由吸附等温线分析膨润土的分形孑L隙.PDF

维普资讯 第 l7卷第 5期 高 校 化 学 工 程 学 报 NO．5 、，01．17 2003 年 l0月 Journ alofChemicalEngineeringofChineseUniversities Oct． 2003 文章编号：1003-9015(2003)05-0591-05 由吸附等温线分析膨润土 的分形孑L隙 刘龙波， 王旭辉 (西北核技 术研 究所 ，陕西 西安市 69信 箱 14分箱 ，710613) 摘 要 ：膨润土是一种多孔的粘 土材料 ，对气相和液相 中的污染物均有很好的净化 效果 。为了了解其对气体的吸附 性能，用氮气吸附等温线分析 了2种膨润土和 1种活性 白土的BET比表面积和孔隙分布 ，并应用基于 FHH 模型的 方法计算 了它们的分形 维数 。结果表明，普通膨 润土的分形维数接近 2，而活性 白土 的达到了 2．59。讨论了孔隙度 、 比表面积 以及分形维数等参数与吸附量的关系，表 明分形维数更能反映膨润土对气体 的吸附性能。 关键词：膨润 土；分形维数；吸附等温线；气体吸附 中图分类号：0647．3ll； TQ424．24 文献标识码 ：A l 引 言 膨润土是一种 以蒙脱石为主 的粘土矿物 ，广泛地用于石油钻井 、冶金铸造 、建材 、日化 以及高放 废物处置等领域 [1吨】。在 高放废物 处置和水油净化等应用 中，膨润土主要用作吸 附金属离子和有机物 分子。近来，发现膨润土对气体亦有一定的吸附作用 ，并用于尾气处理 [ ；笔者在研 究中又发现膨润 土对气溶胶 的过滤性 能也很好 [。可见 ，膨润土对气体 、气溶胶和液体中的污染物均有很好的去除效 果 ，有望在污染物控制领域得到更广泛 的使用 。以往 的应用主要是膨润土对水或油等液体介质 中的吸 附，因此对膨润土粉体的形貌 、孔隙等形状 的研究很少 ，而对吸附气体和过滤气溶胶而言，形貌和孔 隙却有重要意义。本文用 N：吸 附法研究膨润土的表面孔隙，并引入分形维数来讨论其孔隙特征 。 分形(Fracta1)的概念是 由 Mandelbrot在二十世 纪六七十年代首先提 出的。简单地说 ，分形的特征 就是 自相似性 ，即在 一定的尺度范围 内，随机地放大显现任何部分 ，都和整体相似 。这种 自相似性可 以用分形维数来确定 。许多多孔材料 ，如活性碳 [、硅胶 以及煤 [】等 的孔 隙结构都有比较典型 的分形 特 征。 分形为描述多孔材料 的形貌和理解其中的传输和反应过程提供 了契机 。以催化剂为例 ，长期以来 ， 人们都是用孔 隙度 、比表面积 、粒度或粒度分布 、孔径或孔径分布等指标来描述催化剂 的几何形貌及 其对表面传质过程 的影 响 ，在此基础上建立 的大量经验方程虽然能说明个别催化剂 的反应特征 ，但无 法形成系统 的理论 。由于分形概念 的引入，这种情况 已经得到了改变 ，催化剂的分形特征 已被广为认 识，已经开始研究分形表面的催化反应规律 以及相关的扩散 、传质过程 [引。 分形理论提 出的三十多年来 ，已经建立 了吸附法 、压汞法 、毛细冷凝法 、x射线小角衍射法 以及 图像分析法等方法来分析不同材料的孔 隙分形特征 。国内的有关研究中，以图像分析法[、X 射线小 角衍射法和压汞法等较为常用，而吸附等温线法实验可行 ，计算方便 ，又有 比较好 的理论基础 ，是一 种值得推荐的分形研究方法 。 2 吸附等温线求算分形维数 的基本原理 一 般地 ，表面分形维数可 以定义为[】： ，zoc ，．一D 式 中，，z为覆盖材料表面所需的半径为 ，．的分子数 目，D为表面分形维数 。对光滑表面 ，D：2。 收稿 日期 ：2002．0617： 修订 日期 ：2002．I2．19。 作者简介 ：刘龙波(1977)‘，男t陕西延安人t西北核技术研究所助理研究员，硕士 。 通讯联系人：刘龙波 ， E-mall：gzheng@nsJ1int．ac