吸着理論 on Activated Carbon Knowledge Base

吸着の基礎概念

Sun, 01 Mar 2026 00:00:00 +0000

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

特性	内容
結合力	ファン・デル・ワールス力（弱い）
吸着熱	小さい（一般に数～40 kJ/mol程度）
可逆性	可逆的（加熱・減圧で容易に脱着可能）
吸着層	多層吸着が可能
選択性	化学吸着に比べて低い

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

特性	内容
結合力	化学結合（強い）
吸着熱	大きい（一般に80～400 kJ/mol程度）
可逆性	不可逆または難可逆
吸着様式	特定の吸着サイトで反応的に進行
選択性	高い（特定物質を選択的に吸着する）

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

項目	物理吸着	化学吸着
結合の性質	ファン・デル・ワールス力	化学結合
吸着熱	数～40 kJ/mol程度	80〜400 kJ/mol程度
吸着様式	多層吸着が可能	特定の吸着サイトで反応
可逆性	可逆	不可逆または難可逆
選択性	化学吸着に比べ低い	高い
再生	比較的容易	困難な場合が多い

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。

細孔構造

Sun, 01 Mar 2026 00:00:00 +0000

細孔構造が吸着性能を決める

活性炭の高い吸着性能は、内部に発達した複雑な細孔ネットワークに由来します。細孔の大きさ（径）と量（容積）・分布が、どのような物質をどれだけ吸着できるかを決定します。

IUPAC による細孔分類

国際純正・応用化学連合（IUPAC）は、細孔径に基づいて細孔を3種類に分類しています。

ミクロ孔（Micropore）

細孔径：2 nm（20 Å）未満
役割：活性炭の吸着性能の主体。多くの活性炭では、比表面積の大部分はミクロ孔に由来する
吸着特性：小分子（ガス状分子・低分子有機物・溶存有機物）を効率よく吸着
吸着対象の例：VOC・アセトン・トリクロロエチレン・ベンゼン・クロロホルム・2-メチルイソボルネオール（2-MIB）など

さらにミクロ孔は以下に細分されます。

ウルトラミクロ孔（< 0.7 nm）：極めて小さな分子のみが入れる狭い細孔
スーパーミクロ孔（0.7〜2 nm）：多くの有機溶剤分子が吸着される範囲

メソ孔（Mesopore）

細孔径：2〜50 nm
役割：ミクロ孔への拡散経路として機能する。大分子の吸着にも寄与
吸着特性：大分子（染料・タンパク質・フミン酸など）の吸着、毛管凝縮
重要性：大きな分子の吸着が必要な場合（脱色・フミン物質除去）にメソ孔が豊富な活性炭が適する

マクロ孔（Macropore）

細孔径：50 nm超
役割：液体・気体の活性炭内部への入口（輸送細孔）として機能する
吸着特性：吸着容量への直接的な寄与は少ないが、物質移動速度に影響する
重要性：吸着速度を高めるためにはマクロ孔からの拡散経路が確保されていることが重要

各細孔の役割まとめ

細孔種類	径の範囲	主な役割	吸着対象
ミクロ孔	< 2 nm	吸着主体（比表面積の大半）	小分子有機物・ガス分子
メソ孔	2〜50 nm	拡散経路・大分子吸着	大分子・染料・フミン酸
マクロ孔	> 50 nm	輸送細孔（入口）	物質移動経路

細孔径分布の測定法

窒素吸着法（最も一般的）

液体窒素温度（-196℃）での窒素ガス吸着等温線から細孔径分布を算出します。

ミクロ孔の解析：MP法・HK法・DFT法などを使用
メソ孔の解析：BJH法・CI法などを使用
測定範囲：0.3〜100 nm程度
必要試料量：0.1〜1 g程度

水銀圧入法（Mercury Intrusion Porosimetry）

水銀に圧力をかけて細孔内に圧入し、圧力と圧入量の関係から細孔径分布を算出します。

適用範囲：数 nm〜数百 μm（メソ孔〜マクロ孔の評価に適する）
特徴：マクロ孔の評価に優れる
注意点：高圧（数百 MPa）での測定のため、細孔の圧縮変形に注意

二酸化炭素吸着法

CO₂ガスを用いた吸着測定で、極めて狭いウルトラミクロ孔を評価するのに有効です。

BET理論と比表面積測定

Sun, 01 Mar 2026 00:00:00 +0000

BET理論の背景

BET理論は、1938年に Stephen Brunauer（ブルナウアー）、Paul Emmett（エメット）、Edward Teller（テラー）の3名が発表した多層吸着理論です。論文タイトル “Adsorption of Gases in Multimolecular Layers” (J. Am. Chem. Soc., 60, 309, 1938) に由来します。

