CN101101255B - 颗粒状物料比表面积测定的设备及其测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颗粒状物料比表面积测定的设备及其测定方法，尤其涉及一种竹炭的比表面积测定的设备及其测定方法。颗粒状物料比表面积测定的设备，其包括U型水银压力计、样品瓶、三通换向阀、压力调整装置和用于冷却样品瓶温度的低温冷却装置，所述的U型水银压力计一端通大气，另一端通过导管分别连接样品瓶和三通换向阀，三通换向阀的另外两端分别连接压力调整装置和大气。本发明中无需真空设备，是一种简单易行的快速测定比表面积的方法。适合颗粒状物料的比表面积测定，特别是竹炭的比表面积测定，对建立竹炭的质量评价体系有十分重要的意义。本发明另外还公开了上述设备的测定方法。

Description

颗粒状物料比表面积测定的设备及其测定方法

技术领域

本发明涉及颗粒状物料比表面积测定的设备及其测定方法，尤其涉及一种竹炭的比表面积测定的设备及其测定方法。

背景技术

现有的比表面积测定仪只能测比表面积在2000cm²/g以上的粉末状物料的比表面积，对细粒状物料的比表面积，没有适用的仪器。特别是对于竹炭行业，竹炭的比表面积是影响吸附性能的最为关键的因素，现有还未有竹炭制品比表面积测定的方法和设备。

中国实用新型专利CN2199525Y公开了一种用于物性测试的粒状物料比表面积测定仪，其主要由U形压差计、试样筒、三通换向阀、空气流量计、压差调节阀、抽气泵构成；各构件以气管路连接在一起，试样筒底部为一细金属筛网，筛网下有气室，气室与仪器管路相通，另一端通过物料层与大气相通；U形压差计的另一端也与大气相通。该仪器解决了多年来颗粒状物料领域未解决的比表面积测试问题。但是这种设备需要使用抽气泵，结构复杂，测定不是很方便。

发明内容

为了解决现有的比表面积测定仪存在的技术缺陷，本发明的第一个目的是提供一种结构简单、使用方便的颗粒状物料比表面积测定的设备。

本发明的另外一个目的是提供上述颗粒状物料比表面积测定的设备的测定方法。

为了实现第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：

颗粒状物料比表面积测定的设备，其包括U型水银压力计、样品瓶、三通换向阀、压力调整装置和用于冷却样品瓶温度的低温冷却装置，所述的U型水银压力计一端通大气，另一端通过导管分别连接样品瓶和三通换向阀，三通换向阀的另外两端分别连接压力调整装置和大气。

作为优选，上述的压力调整装置为活性炭贮瓶，活性炭贮瓶连接在三通换向阀上。活性炭贮瓶可以通过吸附系统内的气体，调节系统的压强。使用的时候通过开通或闭合三通换向阀即可，使用方便。

作为优选，上述的低温冷却装置采用液氮。液氮的温度在-196℃，在这种温度下可以增加颗粒状物料的吸附，有利于测定的精度。同时，液氮具有低价、使用方便的特点。

作为优选，上述的样品瓶外侧设有真空夹套。

为了实现第二个目的，本发明采用的颗粒状物料比表面积测定的方法，包括以下的步骤：

1)在上述的颗粒状物料比表面积测定的设备中，称取待测样品，置于样品瓶内，利用低温冷却装置冷却压力调整装置并调节三通换向阀使系统压力至水银压差为一定数值，此时系统压力为吸附前平衡压力p₀；

2)然后再用低温冷却装置冷却样品瓶，得系统在吸附后的平衡压力p；p₀和p之差为待测样品和样品瓶吸附产生的压力差Δp_总；

3)然后根据公式Δp’＝a’+b’p计算出同一吸附平衡压力下空瓶吸附产生的压差Δp’，根据公式Δp＝Δp_总—Δp’求出Δp；

4)通过以下的公式计算颗粒状物料比表面积：

上述的式中：A_测定—待测竹炭的比表面积，m²/g；

            A和B—标准样品和样品瓶的常数；

            a’和b’—样品瓶的常数；

            m—试样的质量，g。

上述的测定样品瓶的常数a’和b’的步骤如下：

1)在如权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备中，利用低温冷却装置冷却压力调整装置并调节三通换向阀使系统压力至水银压差为一定数值，记录该压力，记作p′₀；

