CN107228810A - 一种乙炔吸附测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及吸附材料性能测试领域，一种乙炔吸附测量的装置，主要包括储气罐I、储气罐II、电磁阀I、质量流量控制器、电磁阀II、参考腔、电磁阀III、气压计、热偶、电磁阀IV、真空泵、电磁阀V、样品腔、恒温槽，电磁阀I一端气管连接于储气罐I和储气罐II、另一端依次气管连接质量流量控制器、电磁阀II、参考腔、电磁阀IV、真空泵，参考腔、热偶、电磁阀V、样品腔位于恒温槽内以保持温度一致并可控，质量流量控制器控制进入参考腔的气体流量速率，能够在0到30mln/min之间调节，误差±0.2％，所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V型号均为Burket2400型、且均特殊设计成在开启与关闭之间变化过程中，其内部容积不会产生变化。
Description
技术领域
本发明涉及吸附材料性能测试领域，特别是一种用于研究不同状态的样品中高压条件下乙炔吸附的特性以及吸附过程中的温度依赖关系的、用于乙炔吸附测量的一种乙炔吸附测量的装置。
背景技术
容量法测气体吸附的基本方法是，真空系统包括容器I和容器II，在容器I中放置一定量的吸附剂样品，并将容器I中气体排空且保持在一定温度，然后通过一个确定容积的容器II向容器I中通入已知量的气体，待吸附剂吸附了一定量的气体后，容器I和容器II中气压达到平衡，根据吸附前后气压的变化能够计算出吸附量。逐次向真空系统增加容器II中气体的压强，并重复上述步骤，得到不同平衡气压下的气体吸附量，将每一个平衡态气压下的气体吸附量的数据点画在二维图上并连接成曲线，纵坐标为气体吸附量，横坐标为平衡态气压，就得到某个温度条件下的吸附等温线。
现有技术中，乙炔分子的动态体积通常不同于用作装置容积确定的氦气、氮气等气体，这导致了对某些材料的样品密度的估算不准确，如某些孔洞尺寸有较大分布的材料或是孔洞尺寸与气体分子接近的材料，因此需要更精确的测试装置，尤其是在真空系统容积的确定方面。另外，某些吸附实验需要在潮湿的样品上进行，现有技术在实验上主要的困难是，不同的单独测试实验中水含量的微小变化会显著影响吸附剂样品对乙炔的吸附能力，这样，实验得到的吸附容量并不是仅依赖于温度，从而造成较大误差，所述一种乙炔吸附测量的装置能解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明是一种用于测压法进行吸附实验的装置，即在密闭系统条件下测量不同温度下的吸附等温线，能够在所有温度下保持含水量恒定，另外，由于在不同温度条件下的单独测试之间不需要对样品去气，测量时间能够大幅度减少。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种乙炔吸附测量的装置，主要包括储气罐I、储气罐II、电磁阀I、质量流量控制器、电磁阀II、参考腔、电磁阀III、气压计、热偶、电磁阀IV、真空泵、电磁阀V、样品腔、恒温槽及气管，所述电磁阀I一端通过阀门气管连接于所述储气罐I和所述储气罐II、另一端依次气管连接所述质量流量控制器、电磁阀II、参考腔、电磁阀IV、真空泵，所述气压计通过所述电磁阀III连接所述参考腔，所述热偶连接于所述参考腔外，所述样品腔通过所述电磁阀V连接所述参考腔，所述样品腔用于放置所测试的吸附剂样品，所述储气罐I中装有测试用的乙炔气体，所述储气罐II中装有高纯氮气，所述气压计和热偶分别用于监控所述参考腔内气体的压强和温度，所述真空泵用于对装置进行抽真空，所述参考腔、热偶、电磁阀V、样品腔位于所述恒温槽内以保持温度一致并可控，所述质量流量控制器控制进入所述参考腔的气体流量速率，能够在0到30 mln/min之间调节，误差±0.2％，所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V型号均为Burket2400型、且均特殊设计成在开启与关闭之间变化过程中，其内部容积不会产生变化。
