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氣體吸附法測定比表面積原理,是依據(jù)氣體在固體表面的吸附特性,在一定的壓力下,被測樣品顆粒(吸附劑)表面在超低溫下對氣體分子(吸附質(zhì))具有可逆物理吸附作用,并對應(yīng)一定壓力存在確定的平衡吸附量。通過測定出該平衡吸附量,利用理論模型來等效求出被測樣品的比表面積、孔容積及孔徑分布。
氪氣還是氮?dú)猓?/p>
一些材料例如有機(jī)材料,金屬粉末,表面積低于1m?/g僅能吸附很小量氣體。,當(dāng)測試這些樣品時(shí),增大氣體進(jìn)入量和平衡后殘余量之間的差值是有利的。在液氮溫度下,氪氣的飽和壓力大約是氮?dú)怙柡蛪毫Φ?/300(氪氣:2.5torr;氮?dú)猓?60torr)。因此,相對于相同相對壓力下的氮?dú)?,自由空間內(nèi)僅有1/300的氪氣分子。由于形成單分子層時(shí)氪氣和氮?dú)夥肿拥臄?shù)量接近,因而表明相比于氮?dú)?,這個(gè)數(shù)字占進(jìn)氣量的比例大大增加。
微孔分析用氮?dú)膺€是氬氣?
氬氣是惰性氣體,并且是球形單原子分子。氮?dú)馐欠乔蛐坞p原子分子,并且四極距可能導(dǎo)致局部吸附,特別是具極性的吸附劑。除了氮?dú)鈺?huì)在極性點(diǎn)上發(fā)生吸附,氬氣和氮?dú)庠诜肿哟笮『臀綗嵘虾芙咏?。?biāo)準(zhǔn)壓力下氬氣的沸點(diǎn)是87.29K,氮?dú)獾姆悬c(diǎn)是77.35K。
對于微孔分析,使用液氬溫度下氬氣吸附要好于液氮溫度下氮?dú)饣蛘邭鍤馕?。氬氣作為惰性氣體與固體表面特定作用少,且液氬溫度高于液氮溫度,可縮短平衡時(shí)間。除此之外,填充孔的氬氣壓力高于氮?dú)鈮毫?,更容易測量精確。
高純氮?dú)庖约耙旱?冷卻劑)因其易獲得性和良好的可逆吸附特性,成為最常用的吸附質(zhì),廣泛用于比表面積的測定。對于孔道較小,擴(kuò)散較慢的微孔樣品,如:分子篩及活性炭等樣品;以及比表面積較小的樣品,如:天然礦石,有機(jī)材料等,氮?dú)庾鑫綒怏w存在局限性,可以選擇氬氣,二氧化碳?xì)?,氪氣等做吸附氣體。
氬氣作為吸附氣體可以在87K液氬溫度或者77K的液氮溫度下在材料表面發(fā)生穩(wěn)定吸附,在分子篩樣品微孔測試方面廣泛應(yīng)用。主要存在以下三方面原因:
1. 氮分子是極性分子且存在四極偶距,加強(qiáng)了吸附質(zhì)分子與不均勻的分子篩孔壁之間的作用力,容易發(fā)生特性吸附,給識(shí)別不同孔徑分子篩帶來難度;相對氮分子,氬氣分子是球形的非極性的單原子分子,能得到更精確的微孔分布。
2. 對于一個(gè)確定的孔寬,氮?dú)獗葰鍤庑枰偷腜/P0。故選用氬氣做吸附氣體,微孔吸附能在較高的P/P0點(diǎn)進(jìn)行,有利于提高測試精度。
3. 氬氣可以選在87K的液氬溫度吸附,提高冷浴的溫度,有利于縮短平衡時(shí)間,提高測試效率。
氬氣做吸附氣體測試其局限性在于孔徑大于12nm后毛細(xì)凝聚就會(huì)消失,所以,一般只能用于微孔測試。
對于微孔較多的活性炭樣品,可以選擇用二氧化碳做吸附質(zhì),在冰點(diǎn)吸附,主要用于活性炭飽和吸附能力的測試。二氧化碳的冰點(diǎn)(273K)吸附相對氬氣、氮?dú)獾奈綔囟?77K或者87K)提高了很多,大大提高了氣體擴(kuò)散速度。故對活性炭樣品,選擇二氧化碳在冰點(diǎn)吸附,具有效率高,易擴(kuò)散,容易得到飽和吸附量的特點(diǎn),更適合于活性炭飽和吸附能力的測試。但是,二氧化碳冰點(diǎn)的飽和蒸汽壓(3485.3KPa)太高,只能在微孔范圍內(nèi)吸附,不能達(dá)到更高P/P0壓力點(diǎn),除非選用高壓吸附儀。
對于比表面積較小的金屬粉末,有機(jī)材料以及一些天然的礦石可以選用氪氣做吸附氣體。
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