吸着の基礎概念

吸着とは

吸着（adsorption） とは、固体の表面や細孔内壁（吸着剤）に気体・液体中の分子（吸着質）が引き付けられ、濃縮される現象です。吸着により、気体中または液体中の吸着質濃度は低下します。

吸着と混同しやすい用語に吸収（absorption） がありますが、これは分子が物質内部（バルク相）に取り込まれる現象であり、表面現象である吸着とは本質的に異なります。活性炭の場合、物質は主に細孔内壁の表面に吸着します。

物理吸着（Physical Adsorption / Physisorption）

原理

物理吸着は、吸着質分子と吸着剤表面の間に働くファン・デル・ワールス力（分散力、双極子相互作用などの分子間力）によって生じる吸着現象です。これらの力は比較的弱く、吸着質と吸着剤との間に共有結合やイオン結合などの化学結合を形成しません。

特徴

活性炭における物理吸着の意義

活性炭による吸着は主に物理吸着によるものです。細孔内壁の炭素表面と吸着質分子の間にファン・デル・ワールス力が働き、分子が表面に吸着されます。物理吸着は可逆的であるため、加熱再生によって吸着物を脱着させ、活性炭を繰り返し利用することができます。

化学吸着（Chemical Adsorption / Chemisorption）

原理

化学吸着は、吸着質分子と吸着剤表面の間で共有結合やイオン結合などの化学結合が形成される吸着現象です。活性炭表面の酸素含有官能基（カルボキシル基、水酸基、ラクトン基など）や添着された薬剤が吸着質と反応することで生じます。

特徴

活性炭における化学吸着の例

• KOHやKIなどを添着した活性炭による、硫化水素（H₂S）や酸性ガス（SO₂等）の吸着
• 硫黄添着活性炭による水銀蒸気（Hg）の吸着
• 酸添着活性炭によるアンモニア（NH₃）の吸着

物理吸着と化学吸着の比較

吸着に影響する因子

活性炭の吸着性能は以下の因子によって大きく変化します。

温度

物理吸着は発熱現象であるため、一般に温度が低いほど吸着量は増加する。液相処理では常温で処理されることが多いが、高温では吸着量が低下する場合がある。

圧力（気相系）

気相吸着では、吸着質の分圧が高いほど吸着量は増加する。溶剤回収系では溶剤蒸気の濃度管理が重要になる。

pH（液相系）

pHは吸着質および活性炭表面の電荷状態を変化させる。

• 有機酸：低pH（非解離形）では吸着量が増加する。
• 金属イオン：pHによって水酸化物沈殿を形成する場合があり、吸着と沈殿の寄与を区別しにくくなる。
• フェノール類：非解離形で存在する条件では吸着されやすく、アルカリ性では吸着量が低下する場合がある。

分子サイズと細孔径の適合性

吸着質の分子サイズが活性炭の細孔径に適合している必要がある。細孔径より大きな分子はその細孔内へ侵入できず、十分な吸着性能が得られない場合がある。細孔径と吸着質分子径の適合性が吸着性能を左右する重要な因子となる。

分子の極性・官能基

活性炭表面は一般に疎水性を有するため、非極性または低極性の有機物を吸着しやすい。水（極性）は吸着されにくく、有機溶剤やベンゼン環を有する化合物は強く吸着される傾向がある。

溶解度・沸点

液相では、溶解度が低い（水に溶けにくい）物質ほど活性炭に吸着されやすい傾向がある。気相では、一般に沸点が高く蒸気圧の低い物質ほど吸着されやすい。