DE102013015342A1 - Dynamic gravimetric method for determining the amount of gases or vapors dissolved in dense or porous solids. - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung der Menge eines Gases oder Dampfes, der in einem dichten oder porösen Feststoff gelöst oder adsorbiert ist durch simultane Messung des scheinbaren Gewichtes des mit Gas beladenen und sich in einem patentgemäßen Arbeitsraum, dem Sorptionsresonator, befindlichen Feststoffes mit Hilfe einer Waage, und der Frequenz kleiner, adiabater Schwingungen eines Probekörpers im Sorptivgas des Sorptionsresonators (Umkehrung des Rüchhardt-Versuchs). Neben der sorbierten Gasmenge kann auch das Volumen des gasbeladenen, starren oder schwellenden Feststoffes im Sorptionsresonator bestimmt werden. Diese Daten werden zur genauen Auslegung und zum Betrieb technischer Sorptionsprozesse benötigt. Beispiele für solche Prozesse sind adsorptive Trenn- und Reinigungsverfahren für Luft und technische Gase, Adsorptions-Kälte- und Wärmepumpenprozesse und Charakterisierungsverfahren für neuartige poröse Stoffe.A method of determining the amount of a gas or vapor dissolved or adsorbed in a dense or porous solid by simultaneously measuring the apparent weight of the gas-laden solid contained in a patented working space, the sorption resonator, by means of a balance, and the Frequency of small, adiabatic vibrations of a specimen in the sorptive gas of the sorption resonator (reversal of the Rüchhardt experiment). In addition to the sorbed gas quantity, the volume of the gas-laden, rigid or swelling solid in the sorption resonator can also be determined. These data are needed for the exact design and operation of technical sorption processes. Examples of such processes are adsorptive separation and purification processes for air and industrial gases, adsorption refrigeration and heat pump processes and characterization processes for novel porous materials.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Messung der Menge von in einem beliebigen Feststoff absorbierten oder auf seiner äußeren oder inneren Oberfläche adsorbierten Gases oder Gasgemisches gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Die Kenntnis dieser etwa auf die Masseneinheit des Feststoffes bezogenen Gasmenge ist notwendig bzw. vorteilhaft, um
- a) Feststoffe zu charakterisieren, d. h. ihre mit der Gaslöslichkeit verbundenen technischen Eigenschaften beurteilen zu können sowie Kenntnisse über ihre möglicherweise vorhandene Porosität bzw. ihr inneres Porensystem zu erlangen und/oder
- b) Basisdaten zur Berechnung und technischen Auslegung adsorptiver Gastrenn- oder Speicherverfahren wie z. B. Luftzerlegungsverfahren, Verfahren zur Rückgewinnung von Lösemitteln oder adsorptive Abluftreinigungsverfahren zur Verfügung zu haben.
- (a) to characterize solids, that is, to assess their gas solubility related technical properties and to obtain knowledge of their potential porosity or intrinsic pore system; and / or
- b) Basic data for the calculation and technical design of adsorptive gas separation or storage processes such. As air separation processes, methods for the recovery of solvents or adsorptive air purification method to have available.
Problemstellung/Stand der TechnikProblem / state of the art
Alle Feststoffe nehmen Gasmoleküle aus ihrer Umgebung auf. Bei dichten Stoffen spricht man von Absorption bzw. Löslichkeit des Gases im Festkörper. Bei oberflächenaktiven und/oder porösen Stoffen wie Aktivkohlen, Zeolithen, porösen Polymeren etc. spricht man von Adsorption des Gases [1–4]. Die Masse des adsorbierten Gases wird als Adsorbatmasse bezeichnet. Die unterschiedlich starke Bindung verschiedener Gasmoleküle an die Moleküle/Atome des Festkörpers (Physisorption, Chemisorption) ist Grundlage für zahlreiche technische Verfahren zur Zerlegung bzw. Reinigung von Gasen, zur Konditionierung des Festkörpers und viele andere mehr [3, 5–8]. Zur technischen Auslegung dieser Verfahren wird in der Regel die Menge des Gases (Adsorptiv) benötigt, die sich in einer vorgegebenen Menge des Feststoffes (Adsorbens) bei bekanntem Druck und Temperatur des Gases löst oder in ihm adsorbiert wird. Diese sog. Adsorbatmasse kann mit den heute bekannten experimentellen Messmethoden noch nicht hypothesenfrei, d. h. nicht ohne zusätzliche Näherungsannahmen bestimmt werden [1]. Auch eine Berechnung durch molekular-statistische Methoden (Probability Density Functional Theory (PDFT)) ist heute nur näherungsweise und nicht exakt möglich [9].All solids absorb gas molecules from their environment. With dense materials one speaks of absorption or solubility of the gas in the solid. In the case of surface-active and / or porous substances such as activated carbons, zeolites, porous polymers, etc., this is referred to as adsorption of the gas [1-4]. The mass of the adsorbed gas is called Adsorbatmasse. The different degrees of binding of different gas molecules to the molecules / atoms of the solid (physisorption, chemisorption) is the basis for numerous technical processes for the decomposition or purification of gases, for the conditioning of the solid, and many others [3, 5-8]. For the technical design of these methods, the amount of gas (adsorptive) is usually required, which dissolves in a predetermined amount of the solid (adsorbent) at a known pressure and temperature of the gas or is adsorbed in it. This so-called. Adsorbatmasse can not yet hypothesis-free with the currently known experimental measurement methods, d. H. can not be determined without additional approximate assumptions [1]. Even a calculation by molecular-statistical methods (Probability Density Functional Theory (PDFT)) is only approximately and not exactly possible today [9].
Eine Ausnahme bildet allerdings das vor Kurzem vom Verfasser in der Patentschrift Az.