2)然后用低温冷却装置冷却样品瓶至系统压力平衡，读取压力并记作p′，得吸附前后空样品瓶压力Δp′＝p₀′—p′；

3)按上述方法至少测定2次，根据公式Δp′＝a′+b′p′计算样品瓶的常数a’和b’。

上述的测定标准样品和样品瓶的常数A和B的步骤如下：

1)在如权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备中，称取已知比表面的标准样品，置于样品瓶内，利用低温冷却装置冷却压力调整装置并调节三通换向阀使系统压力至水银压差为一定数值，此时系统压力为吸附前平衡压力p₀；

2)然后再用低温冷却装置冷却样品瓶，得系统在吸附后的平衡压力p；p₀和p之差为待测样品和样品瓶吸附产生的压力差Δp_总；

3)至少测2组数据，根据公式Δp_总＝a+bp计算标准样品和样品瓶的a和b，再利用下述的公式计算常数A和B：

$A=\frac{a-a\′}{{\mathrm{mA}}_0},$ $B=\frac{b-b\′}{{\mathrm{mA}}_0};$

上述的式中：A₀—已知竹炭的比表面积，m²/g。

作为优选，上述方法中吸附前系统的空气压力控制在50mmHg～400mmHg。

作为优选，上述低温冷却装置的冷却温度小于-50℃。

作为优选，上述的常数a’和b’测定过程和常数A和B测定过程中分别测定4～5次，再以Δp′对p′作图得a′和b′，以Δp_总对p作图得a和b。

本发明中无需真空设备，是一种简单易行的快速测定比表面积的方法。适合颗粒状物料的比表面积测定，特别是竹炭的比表面积测定，对建立竹炭的质量评价体系有十分重要的意义。

本发明测定方法的具体原理如下所述：

吸附量(q)可用单位表面积上吸附气体的物质的量来表示，即：

$q=\frac{\mathrm{\Δn}}{m{A}_0}$

上式可改写为：

Δn＝qmA₀

式中：Δn为吸附前后气体的物质的量的差值(即被吸附的气体的物质的量)，m为吸附剂的质量，A₀为吸附剂的比表面。可见，在液氮温度下空气在吸附剂表面上被吸附时，吸附量随吸附剂比表面的增加而增大.

设气体服从理想气体状态方程式。则：

ΔpV＝ΔnRT

所以： $\mathrm{\Δp}={\mathrm{qmA}}_0\frac{\mathrm{RT}}{V}={\mathrm{KmA}}_0---\left(1\right)$

式中： $K=q\frac{\mathrm{RT}}{V}$ 是一个与设备及系统平衡压力有关的比例常数。由(1)式可知，在一定的吸附空间内，吸附剂吸附空气后所产生的压差Δp(吸附前系统的平衡压力一吸附后系统的平衡压力)与吸附剂的比表面成正比。

用液氮冷却装有吸附剂的样品瓶时，由于玻璃表面亦产生吸附，故吸附前后系统压力的总变化Δp_总是吸附剂和玻璃表面吸附的总和。设玻璃表面吸附产生的压差为Δp′，则吸附剂表面吸附所产生的压差Δp为：

Δp＝Δp总—Δp′(2)

Δp_总和Δp′在低压下随吸附平衡压力的增加而直线增加，即：

Δp_总＝a+bp(3)

Δp′＝a′+b′p′(3′)

p为装有吸附剂时所测得的吸附平衡压力，p′为空瓶时的吸附平衡压力，a、a′和b、b′是与仪器及实验条件有关的常数。对装有吸附剂的样品瓶而言，平衡时的吸附剂和瓶内壁处于同一下平衡压力下，故p＝p′，则可得：

Δp＝Δp_总—Δp′＝(a+bp)-(a′+b′p)

