中,、、均是常数。此方程是根据试验数据拟合而得到的,该式缺乏理论依据,作者提出式中含的平方根项意味着土壤将牢固地吸附一定数量的磷酸盐。年在研究土壤对磷酸盐吸附过程中,扩充了吸附等温式提出一个三参数吸附等温式一、、均为参数,他通过对这一方程也是以试验为基础的,式中、为三参数等温式为最佳拟合模型。组试验数据的拟合,认碗竞争吸附等温式在土壤中大多数反应类似于两相气体系统,土壤吸附现象可以更好地用这种竞争模式来描述,年修改了吸附等温式,考虑从两种混合气体中吸附一种气体给出如下吸附等温式,一街一千瓦画干瓦乡,年导出在溶液中离子交换的方程式杀式中杀,单位吸附质吸附的吸附剂龙十,,,、C::是平衡溶液中两种离子的浓度。(8)当b,C,+bZCZl时,(8)式变为(9)口一ql一棍十2一k一,勺一一Q二一(丝),当CZ基本为常数情况下.方程(9)则可简化为简单的Langmuir吸附等温式(1)。Griffin和A。(1977)用式(9)描述了C:饱和的蒙脱石对p、的吸附。利用存在两种以上类型吸附位可对该种吸附作出较好解释。Harter和Baker(1977年)已用竞争吸附等温式分析土壤对z。的吸附他们指出当吸附___…_二____…__..___…_.‘二、_____b,____、,二是通过交换反应时,由L“ngmt,‘r竞争吸附等温式得到的直线截距等于成,而不是简单的Langm·‘·吸附等温式中的我,在方程‘9,中CZ为由于吸附质被吸附而解吸的离子的浓度,解析出的物质是未知的,且不一定是同一类,为了应用式(9)来描述土壤对吸附质的吸附,他们假定在整个体系中溶液的电位保持不变,土壤吸附的阴离子忽略不考虑,被吸附的离子当量数与解吸出的离子的当量相等,则C:约等于物质l的初始浓度与平衡液浓度C:之差。即:CZ=C“二,一C,(丝),,_C,._、._,,、:,一_二,,__,~、J,、,:__,_一。,.与片将为一宜软天杀,叫以利用局欺们云法水出杀效k,、b:、bZ。L.2Q一几4Langmuir二表面等温式Shapiro和Fried(1959年)提出,不同类型表面吸附位是造成对磷吸附不呈直线的原因,其中一类吸附位具有较高的结合能而迅速与磷反应,另一类吸附位的结合能较低,反应也较慢。Langmuir(1978年)提出一个方程式来描述两个以上的表面同时对气体吸附,对具有二类吸附位的土壤吸附溶质所采用的Langmuir方程式为:_k,b,Ck,b,C百一二一下一下一;不十了舟二「下1州卜左l七1寸.祀2七(10)式中:b;和b:为能被二类吸附位吸附的溶质最大量,k;和k:是与吸附位的结合能有关的常数。Shuman(1975.1977年)叙述T对Z。和M。的两种吸附位,但是,他们是通过单层Lang-muir吸附等温式的多重应用来进行分析的。5小结由于讨论可知,简单的Langmuir吸附等温式由于它的简单性而广泛应用于土壤对溶质的吸附,受到了很大的发展。在应用中人们发现土壤对溶质吸附过程中会引起简单Lang-muir吸附等温式的非线性尸题.据此,人们在试验的基础上提出了各种各样的以Langmuir吸附等温模式为基本的吸J等温式。对每一种吸附等温,有其一定的应用范围,在应用时应根据所研究对象的性质及梢度要求等加以选择。参考文献e.eTravisandE.L.EtnierAsurveyofsorptimRelationm:hipsforReatikeSolutesin5011J.Environ.Qual10.1ps一171981JaeobBear《D沙namiesofFluidsinProusMedias)RobertD.HarterandDaleE.BakerApplieationsandMisappplieationsoftheLangmuir助uationto5011AdsorPtionPhenomena5011seisoe.Am.J.,vol411977E.SibbesensomeNewEquationtol沁、eribeP卜osPhateSorPtionBy50115Journalof5011Sci-enee,1981。32.67一74.、Jl卫J工.J,l叮山3r气产.Žrr、(土接49页)为检验预报表预报结果的正确与否,作者收集了10座水库的实测资料(表5),对本文的预报结果进行了检验,由表5可知,预报的淤积形态与实测资料一致。说明运用模糊分析方法对水库淤积形态进行预报是可行的,结果是可信的。5结语就水库纵向淤积形态而言,运用模糊分析方法对其进行分析预报,不仅是可行的,而且结果是可信的。鉴于水库纵向淤积形态的复杂性、样本的代表性以及分析中的不同处理方法,本文的分析结果并不是唯一的、一成不变的,将来随着资料的积累及认识水平的提高,将可能采用更多的分析因子对水库纵向淤积形态进行预报。参考文献〔l〕张跟广,水库纵向淤积形态模糊分析预报,《水利水电工程育年学术论文集》,科学出版社,1992.11。〔幻张跃、邹寿平、宿芬等编著,《模糊数学方法及其应用》,煤炭工业出版社,1991.3.〔3〕陕西省水利科学研究所等编著,《水库泥沙》,水电出版社,1979.3。