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1、一、基本概念吸附气体和液体中物质的固体物质称作吸附剂，被吸附的气体和液体中的物质称为吸附质。吸附质在表面 吸附以后的状态称为吸附态。吸附是发生在吸附剂表面的局部位置，这样的位置就叫吸附中心。吸附中心与吸附态共同组成表面吸附络合物。吸附在固体表面的吸附 质发生浓度减少时，称为脱附（或解吸）作用。当吸附与脱附过程进行的速率相等时，固体表面的浓度保持不变时，这样的状态称为吸附平衡。按吸附现象产生的机理，可分为物理吸附及化学吸附。（一）物理吸附物理吸附是由于分子间作用力，即范德华（van der Walls）力所产生。其原因是由于固体颗粒表面电荷的不均衡，往往使其带电荷，从而吸附溶液中相反电荷的离子。
2、地下水中具有这种吸附性能的吸附剂有，粘土矿物、偏硅酸胶体、铁锰氢氧化物和腐殖质等物质。物理吸附这个表面反应是一种可逆反应，可用质量作用定律来描述。（二）化学吸附化学吸附是通过化学键作用力吸附分子或离子，液相中的离子是静电与共价键力结合到固体颗粒表面的；被吸附的离子进入颗粒的结晶格架，成为晶格的一部分，它不可能再返回溶液，是一种不可逆反应。这种现象也称为“特殊吸附”。二、吸附理论（一）吸附量与离子交换容量吸附量 表示吸附剂的吸附能力可用吸附量表示。吸附量定义为：在一定的条件下吸附达到平衡后，单位质量吸附剂所吸附的吸附质的量。表示为：式中：G 吸附量； x 总吸附量； m 吸附剂质量。 吸附量可通
3、过测定吸附物平衡浓度求得。在一定浓度下，将已知质量的固体吸附剂与已知体积和吸附质浓度的溶液混合在一起，搅拌至溶液浓度不再改变为止。用化学或物理方法测定溶液浓度的变化后，可按下式求得吸附量：式中： G 吸附量； c0 吸附质初始浓度； ceq 吸附质平衡浓度； V 溶液体积； m 吸附剂质量。 吸附量与吸附剂的组成、性质、比表面积、浓度有关，也与吸附质的组成、形态、浓度有关，还与水体温度、pH值、pE、含盐量以及共存的无机与有机物的情况有关。离子交换容量 在地质学和土壤学中常用阳离子交换容量CEC（Cation Exchange Capacity）表示岩石、矿物和松散沉积物的吸附量。表3-5 某
4、些岩石和矿物的交换容量吸 附 剂 阳离子（meq/100g）阴离子（meq/100g）121沸 石100300230620蛭 石1001501001504蒙 脱 石80150701002331多水高岭石（4H2O）4050多水高岭石（2H2O）510高 岭 石3156.613.3高岭石（胶体）20.2硅质胶体80新鲜沉积物及土壤中的有机物100150伊利石10401040绿泥石10401040绿脱石1220皂 石21贝得石21白榴石460方钠石920钙霞石1090黝方石880水铝英石255070页 岩1041凝灰岩3249玄武岩0.52.8长 石12石 英0.55.3电荷零点pH值 固体颗粒表
5、面电荷与介质的pH值有较大的相关性。其性质或数量上都是介质pH值的函数。pH值时（低到一定程度），正的表面电荷占优势，吸附阴离子；pH 高时，完全是负的表面电荷，吸附阳离子；pH值为一中间值时，表面电荷为零，这一状态称为电荷零点，该状态下的pH值称为电荷零点pH值，记为 pHzpc。表3-6 某些矿物的零点电位pH值（pHzpc）矿 物 pHzpc来 源HgS（辰砂）34AAl（OH）3（三水铝石）6.89.2BFe（OH）3（非晶质）8.58.8C-FeOOH（针铁矿）5.96.7D-MnO2（软锰矿）3.6，7.3CMnO2（各种形式的）2ECaCO3（方解石）89BSiO2（石英）3.7
6、CSiO2（胶体）12.5EAl2O3（刚玉）9.1ETiO2（脱钛矿）7.2EFe3O4（磁铁矿）6.5EFe2O3nH2O69E（Na，Ca）（Al，Si）AlSi2O8（斜长石）2CKAlSi3O8（微斜长石）2CAl2Si4O10（OH）2xH2O（蒙脱石）2.5AAl4Si4O10（OH）8（高岭石）3.33.6ACaCO3（方解石）89A（二）吸附等温线吸附等温线在一定的温度条件下，测定的吸附量与吸附物平衡浓度的关系曲线，相应的数学方程式称为吸附等温式。在稀溶液中最常见的有以下两种类型。1. 弗里因德里利希等温式（Freundlich Equation）G = KCneq- （3-