所述参考腔不同位置可以安装多个所述热偶、并以其读数的平均值来确定气体的温度；装置所测试的吸附剂样品形状为块状或薄膜、且尺寸小于1厘米×1厘米×0.5厘米；所述电磁阀I、质量流量控制器、电磁阀II、电磁阀III、气压计、热偶、电磁阀IV、电磁阀V均由计算机控制。
利用所述一种乙炔吸附测量的装置测量实验，能够进行两种吸附测量实验，第一种是具有更高实验精度的容量法吸附测量方法，第二种是能够在一个完整的充气增压过程中一次性得到多重等温线的吸附测量方法。
第一种方法步骤为：
一.将经过干燥去气处理的纳米材料样品放入所述样品腔；
二.开启所述真空泵，并开启所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V，对装置进行真空脱气；
三.关闭所述电磁阀IV、电磁阀V，并开启所述储气罐II上的阀门，使得高纯氮气充入所述参考腔、样品腔以及装置真空系统内的其他区域，在这个过程中所述质量流量控制器设置一定的参数控制气体流速并记录相关数据；
四.通过所述质量流量控制器的流量数据确定进入装置真空系统的气体摩尔数，并计算流过所述质量流量控制器的气体体积与气压P和真空系统总容积Vtot的关系为其中TN和PN是正常条件下的温度和气压，T是真空系统容积的温度，估算曲线的斜率就能够确定Vtot＝VS+VR+Vother，其中VS为所述样品腔的容积，VR为所述参考腔的容积，Vother为装置真空系统内的其他区域的容积；
五.开启所述真空泵，并开启所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V，抽出装置内氮气；
六.关闭所述电磁阀IV、电磁阀V，并开启所述储气罐I上的阀门，使得乙炔气体充入所述参考腔，待达到平衡态后关闭所述电磁阀I；
七.开启所述电磁阀V，使得所述参考腔中乙炔气体膨胀进入所述样品腔，待气压平衡后记录所述气压计读数及热偶读数；
八.开启所述真空泵，并开启所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V，抽出装置内乙炔气体；
九.重复上述步骤六至步骤八，直到气压达到500bar，设共重复了N次，记录每一个平衡态气压下的所述气压计读数及热偶读数；
十.计算气体吸附量，以摩尔数表示，气体由所述参考腔膨胀进入所述样品腔后，待气压达到平衡态时，减少的气体摩尔数即被吸收的气体摩尔数；每一个平衡态气压下，通过真实气体定律来计算气体吸附量nads＝ri[VR(r0/ri一1)-VS]+ri-1VS，其中
ri＝Pi/(Z(Ti，Pi)RTi)是气体的摩尔密度、i为1至N的整数，Z(Ti，Pt)是气体在温度Ti和气压Pi条件下的压缩系数，r0是气体膨胀前在参考腔中的摩尔密度，ri是气体在所述样品腔中膨胀并经过样品吸收后的摩尔密度；将所得的每一个平衡态气压下气体吸附量的数据点画在二维图上并连接成曲线，纵坐标为吸附的摩尔数，横坐标为平衡态气压，就得到吸附等温线。
第二种方法步骤为：
一.在装置内无样品情况下，真空系统密封并开启所述真空泵，开启所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V，对装置进行真空脱气；
二.关闭所述电磁阀IV、电磁阀V，并开启所述储气罐II上的阀门，使得高纯氮气充入所述参考腔、样品腔以及装置真空系统内的其他区域，在这个过程中所述质量流量控制器设置一定的参数控制气体流速并记录相关数据；
三.通过所述质量流量控制器的流量数据确定进入装置真空系统的气体摩尔数，并计算流过所述质量流量控制器的气体体积与气压P和真空系统总容积Vtot的关系为其中TN和PN是正常条件下的温度和气压，T是真空系统容积的温度，估算曲线的斜率就能够确定Vtot＝VS+VR+Vother，其中VS为所述样品腔的容积，VR为所述参考腔的容积，Vother为装置真空系统内的其他区域的容积；