＝(a-a′)+(b-b′p)(4)

令： $A=\frac{a-a\′}{{\mathrm{mA}}_0},$ $B=\frac{b-b\′}{{\mathrm{mA}}_0};$         (5)

则：Δp＝AmA₀+BmA₀p＝mA₀(A+Bp)     (6)

将(6)式与(1)式比较，则A+BP相当于常数K，A和B都是与吸附剂表面积无关的常数。改写(6)式，得：

$A_0=\frac{\mathrm{\Δp}}{m(A+\mathrm{Bp})}---\left(7\right)$

欲求A、B，需先分别测定空样品瓶和装有一定量已知比表面的标准样品的样品瓶在一系列吸附平衡压力p′和p下所对应的Δp′和Δp_总。再以Δp′对p′作图得a′和b′，以Δp_总对p作图得a和b，代入(5)式，可求得A和B。若再测得未知比表面的样品在某一吸附平衡压力下所对应的压差Δp，即可根据(7)式求出未知样品的比表面A₀。此处的压差Δp可由下式求得：

Δp＝Δp_总—Δp′

Δp′是对应于未知比表面样品的吸附平衡压力下，样品瓶所产生的压差。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的颗粒状物料比表面积测定的设备，包括U型水银压力计1、样品瓶2、三通换向阀3、活性炭贮瓶4和用于冷却样品瓶2温度的液氮，所述的U型水银压力计1一端通大气，另一端通过导管分别连接样品瓶2和三通换向阀3，三通换向阀3的另外两端分别连接活性炭贮瓶4和大气。所述的样品瓶2外侧设有真空夹套5。

实施例2

1.测定样品瓶2的a′和b′

将干净的样品瓶2套入装置，检查各连接处有无漏气。然后将三通换向阀3旋转至活性炭贮瓶4与系统相通(此时与大气隔绝)，用液氮冷却活性炭贮瓶4。在液氮温度下样品瓶2及管道中的空气被活性炭吸附而降低系统的压力。当吸附达平衡后，移去液氮，旋转活塞使大气与活性炭贮瓶4相通(与系统隔绝)，使被活性炭所吸附的空气脱附，以防止贮瓶中压力过大。再旋转活塞使大气与系统相通，调节系统内压力，使增至一定数值。关闭活塞，使贮瓶、大气及系统互相隔绝，此时系统的压力即为空瓶吸附前的平衡压力p′₀(p′₀＝p_外—Δh₀′，Δh₀′为汞高差)。然后用液氮冷却样品瓶2(注意：此时液氮浸没到样品瓶2颈部，而且以后每次操作均需如此，保持冷却面积不变)由于玻璃的吸附，使系统压力下降，平衡时系统的压力p′为：p′＝p_外—Δh′。所以吸附前后的压差Δp′为：Δp′＝p₀′-p′＝Δh′-Δh₀′，即得到某一平衡压力p′下的Δp′。

移走液氮，待系统压力回升到p₀′时再转动活塞使大气与系统相通，改变系统的压力且重复确定p′和Δp′的操作。如此，有四组数据即可，以Δp′对p′作图，可求得a′和b′。

2.测定已知比表面的标准样品和祥品瓶的a和b

称取已知比表面的标准样品0.1g左右(精确至0.1mg)，置于样品瓶2内，用与上述同样的手续测四组数据，以Δp_总对p作图即可得a和b。

按照操作1和2，并根据 $A=\frac{a-a\′}{{\mathrm{mA}}_0},$ $B=\frac{b-b\′}{{\mathrm{mA}}_0}$ 进行计算，可得A和B。

3.测定样品的比表面

将标准样品从样品瓶2中倒出，称取待测样品0.1g左右(精确至0.1mg)，置于样品瓶2内。旋转活塞，使系统与活性炭贮瓶4相通(与大气隔绝)，且用液氮冷却活性贮瓶。待系统压力达到某一定值(此值约为空瓶吸附时所得直线中间部分的对应压力即可)，旋转活塞使贮瓶与大气相通，且移走液氮。此时系统压力为吸附前平衡压力p₀。然后用液氮冷却样品瓶2，得系统在吸附后的平衡压力p。p₀和p之差为待测样品和样品瓶2吸附产生的压力差Δp_总。另由Δp′-p′图查出同一吸附平衡压力下空瓶吸附产生的压差Δp′，从而求出Δp。如此，即可用 $A_0=\frac{\mathrm{\Δp}}{m(A+\mathrm{Bp})},$ 求得待测样品的比表面值A₀。