それ以前の支配的な理論であった Langmuir の単分子層吸着モデルでは、実験で観察される吸着等温線の全形状を説明できませんでした。BET理論は多層吸着を考慮することで、実験データをより広い相対圧範囲で再現することに成功し、現在も比表面積測定の国際標準として広く採用されています。

多層吸着モデルの仮定

BET理論は以下の仮定に基づいています。

吸着は多層で起こる：第一層（固体表面上）に吸着した分子の上に、さらに第二層、第三層と積み重なって吸着が起こる
第一層の吸着熱は固有の値 E₁ を持つ（物理吸着+固体との相互作用）
第二層以上の吸着熱は凝縮熱 EL に等しい（吸着質の液化熱に相当）
表面は均一である（すべての吸着サイトは等価）
吸着層間の相互作用はない

仮定3により、第二層以上は液体と同様の性質を持つとみなします。

BET式

これらの仮定から導かれる BET 式は以下のように表されます。

p / [V(p₀ - p)] = 1/(VmC) + (C-1)/(VmC) × (p/p₀)

各変数の意味：

p：吸着質（窒素）の圧力 [Pa]
p₀：測定温度での吸着質の飽和蒸気圧 [Pa]
p/p₀：相対圧（0〜1）
V：相対圧 p/p₀ での吸着量（標準状態換算 cm³/g）
Vm：単分子層吸着量（cm³/g）：全表面を単分子層で覆うのに必要な吸着量
C：BET定数（第一層の吸着熱 E₁ と凝縮熱 EL に依存）：C ≒ exp[(E₁ - EL)/RT]

BETプロットと比表面積の算出

BETプロットの作成

BET式を変形すると、p/[V(p₀ - p)] を縦軸、p/p₀ を横軸にプロットすると直線関係が得られます（BETプロット）。

吸着等温線

Sun, 01 Mar 2026 00:00:00 +0000

吸着等温線とは

吸着等温線（adsorption isotherm）は、一定温度における吸着量と吸着質の濃度（気相：分圧、液相：濃度）の平衡関係を示す曲線です。温度が一定の条件で吸着質の濃度を変化させたとき、平衡状態での吸着量がどのように変化するかを表します。

吸着等温線は活性炭の吸着性能を定量的に評価し、処理システムの設計に不可欠な情報を提供します。

IUPAC による吸着等温線の分類

IUPAC（2015）は気相吸着等温線を8種類（Type I(a)、I(b)、II、III、IV(a)、IV(b)、V、VI）に分類している。Type Iはミクロ孔材料に特徴的な等温線であり、Type IVはメソ孔材料に特徴的な等温線である。2015年の改訂では、Type IおよびType IVが細孔構造の違いを反映してそれぞれ2種類に細分類された。

タイプ	特徴	適した材料・細孔構造	代表例
Type I(a)	極めて低い相対圧で急激に吸着し飽和する	狭いミクロ孔（おおむね1 nm以下）が発達した材料	ゼオライト、ヤシ殻系活性炭
Type I(b)	I(a)より緩やかに吸着し飽和する	広いミクロ孔および細いメソ孔を有する材料	多くの活性炭、活性炭繊維
Type II	単分子層形成後に多層吸着が進行する（S字状）	非多孔質またはマクロ孔性材料	カーボンブラック、一部の酸化物粉体
Type III	吸着剤-吸着質相互作用が弱く、低圧で吸着が起こりにくい	吸着親和性の低い系	水蒸気-疎水性炭素表面系
Type IV(a)	メソ孔での毛管凝縮によりヒステリシスを示す	メソ孔性材料	シリカゲル、MCM-41、メソ孔活性炭
Type IV(b)	毛管凝縮を示すがヒステリシスを伴わない	均一な細いメソ孔を有する材料	均一メソ孔シリカ
Type V	Type IIIに類似するが毛管凝縮に伴うヒステリシスを示す	吸着親和性の低いメソ孔材料	水蒸気-メソ孔炭素材料系
Type VI	多層吸着が段階的に進行する（階段状）	均一な非多孔質表面	グラファイトなどの均一表面

活性炭は通常 Type I(a) または Type I(b) の等温線を示す。Type I(a) はヤシ殻系活性炭などミクロ孔が発達した材料に多く見られ、Type I(b) は広いミクロ孔や細いメソ孔を有する活性炭で観察される。また、木質系薬品賦活炭のようにメソ孔が発達した活性炭では Type IV(a) に類似した挙動を示す場合がある。