吸着等温式

吸着等温式：固体表面への吸着現象を解き明かす

吸着等温式は、一定温度下で気体や溶液中の物質が固体表面に吸着される量と、その際の圧力（気体の場合）または濃度（溶液の場合）の関係を表す数学的な式です。この式は、物質の吸着挙動を理解し、様々な物質の特性を評価する上で非常に重要な役割を果たします。様々な理論式や経験式が提案されており、それぞれの式は、対象とする物質や条件によって適したものが異なります。

代表的な吸着等温式

1. ヘンリーの吸着等温式:

ヘンリーの法則を吸着現象に応用したシンプルな式です。低圧力領域において、吸着量は圧力に比例するという関係を示します。均一な表面を持つ吸着剤への吸着挙動を近似的に表すことができます。吸着剤の表面が均一で、吸着分子の相互作用が弱い場合に有効です。

2. ラングミュアの吸着等温式:

1918年にアーヴィング・ラングミュアによって提案された理論式です。以下のような仮定に基づいています。

吸着剤の表面には有限個の吸着サイトが存在し、吸着質分子はこれらのサイトにのみ吸着する。
すべての吸着サイトは等価である。
1つの吸着サイトには、1つの吸着質分子しか吸着できない（単分子層吸着）。
吸着と脱着が平衡状態にある。

これらの仮定に基づいて導出された式は、吸着量と圧力（または濃度）の関係を、飽和吸着量というパラメータを用いて表します。化学吸着や、水素結合のような強い相互作用による吸着を記述するのに適しています。

3. BETの吸着等温式:

ラングミュアの吸着等温式は単分子層吸着を仮定していますが、実際には多分子層吸着が起こる場合があります。BETの吸着等温式は、ブルナウアー、エメット、テラーによって1938年に提案され、多分子層吸着を考慮した式です。

この式は、多段階の吸着平衡を考慮し、各層の吸着エネルギーを考慮することで、より現実的な吸着挙動を記述します。特に、固体の比表面積を測定する際に広く用いられています。比表面積測定では、窒素ガスなどを用いて吸着等温線を測定し、BET式に当てはめることで比表面積を求めます。ただし、このモデルはメソ孔より大きな細孔でのみ成立し、細孔表面積を過大評価する傾向があります。

4. Freundlichの吸着等温式:

Freundlichの吸着等温式は、何らかのモデルに基づくものではなく、経験的に吸着等温線によくフィットするため、工業分野で使用されています。吸着量と圧力（または濃度）の関係を、実験的に求められた定数aとbを用いて表します。

5. Gibbsの吸着等温式:

Gibbsの吸着等温式は、溶液中の物質の濃度と表面張力の関係を表す式です。溶質の濃度変化による表面張力の変化から、界面への吸着量を算出することができます。

その他の吸着等温式

Dubinin式、Dubinin-Astakhov式などは、ミクロ孔を有する吸着剤に適用できる式であり、温度が異なる場合にも使用できます。

吸着等温式の応用

吸着等温式は、材料科学、化学工学、環境科学など、様々な分野で応用されています。例えば、触媒の活性評価、吸着剤の設計、環境汚染物質の除去など、幅広い用途があります。それぞれの吸着等温式の特性を理解し、適切な式を選択することで、より正確な吸着現象の解析が可能になります。また、JIS Z8830（気体吸着による粉体（固体）の比表面積測定方法）などの規格にも、吸着等温式が用いられています。

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