四.取待测的样品，经其他装置中以真空加热的方式干燥样品后，测量干燥样品的初始质量m0，接下来在水蒸气环境中使样品变潮湿，测量潮湿的样品质量m1，再将潮湿的样品装入所述样品腔，开启所述真空泵，并开启所述电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、电磁阀V，对装置进行五分钟初步真空脱气；
五.关闭所述电磁阀IV、电磁阀V，并开启所述储气罐I上的阀门，使得乙炔气体充入所述参考腔，待达到平衡态后关闭所述电磁阀I，记录此时所述参考腔的温度T0、以及所述气压计读数；
六.开启所述电磁阀IV使得气体膨胀进入所述样品腔并与样品达到平衡态即没有气体继续吸收，记录此时所述参考腔的温度T1、以及所述气压计读数，通过调节所述恒温槽将温度升高到T2，待达到平衡态后记录此时气压计读数，通过调节所述恒温槽将温度继续升高至T3，待达到平衡态后记录此时气压计读数，使得能够在一个单独的气体注入过程中，T1、T2和T3三个等温线对应的数据点能够同时确定；
七.重复上述步骤五和步骤六，直到所述样品腔的平衡气压达到500bar，设总共进行了N次由所述储气罐I向所述参考腔中充入乙炔气体的操作，即一个完整的充气增压过程；
八.过剩吸附的计算，第i次向所述参考腔中充入乙炔气体的操作后的过剩吸附，通过进入所述样品腔的气体的总质量与占据真空系统容积的气体质量的差值来计算其中i是1到N之间的整数、为第i次向所述参考腔中充入乙炔气体的操作并达到平衡后气压和温度条件下的乙炔的密度，在总共N次向所述参考腔中充入乙炔气体的操作中，从所述参考腔传输进入所述样品腔的乙炔的质量由计算，其中和分别是第i次充入乙炔操作中的充盈期和平衡期时乙炔在所述参考腔内的密度，分别由上述步骤五中和步骤六中测得的气压及温度条件查表得到；
九.对于样品质量进行归一化后的过剩吸附质量
其中m0为样品初始质量、Tj表示T1、T2或T3，得到每个温度条件下的过剩吸附量，即吸附气体的摩尔数其中Mgas是乙炔的摩尔质量；
十.将上述某个温度Tj条件下所得的每一个平衡态气压下气体吸附量的数据，点画在二维图上并连接成曲线，纵坐标为吸附气体的摩尔数，横坐标为平衡态气压，就得到该Tj条件下的吸附等温线，使得能够在一个完整的充入乙炔气体增压过程中，一次性得到多个温度条件下的吸附等温线，而无需多次对样品进行去气操作，从而节省时间。
本发明的有益效果是：
进行第一种测量实验时，能够更精确的确定装置的真空系统容积，减少校准过程中的误差，使用质量流量控制器来测量总的真空系统容积，减小了实验结果的不确定度，也避免使用校准样品。进行第二种测量实验时，与高压吸附测试中使用的传统测压方法不同之处在于乙炔吸附实验中气体的温度是可控的、变化的，由于连续等温线测量需要在每一个单独吸附测试后对样品去气，从而需要较多时间，利用本装置进行测量实验相比于连续等温线测量实验，能够大幅度减少测量时间，装置系统内的含水量在所有温度条件下保持恒定，这使得在系统真空容积足够小的条件下，样品含水量随温度的变化可以忽略不计。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图。