Die heute am häufigsten für wissenschaftliche und industrielle Zwecke verwendeten Verfahren zur Bestimmung der Adsorbatmasse, die Volumetrie oder Manometrie und die Gravimetrie [1], benötigen außer der eigentlichen Messung noch die Verwendung mindestens einer Zusatzhypothese. Als solche wird in der Regel die sog. Heliumhypothese verwendet, die besagt, dass Helium bei Raumtemperatur und niedrigem Gasdruck nicht vom betrachteten Stoff adsorbiert wird bzw. die adsorbierte Heliummasse vernachlässigt bzw. gleich Null gesetzt werden kann. Eine ausführliche Darstellung dieser Sachverhalte ist u. a. in [1, 2] und [9] zu finden.The methods most commonly used today for scientific and industrial purposes for the determination of adsorbate mass, volumetry or manometry and gravimetry [1], require the use of at least one additional hypothesis in addition to the actual measurement. As such, the so-called helium hypothesis is generally used, which states that helium is not adsorbed by the considered substance at room temperature and low gas pressure, or that the adsorbed helium mass is neglected or can be set equal to zero. A detailed description of these facts is u. a. in [1, 2] and [9].
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Zur Bestimmung der Masse von in Festkörpern gelösten Gasen, der sog. Adsorbatmasse, ohne weitere Zusatzhypothesen wie z. B. der Heliumhypothese, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das bekannte gravimetrische Messverfahren [1, 2, 6–8] mit einer Vorrichtung zu versehen, die es erlaubt, kleine gedämpfte Schwingmengen des Sorptivgaskörpers zu untersuchen, der das Festkörper-Sorbat-System umgibt und mit ihm im thermodynamischen Gleichgewicht steht. (
Der Sorptionsraum (
Das Steigrohr (
Experimentexperiment
Zur Bestimmung der in einem Festkörper (
Zu Beginn wird eine bekannte Masse (ms) des sorbierenden Festkörpers (
At the beginning, a known mass (m s ) of the sorbent solid (
Danach wird der Sorptionsraum (Volumen (VAC)) (
Die Massenänderungen (Δma) können daher im Rahmen einer Theorie 1. Ordnung (Δx, Δp, ω) als klein von 2. Ordnung vernachlässigt werden. (Dies gilt aber nicht, wenn außer der Adsorbatmasse (ma) auch der Stofftransport Gas-Feststoff betrachtet wird, der z. B. durch einen Diffusionskoeffizienten der adsorbierten Gasmoleküle im porösen Feststoff beschrieben werden kann.)The mass changes (Δm a ) can therefore be neglected in the context of a first-order theory (Δx, Δp, ω) as small of the second order. (This does not apply if, in addition to the adsorbate mass (m a ), the mass transfer gas-solid is also considered, which can be described, for example, by a diffusion coefficient of the adsorbed gas molecules in the porous solid.)
Die Schwingungen des Schwingkörpers (
In diese Formel bedeuten VAC das Volumen des leeren Adsorptionsraums (
Diese Größe ist insbesondere bei durch Sorption schwellenden Sorbentien, etwa porösen Polymeren oder Metallorganischen-Materialien (MOFs) von physikalischem und technischem Interesse.This size is of particular physical and technical interest in sorbent-swelling sorbents, such as porous polymers or organometallic materials (MOFs).
Die Mikrowaage (
Hier bedeutet ρf = ρf(p, T) die Dichte des Sorptivgases [14]. Mit Vas nach Gleichung (4) ergibt sich daher nach (5) für die im Sorbens der Masse (ms) sorbierte Masse Here, ρ f = ρ f (p, T) means the density of the sorptive gas [14]. With V as according to equation (4), therefore, according to (5), the mass sorbed in the sorbent of the mass (m s ) is obtained
Diese Masse kann also mit der in
Literaturliterature
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Fig. 1, Fig. 2
- 1
- Mikrowaage/Magnetschwebewaage
- 2
- Sorptionsraum oder Gasresonator Volumen VAC
- 3
- Steigrohr für Gas im Adsorptionsraum
- 4
- Absperrventil im Steigrohr
- 5
- Ablage für Schwingkörper (
6 ) - 6
- Schwingkörper im Steigrohr (
3 ) - 7
- Auftriebskörper an der Mikrowaage im Sorptivgas
- 8
- Temperaturmessfühler, Thermometer
- 9
- Drucksensoren, Manometer
- 10
- Gasversorgungsleitung
- 11
- Evakuierungsleitung
- 12
- Umwälzpumpe
- 13
- Adsorbiertes Gas oder Adsorbat
- 14
- Poröser Festkörper oder Adsorbens
- 15
- Vakuumpumpe
- 16
- Messgas oder Adsorptiv
- 17
- Magnetkupplung
- 18
- Ventil im Steigrohr
- 19
- Behältnis zur Aufnahme von Adsorbensmaterial
- 1
- Microbalance / magnetic suspension balance
- 2
- Sorption space or gas resonator volume V AC
- 3
- Riser for gas in the adsorption space
- 4
- Shut-off valve in the riser
- 5
- Tray for vibrating body (
6 ) - 6
- Oscillating body in the riser (
3 ) - 7
- Float on the microbalance in the sorptive gas
- 8th
- Temperature sensor, thermometer
- 9
- Pressure sensors, pressure gauges
- 10
- Gas supply line
- 11
- evacuating line
- 12
- circulating pump
- 13
- Adsorbed gas or adsorbate
- 14
- Porous solid or adsorbent
- 15
- vacuum pump
- 16
- Sample gas or adsorptive
- 17
- magnetic coupling
- 18
- Valve in the riser
- 19
- Container for receiving adsorbent material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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