化学吸着と物理吸着の違いは?活性炭と物理吸着【電気二重層キャパシタ材料としても使用】

化学吸着と物理吸着の違いは?

 

科学的な解析として、吸着現象に関する解析が行うことがあるかと思います。

 

例えば、リチウムイオン電池の分野においては正極活物質(例えば、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなど)や負極活物質(黒鉛、チタン酸リチウム、易黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素)などの比表面積を測定する際にBET吸着法という測定方法により、行っています。

 

上述のBET吸着法を始めとして、吸着現象の考え方は各解析に使用されており、そもそも吸着には化学吸着と物理吸着に分けることができます。

 

こちらのページで化学吸着と物理吸着に関する以下の内容を解説していきます。

 

 

・化学吸着とは?物理吸着とは?化学吸着と物理吸着の違い

 

・活性炭の用途 〜物理吸着の具体例〜

 

・活性炭に吸着させることができる物質の種類は?

 

・活性炭の吸着と(物理吸着)の温度の関係は?

 

 

というテーマで解説しています。

 

 

化学吸着とは?物理吸着とは?化学吸着と物理吸着の違い

化学吸着とは言葉の通り化学結合により起こる吸着のことを指し、物理吸着より強く吸着します。

 

これに対して、物理吸着とはファンデルワールス力による吸着のことを指し、化学吸着より弱い吸着です。

 

また反応物への吸着の形態は、化学吸着では単分子層で吸着するのに対して、物理吸着では単層もしくは多層で吸着します。

 

化学吸着では、化学結合をつくるために活性化エネルギーを超える必要があり、40~400kJ/mol程度の大きさの吸着エネルギー(吸着熱)が必要なのに対して、物理吸着では化学結合を杜真菜わないため活性化エネルギーが低く、そのエネルギーも20kJ/mol程度と小さいです。

 

さらに、化学吸着では化学結合が作られるため反応する場所が限定されるのに対して、物理吸着では反応する場所を問いません。

 

化学吸着の代表的なモデルとしてラングミュアの吸着等温式と呼ばれるものがあり、化学吸着と物理吸着の両方を反映させたモデルとしてはBETの吸着等温式と呼ばれるものがあり、どちらも吸着の分野において非常に重要な式ですので、理解しておきましょう。

 

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活性炭の用途 〜物理吸着の具体例〜

化学吸着や物理吸着の違いを先に述べましたが、これらの吸着現象を利用しているの具体例としてはどのようなものがあるのでしょうか?

 

実は身近なところで吸着現象の応用例を利用しているものの具体例の一つに、活性炭(活性炭吸着剤とも呼びます)があります。ちなみに活性炭の英語名はActivated Carbonです。

 

いまでは活性炭の用途として脱臭剤であったり、活性炭マスク、空気清浄機の活性炭フィルター、家庭用の浄水器、歯を白くするためのホワイトニング剤、ダイエット目的としての活性炭サプリ(食べる活性炭)、電気二重層キャパシタ(コンデンサー)の電極材などとして幅広く使用されています。

 

これは活性炭が非常に大きい比表面積を持っていることが上述のような用途に使用されている理由です。
活性炭の比表面積の値は800から2000m^2/g程度と非常に大きな値であり、吸着性能も非常に高いです。

 

そして吸着現象としては、主に物理吸着(多層吸着)により物質を吸着させています。
物理吸着を表す式(原理)としてはBET吸着の式というものがあり、こちらにて詳細を解説しています。)

 

活性炭の比表面積の測定方法としては、BET吸着法とよばれるN2ガスなどを活性炭に吸着させ、各種解析によって比表面積を求めるのが一般的です。
(※物理吸着時の吸着等温線はBETの吸着等温線に従い、比表面積の求め方の詳細はこちらで解説しています)

 

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活性炭に吸着させることができる物質の種類は?

 

活性炭に吸着させることができる物質の種類としては、活性炭と物性的に特徴が近いものを吸着させることが可能です。

 

活性炭の表面状態は非極性(極性が無い)であり、同様に非極性である汚染物質や臭いを発する物質(脱臭目的)などの有機系の物質を吸着させることが可能です。

 

たいていの人体にとって有害な物質は有機物である場合が多いことから、脱臭剤であったり、活性炭マスク、空気清浄機の活性炭フィルター、家庭用の浄水器(水処理)、歯を白くするためのホワイトニング剤などという用途に使用されています。

 

逆に水は極性を持っているため、水系の材料(水に溶けやすい材料)を吸着させることは難しく、実際水の中に活性炭をいれたとしても活性炭自体が沈んでしまいます。

 

良く水槽で小魚などを飼っている場合は、この水溶性である硝酸塩などが多くなっている場合が多いですが、これらの水溶性物質の除去は難しいです。

 

また、きつい臭いを発するアンモニアは気体状態では吸着しやすいですが、水槽などの水に溶けた状態ではほとんど吸着することができません。物質の状態によっても大きく吸着性能が変化します。

 

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活性炭の吸着と(物理吸着)の温度の関係は?

 

 

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