Claims (6)

1.颗粒状物料比表面积测定的设备，其特征在于包括U型水银压力计(1)、样品瓶(2)、三通换向阀(3)、压力调整装置和用于冷却样品瓶(2)温度的低温冷却装置，所述的U型水银压力计(1)一端通大气，另一端通过导管分别连接样品瓶(2)和三通换向阀(3)，三通换向阀(3)的另外两端分别连接压力调整装置和大气；压力调整装置为活性炭贮瓶(4)，活性炭贮瓶连接在三通换向阀(3)上。

2.根据权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备，其特征在于低温冷却装置采用液氮。

3.据权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备，其特征在于样品瓶(2)外侧设有真空夹套(5)。

4.颗粒状物料比表面积测定的方法，其特征在于包括以下的步骤：

1)在如权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备中，称取待测样品，置于样品瓶(2)内，利用低温冷却装置冷却压力调整装置并调节三通换向阀(3)使系统压力至水银压差为一定数值，此时系统压力为吸附前平衡压力p₀；

2)然后再用低温冷却装置冷却样品瓶(2)，得系统在吸附后的平衡压力p；p₀和p之差为待测样品和样品瓶(2)吸附产生的压力差Δp_总；

3)然后根据公式Δp’＝a’+b’p计算出同一吸附平衡压力下空瓶吸附产生的压差Δp’，根据公式Δp＝Δp_总-Δp’求出Δp；

4)通过以下的公式计算颗粒状物料比表面积：

上述的式中：A_测定-待测竹炭的比表面积，m²/g；

A和B-标准样品和样品瓶(2)的常数；

a’和b’-样品瓶(2)的常数；

m-试样的质量，g；

其中，测定样品瓶(2)的常数a’和b’的步骤如下：

1)在如权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备中，利用低温冷却装置冷却压力调整装置并调节三通换向阀(3)使系统压力至水银压差为一定数值，记录该压力，记作p′₀；

2)然后用低温冷却装置冷却样品瓶(2)至系统压力平衡，读取压力并记作p′，得吸附前后空样品瓶(2)压力Δp′＝p₀′-p′；

3)按上述方法至少测定2次，根据公式Δp′＝a′+b′p′计算样品瓶(2)的常数a’和b’；

测定标准样品和样品瓶(2)的常数A和B的步骤如下：

1)在如权利要求1所述的颗粒状物料比表面积测定的设备中，称取已知比表面的标准样品，置于样品瓶(2)内，利用低温冷却装置冷却压力调整装置并调节三通换向阀(3)使系统压力至水银压差为一定数值，此时系统压力为吸附前平衡压力p₀；

2)然后再用低温冷却装置冷却样品瓶(2)，得系统在吸附后的平衡压力p；p₀和p之差为待测样品和样品瓶(2)吸附产生的压力差Δp_总；

3)至少测2组数据，根据公式Δp_总＝a+bp计算标准样品和样品瓶(2)的a和b，再利用下述的公式计算常数A和B：

$A=\frac{a-a^{\′}}{m{A}_0},$ $B=\frac{b-b^{\′}}{m{A}_0};$

上述的式中：A₀-已知竹炭的比表面积，m²/g。

5.根据权利要求4所述的颗粒状物料比表面积测定的方法，其特征在于常数a’和b’测定过程与常数A和B测定过程中分别测定4～5次，再以Δp′对p′作图得a′和b′，以Δp_总对p作图得a和b。

6.根据权利要求4或5所述的颗粒状物料比表面积测定的方法，其特征在于吸附前系统的空气压力控制在50mmHg～400mmHg。

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