吸着

吸着：界面における濃度増加現象

吸着とは、気体、液体、固体の界面において、ある物質の濃度が周囲よりも高くなる現象です。これは、界面に存在する原子が、物質内部の原子と異なり周囲と完全に結合していないため、エネルギー的に不安定な状態にあることに起因します。この不安定さを解消するために、界面は近接する分子やイオンを引き寄せ、より安定した状態へと移行しようとします。この引き寄せられる現象が吸着です。

吸着は、気相/液相、液相/液相、気相/固相、液相/固相といった様々な界面で起こり得ます。反対に、吸着していた物質が界面から離れる現象を脱着または脱離と呼びます。

吸着の種類とメカニズム

吸着には、大きく分けて物理吸着と化学吸着の2種類があります。

物理吸着: ファンデルワールス力によって吸着質が吸着剤表面に弱く結合する現象です。比較的弱い力で結合しているため、温度や圧力の変化によって可逆的に吸脱着が可能です。
化学吸着: 吸着質と吸着剤表面との間に共有結合が形成される現象です。物理吸着に比べて結合力が強く、吸着質の電子状態が変化することもあります。そのため、触媒反応などを促進する役割を果たすこともあります。

吸着される物質を吸着質、吸着する物質を吸着剤と呼びます。吸着量の表現方法としては、モノレイヤやラングミュアといった単位を用いる場合や、高温低圧下における吸着剤質量を基準とした質量比（wt%）を用いる場合があります。

吸着現象は、平らな表面でも起こりますが、工業的には小さな孔（細孔）を多数持つ多孔体が吸着剤として広く利用されています。多孔体の高い表面積は、より多くの物質を吸着させることを可能にします。

吸着の熱力学

熱力学的に見ると、吸着反応では吸着質の自由度が低下するため、エントロピー変化(ΔS)は負になります。

ΔS < 0

吸着反応が自発的に進行するためには、ギブズ自由エネルギー変化(ΔG)が負でなければなりません。

ΔG = ΔH - TΔS < 0

ここで、ΔHはエンタルピー変化、Tは絶対温度です。ΔSが負であるため、ΔGを負にするには、ΔHが大きく負でなければなりません。つまり、吸着反応は一般的に発熱反応となります。

吸着剤が一定量の吸着質を吸着して安定な状態にあるように見えますが、実際には吸着と脱着が等速で起こる動的平衡状態にあります。この平衡状態での吸着量は、吸着質の濃度（気体の場合は分圧）と温度に依存します。

吸着等温線と吸着等温式

吸着現象は直接観察が困難なため、吸着等温線から吸着挙動を推測することがよく行われます。吸着等温線とは、一定温度下で吸着質の濃度または圧力を変化させたときの吸着量の関係を示したグラフです。特に、新規吸着剤の開発においては、窒素などの挙動が良く分かっている吸着質を用いて吸着等温線を測定し、吸着剤の構造を評価することが重要です。

吸着等温線を数式で表現したものが吸着等温式です。ラングミュアやBET吸着等温式など、様々な吸着等温式が提案されており、これらを用いることで吸着現象の分子的描像を得ることが可能になります。また、吸着等温式は、吸着を工業的に利用する上でも重要な役割を果たします。

吸着速度

吸着速度は、吸着剤の流体境膜における拡散、吸着剤細孔内での拡散、細孔内表面での吸着という3つの段階の速度によって決定されます。どの段階が律速段階となるかは、吸着質と吸着剤の物性によって異なります。

吸着の工業利用

吸着現象は、様々な分野で工業的に利用されています。

液相吸着: ショ糖の脱色、石油精製、生活廃水処理、浄水処理など
気相吸着: 自動車塗装時の溶剤蒸気回収、圧力スイング吸着法による工業排気分離など
触媒: 多孔体に触媒機能を持たせ、吸着を活用して化学反応を促進する技術も用いられています。
その他: 燃料電池[[自動車]]用水素貯蔵、天然ガス輸送用メタン貯蔵、二酸化炭素分離・固定化など、将来的な応用も期待されています。

家庭においては、活性炭による冷蔵庫の脱臭、中空糸膜を用いた浄水器、シリカゲルによる脱湿などが吸着現象を利用した例です。油水界面の安定性を制御する界面活性剤の作用も、吸着の一種とみなすことができます。

吸着現象は、私たちの生活や産業において、非常に重要な役割を果たしているのです。

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