7、42） 式中：G 吸附量； K 常数； n 表示该等温吸附线线性度的常数，介于0与1之间；当液相中被吸附组分浓度很低，或在砂土（CEC值小）中产生吸附时，n1； C 平衡时液相离子浓度（mg/L）； 如图3-5所示。取对数形式，可变为线性方程。lg G = lgK+nlgCeq （3-43） 以lgG对lgCeq 作图可得一直线。lgK为截距。K值为Ceq = 1时的吸附量，可大致表示吸附能力的强弱。N为斜率，表示吸附量随浓度增加的强度。2. 朗格缪尔等温式（Langmuir Equation）：它的数学表达式为：（3-44） 式中：Sm 某组分的最大吸附浓度（mg/kg）； K 与键能有关的
8、常数； 其他符号同前。 变换（3-44）式，可得该方程的线性表达式：（3-45） （3-45）方程是最常用的方程。通过实验，取得一系列的C值及S值，以C/S为纵坐标，C为横坐标，即可绘出朗格缪尔等温吸附线，如图3-6。该线的斜率（1/Sm）的倒数，即为Sm；其斜率（1/Sm）被截距（）除即为K。图3-6是在25、pH=6.8、Cr（）浓度大于58mol/L的条件下的朗格缪尔等温吸附线，其斜率为0.0071，截距为1.41。从而可算 得Sm = 141mg/kg，K=0.005。利用朗格缪尔等温吸附方程最大的优点是，可求得最大的吸附容量，这对评价包气带土壤对某种污染物吸附容量提供可靠的数 据。三
9、、地下水中的吸附作用地下水介质是复杂的岩土物质，其中有大量的吸附剂，由此导致地下水中溶质，尤其是污染物质与岩土发生吸附作用。常见的类型有：（一）阴离子吸附上面谈到，岩土颗粒表面多带负电荷，但pH值小于pHzpc值时，颗粒表面带正电荷吸附阴离子。关 于阴离子吸附的研究目前很不充分。但已有的研究表明，F-、CrO42-、SO42-、PO43-、H2BO3-、HCO3-、NO3-等，在一定条件都 有可能被吸附。概括起来，关于阴离子的吸附可归纳为：（1）PO42-易于被高岭土吸附；（2）硅质胶体易吸附PO42-、AsO42-，不吸附SO42-、Cl-和NO3-；（3）随着土壤Fe2O3、Fe（OH）3
10、等铁的氧化物及氢氧化物的增加，F-、SO42-、Cl-吸附增加；（4）阴离子被吸附的顺序为：FPO42-HPO4-HCO3-H2BO3-SO42-Cl-NO3-。这个次序说明，Cl-和NO3-最不易被吸附。（二）阳离子交换吸附阳离子吸附亲合力 就特定的固相物质而言，阳离子吸附亲合力是不同的。影响阳离子吸附亲合力的因素主要是：（1）同价离子，其吸附亲合力随离子半径及离子水化程度而差异。（2）一般来说，高价离子的吸附亲合力高于低价离子的吸附亲合力。阳离子交换质量作用方程 按质量作用定律，阳离子交换反应可表示为：aA+bBxaAx+bB（3-46） 式中：KA-B 阳离子交换平衡常数； A、B 水中
11、的离子； Ax、Bx 吸附在固体颗表面的离子； 方括弧表示活度。 以Na-Ca交换为例，其交换反应方程为：2Na+CaxCa2+2Nax （3-47） KNa-Ca= （3-48） （3-47）式表明，交换反应是等当量交换，是个可逆过程；两个铀离子交换一个钙离子。如果水中的Na+交换已被吸附在固体颗粒表面的Ca2+（即Cax），则反应向右进行；反之，则向左进行。如反应向右进行，那么，就钙离子而言，是个解吸过程；就钠离子而言，是个吸附过程。所以，阳离子交换反应，实际上是一个吸附-解吸过程。万赛罗（Vanselow，1932）提出，可规定被吸附离子的摩尔分数等于其活度。摩尔分数的定义为：某溶质的摩
12、尔分数等于某溶质的摩尔数与溶液中所有溶质摩尔数和溶剂摩尔数总和之比。其数学表达式如下（3-49） 式中：xB B组分的摩尔分数，无量纲； mA 溶剂的摩尔数（mol/L）； mB、mC、mD、 溶质B、C、D的摩尔数（mol/L）。 就水溶液而言，溶剂是水，1mol H2O=18g，1L H2O=1000g，所以1升溶剂（H2O）的摩尔数=1000/18=55.56mol/L。按照上述摩尔分数的定义，Ax和Bx的摩尔分数的数学表达式为：和 （3-50） 式中：NA、NB 被吸附离子A和B的摩尔分数； （Ax）、（Bx）被吸附离子A和B的摩尔数（mol/kg）。 以摩尔分数代替被吸附离子A和B的活度。则（3-46）的交换平衡表达式可写成：（3-51） 式中： 选择系数； 其他符号含义同前。 选择系数已为许多学者所应用。从理论上讲，该方程（3-46式）提供了一个预测阳离子交换反应对地下水阳离子浓度影响的有效方法。从理论上讲，基本上是一个常数，但随水的离子强度的改变，稍有变化。它的数值的大小，能说明各种离子在竞争吸附中，优先吸附何种离子。如1，说明B离子比A离子更易被吸附；反之，则相反。选择系数方面的信息在文献中已很普遍。就来说，当（Mgx）/（Cax）和水中离子强度变化比较大时，介于0.60.9间，变化很小，此值的范围说明，Ca2+比Mg2+更易被吸附。
