CN109799176B - 一种精确测量气体在多孔材料孔道内吸附的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了挥发性有机物(VOCs)在多孔材料孔道内吸附的精细分析方法。当吸附剂对气体吸附质吸附饱和后，采用原位迅速液氮冷冻法，将吸附相转为固相，然后进行吸附材料孔隙度分析，通过与纯吸附材料孔径分布对比，可精确分析气体吸附质在材料孔道内吸附的分布情况。本发明采用活性炭为吸附剂，进行甲苯浓度为100～10000ppm的动态穿透测试，并分析饱和后的孔径分布情况。结果表明，随着浓度增高，甲苯完全填充的孔由1.0nm增至1.3nm，除此之外，未完全填充的孔仍然贡献了45％以上的吸附容量。该分析方法在环境保护、化学化工等领域大气污染物控制技术方面有较大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于多孔材料、吸附材料、碳材料的吸附分析技术领域，涉及化学化工和环境保护行业中多种大气污染物在吸附材料中吸附状态的分析方法。
背景技术
化工和环保领域中，气相吸附，如化工里的有机气体分离和环保中的大气污染物吸附去除，一直是关注热点。在吸附过程中，确定适合特定吸附质吸附的孔一直是研究者们探究的难点。一直以来，研究者大多通过比较饱和吸附量和某一部分孔容的相关性来确定适合吸附的孔径，然而这种分析方法不够精确，需要一种更为精确的分析方法，做出精确分析。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种吸附质在孔内分布情况的分析方法，在吸附剂对吸附质吸附饱和后，迅速采用液氮冷冻法，将吸附相转为固相，并进行孔隙度分析，确定吸附质在吸附剂孔里的分布情况。吸附剂所有的孔均对气体吸附质有吸附作用，随着气体吸附质浓度增高，吸附质完全填充的孔逐渐增多，并且未完全填充的孔仍然贡献了很大部分的吸附容量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是采用活性炭为吸附剂，进行甲苯浓度为100～10000ppm的动态穿透测试，并分析活性炭吸附饱和后的孔径分布情况。
本发明还提供了所述气体吸附质在孔内分布情况的分析方法，包括如下步骤：
(1)将脱气吸附剂放入固定床，进行气体吸附；
(2)吸附平衡后，将饱和吸附剂转入N2吸脱附测试管，并将所述测试管放入液氮中冷冻；
(3)将步骤(2)所得测试管载入物理吸附仪，进行N2吸脱附测试，并基于非定域密度泛函理论进行孔隙度分析。
所述步骤(1)中，吸附剂包括活性炭、多孔硅、分子筛、粘土吸附剂、金属有机框架、多孔聚合物。
所述步骤(1)中，吸附质包括所有熔点不低于-195℃的物质。
所述步骤(1)中，吸附质体积浓度不受限定。
所述步骤(1)中，吸附温度不受限定。
所述步骤(1)中，气流空速不受限定。
所述步骤(2)中，开始转入N2吸脱附测试管至开始液氮冷冻的时间间隔小于10s。
所述步骤(2)中，液氮冷冻的时间长度为1s以上。
该分析方法可用于环境保护、化学化工等领域大气污染物控制技术方面，包括VOCs治理，脱硫脱硝治理和CO2捕集储存。
具体的动态吸附穿透测试气氛为100mL/min的含100、1000、10000ppm甲苯浓度的氮气流和10000ppm正丁烷浓度的氮气流，空速为60000mL/(gh)，温度为25℃；静态N2吸脱附测试中，测试温度为-195.8℃。
本发明的有益效果：本发明的分析方法可以精确分析吸附质在吸附剂孔内的分布情况，在环境保护、化学化工等领域大气污染物控制技术方面有较大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明方法中随着活性炭在不同甲苯浓度下吸附饱和后，活性炭孔径分布的变化趋势图。该曲线是对氮气吸脱附曲线进行非定域密度泛函理论(NLDFT)计算所得。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
将0.1g的脱气活性炭放入固定床，在25℃下，通入100mL/min含100ppm甲苯的氮气流，等待活性炭吸附饱和。5s内将饱和活性炭转入N2吸脱附测试管，并立即将管放入液氮中，冷冻保持5min。将上述所得测试管装入物理吸附仪，进行N2吸脱附测试，并进行孔隙度分析。
100ppm甲苯吸附饱和后，活性炭的比表面积由2272m2/g下降至1540m2/g。孔径分布可由摘要附图精确分析，1.0nm以下的孔被甲苯完全填充，1.0-3.0nm的孔被部分填充，且后者对总吸附量的贡献为49％。
实施例2
重复实施例1，将含100ppm甲苯的氮气流改为含1000ppm甲苯的氮气流。
1000ppm甲苯吸附饱和后，活性炭的比表面积由2272m2/g下降至963m2/g。孔径分布可由摘要附图精确分析，1.2nm以下的孔被甲苯完全填充，1.2-4.0nm的孔被部分填充，且后者对总吸附量的贡献为70％。
实施例3
重复实施例1，将含100ppm甲苯的氮气流改为含10000ppm甲苯的氮气流。
10000ppm甲苯吸附饱和后，活性炭的比表面积由2272m2/g下降至122m2/g。孔径分布可由摘要附图精确分析，1.3nm以下的孔被甲苯完全填充，1.3-5.0nm的孔被部分填充，且后者对总吸附量的贡献为77％。
实施例4
重复实施例3，将含10000ppm甲苯的氮气流改为含10000ppm正丁烷的氮气流。
10000ppm正丁烷吸附饱和后，活性炭的比表面积由2272m2/g下降至1750m2/g。孔径分布可由摘要附图精确分析，1.0nm以下的孔被甲苯完全填充，1.0-3.0nm的孔被部分填充，且后者对总吸附量的贡献为52％。
本发明测试结果表明，随着甲苯浓度由100ppm增至10000ppm，甲苯完全填充的孔由1.0nm增至1.3nm，除此之外，未完全填充的孔仍然贡献了45％以上的吸附容量。
上述实施例详细说明本发明的方法，但本发明并不局限于上述详细方法及特定吸附质。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种气体吸附质在多孔材料孔内分布情况的分析方法，其特征在于，吸附剂对气体吸附质吸附饱和后，采用原位迅速液氮冷冻法，将吸附相转为固相，并进行孔隙度分析；具体包括如下步骤：
(1)将脱气吸附剂放入固定床，进行气体吸附；
(2)吸附平衡后，将饱和吸附剂转入N2吸脱附测试管，并将所述测试管放入液氮中冷冻；
(3)将步骤(2)所得测试管载入物理吸附仪，进行N2吸脱附测试，并基于非定域密度泛函理论进行孔隙度分析。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中，吸附剂包括活性炭、多孔硅、分子筛、粘土吸附剂、金属有机框架、多孔聚合物。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述气体吸附质包括所有熔点不低于-195℃的物质。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述气体吸附质体积浓度不受限定。
5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述进行气体吸附的温度不受限定。
6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述气体吸附的气流空速不受限定。
7.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述转入N2吸脱附测试管至将所述测试管放入液氮中冷冻的时间间隔小于10s。
8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述液氮中冷冻时间大于1s。
9.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，该分析方法用于环境保护、化学化工领域大气污染物控制技术，包括VOCs治理，脱硫脱硝治理和CO2捕集储存。
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