吸附理論

吸附機制是一般常見之結合、分離程序，其廣泛運用於環境工程理 論之使用。其中主要可以分為物理吸附、化學吸附、交換吸附，以下將 分別進行介紹。

2.5.1 吸附之種類

(1) 物理吸附：主要原理為吸附劑表面與吸附質之間的凡得瓦爾力 (Vander Waals force) 作用所造成的吸附現象，也可以解釋為帶有相反電 荷的離子，利用靜電力被吸引於固相表面固定。其中因為兩者間吸引力 較小，具有很高的吸附速率且很快可達吸附平衡。此吸附機制另有一項 特性，即其吸附具有可逆性，當引力變小時就容易發生脫附反應。一般 而言，物理吸附機制屬於多層吸附，當溫度降低時，有利於物理吸附機 制進行。

(2) 化學吸附：主要原理為吸附質與固體表面因吸引力作用，所產生分子 軌域的重疊，進而形成化學鍵結 (Chemical bounds) ，其作用力遠大於物 理吸附之凡得瓦爾力，其是屬於一種強的吸引力，並具有反應速率慢，

且隨溫度增加，反應亦有速率有提升之情形。此外，進行脫附反應時，

吸附質的化學性質常會改變，吸附質不易脫附，反應較不具可逆性，屬 於單層吸附。

以上兩種吸附機制可以透過活化能來進行判定，當吸附熱小 (≦ 10 Kcal/mole)，則屬於物理吸附，反之，當吸附熱較大時 (≧ 10 Kcal/mole)，

則屬於化學吸附。兩者相互比較如表2.9 所示:

表2.9 物理、化學吸附之比較

物理吸附 化學吸附

吸附力 凡得瓦爾力 與原子價力相同

吸附熱 10 Kcal/mole 以下 10~100 Kcal/mole

選擇性 無(在低溫下均可) 有選擇性

吸附速度 很快(無法測定) 通常不太快

吸附層 多分子層吸附 單分子層吸附

定溫吸附量 溫度增加而減低 溫度增加而增加

可逆性 容易脫附 不易脫附

(3) 交換性吸附：通常指的是吸附質和吸附劑表面相互具有帶電吸引力所 形成之吸附作用，像是離子交換就是屬於此類型，因此物質若具有較高 之價數及較小尺寸時，其靜電引力較大，吸附利益相對較強 (葉, 2008)。

2.5.2 等溫吸附模式

等溫吸附方程式 (adsorption isotherm) 是指吸附反應中，吸附後之平 衡濃度和被吸附劑質量間的吸附關係，其中等溫 (isotherm) 意指反應中 是在相同溫度下所進行。四種常見的等溫吸附方程式為線性 Linear、

Langmuir、Freundlich 及 BET 方程式，至於何者較適用則需視狀況而 定，像是物質的特性、濃度、被吸附質的特性、吸附劑的種類、流體的 種類及環境因素等，皆會影響線性結果。

等溫吸附平衡關係為一定量描述等溫吸附之行為，表示流體相與吸 附相固體粒子間所能達成之平衡關係。以吸附相的吸附量 (q_e) 對水相中

方程式等溫吸附模式來推估其飽和吸附量。

Langmuir equation：

(2) Freundlich 等溫吸附

Freundlich 於 1907 年依據等溫平衡實驗結果，推導出之經驗公式，

與 Langmuir 方程式不同的是，Freundlich 方程式在低濃度時並不成直 線。其方程式 (蕭和傅, 2004 )：

Freundlich equation：

q

K

C

1

= （3.3）

其中，C_e = 吸附質平衡濃度 (mg/L)；q_e = 吸附劑平衡吸附量 (mg/g)；1/n =吸附常數；n 為常數；K_f =常數。

將式 (3.3) 取對數得方程式：

_{e f} C_e K n

q 1ln

ln

ln = + （3.4）

當吸附行為符合 Freundlich 等溫吸附模式時，利用 lnqe 與 lnCe 作 圖，由得到的直線截距與斜率可求常數 K 與 n。(其中 n>1 為利於吸附，

n=1 直線吸附，n<1 不利吸附)。

等溫吸附曲線可用來提供：(1) 瞭解吸附質之吸附特性。(2) 獲得平 衡吸附量，進而推估吸附劑之使用量。(3) 改變吸附質濃度藉以獲得相對 應之吸附量，以探討吸附質濃度對吸附效能之影響。

(3) BET 等溫吸附

位置的吸附並不影響鄰近位置的吸附效應。此外，亦假設吸附熱控制第 一層之吸附；而吸附質之凝結熱則控制其他層之吸附。

B.E.T equation：

[ C C

] [ ( B ) C C

]

C q Bq

/ 1 1

/ 1

0

− +

= − （3.5）

其中，C = 平衡吸附濃度 (mg/L)；Cs =吸附質在吸附溫度 T 時的飽 和蒸氣濃度 (mg/L)；q：平衡吸附濃度下之吸附量；q ₀：單層飽合吸附 容量；B：常數。