图中，1.储气罐I，2.储气罐II，3.电磁阀I，4.质量流量控制器，5.电磁阀II，6.参考腔，7.电磁阀III，8.气压计，9.热偶，10.电磁阀IV，11.真空泵，12.电磁阀V，13.样品腔，14.恒温槽。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，主要包括储气罐I 1、储气罐II 2、电磁阀I 3、质量流量控制器4、电磁阀II 5、参考腔6、电磁阀III7、气压计8、热偶9、电磁阀IV 10、真空泵11、电磁阀V 12、样品腔13、恒温槽14及气管，所述电磁阀I 3一端通过阀门气管连接于所述储气罐I 1和所述储气罐II 2、另一端依次气管连接所述质量流量控制器4、电磁阀II 5、参考腔6、电磁阀IV 10、真空泵11，所述气压计8通过所述电磁阀III7连接所述参考腔6，所述热偶9连接于所述参考腔6外，所述样品腔13通过所述电磁阀V 12连接所述参考腔6，所述样品腔13用于放置所测试的吸附剂样品，所述储气罐I 1中装有测试用的乙炔气体，所述储气罐II 2中装有高纯氮气，所述气压计8和热偶9分别用于监控所述参考腔6内气体的压强和温度，所述真空泵11用于对装置进行抽真空，所述参考腔6、热偶9、电磁阀V 12、样品腔13位于所述恒温槽14内以保持温度一致并可控，所述质量流量控制器4控制进入所述参考腔6的气体流量速率，能够在0到30 mln/min之间调节，误差±0.2％，所述电磁阀I 3、电磁阀II 5、电磁阀III7、电磁阀IV 10、电磁阀V 12型号均为Burket2400型、且均特殊设计成在开启与关闭之间变化过程中，其内部容积不会产生变化。
所述参考腔6不同位置可以安装多个所述热偶9、并以其读数的平均值来确定气体的温度；装置所测试的吸附剂样品形状为块状或薄膜、且尺寸小于1厘米×1厘米×0.5厘米；所述电磁阀I 3、质量流量控制器4、电磁阀II 5、电磁阀III7、气压计8、热偶9、电磁阀IV10、电磁阀V 12均由计算机控制。
本发明在一个完整的充入乙炔气体增压过程中，无需打开装置的真空系统，因此真空系统中水含量不变，减小了因水含量不同而造成的单独实验的结果的差异。
Claims (4)
1.一种乙炔吸附测量的装置，主要包括储气罐I(1)、储气罐II(2)、电磁阀I(3)、质量流量控制器(4)、电磁阀II(5)、参考腔(6)、电磁阀III(7)、气压计(8)、热偶(9)、电磁阀IV(10)、真空泵(11)、电磁阀V(12)、样品腔(13)、恒温槽(14)及气管，所述电磁阀I(3)一端通过阀门气管连接于所述储气罐I(1)和所述储气罐II(2)、另一端依次气管连接所述质量流量控制器(4)、电磁阀II(5)、参考腔(6)、电磁阀IV(10)、真空泵(11)，所述气压计(8)通过所述电磁阀III(7)连接所述参考腔(6)，所述热偶(9)连接于所述参考腔(6)外，所述样品腔(13)通过所述电磁阀V(12)连接所述参考腔(6)，所述样品腔(13)用于放置所测试的吸附剂样品，所述储气罐I(1)中装有测试用的乙炔气体，所述储气罐II(2)中装有高纯氮气，所述气压计(8)和热偶(9)分别用于监控所述参考腔(6)内气体的压强和温度，所述真空泵(11)用于对装置进行抽真空，其特征是：所述参考腔(6)、热偶(9)、电磁阀V(12)、样品腔(13)位于所述恒温槽(14)内以保持温度一致并可控，所述质量流量控制器(4)控制进入所述参考腔(6)的气体流量速率，能够在0到30mln/min之间调节，误差±0.2％，所述电磁阀I(3)、电磁阀II(5)、电磁阀III(7)、电磁阀IV(10)、电磁阀V(12)型号均为Burket2400型、且均特殊设计成在开启与关闭之间变化过程中，其内部容积不会产生变化。
2.根据权利要求1所述的一种乙炔吸附测量的装置，其特征是：所述参考腔(6)不同位置安装多个所述热偶(9)、并以其读数的平均值来确定气体的温度。
3.根据权利要求1所述的一种乙炔吸附测量的装置，其特征是：装置所测试的吸附剂样品形状为块状或薄膜、且尺寸小于1厘米×1厘米×0.5厘米。
4.根据权利要求1所述的一种乙炔吸附测量的装置，其特征是：所述电磁阀I(3)、质量流量控制器(4)、电磁阀II(5)、电磁阀III(7)、气压计(8)、热偶(9)、电磁阀IV(10)、电磁阀V(12)均由计算机控制。
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