RU205603U1 - Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ - Google Patents

Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ Download PDF

Info

Publication number
RU205603U1
RU205603U1 RU2021106698U RU2021106698U RU205603U1 RU 205603 U1 RU205603 U1 RU 205603U1 RU 2021106698 U RU2021106698 U RU 2021106698U RU 2021106698 U RU2021106698 U RU 2021106698U RU 205603 U1 RU205603 U1 RU 205603U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
adsorption
cuvette
measuring
substances
Prior art date
Application number
RU2021106698U
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Александрович Паукштис
Юрий Александрович Чесалов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН)
Priority to RU2021106698U priority Critical patent/RU205603U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU205603U1 publication Critical patent/RU205603U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/0317High pressure cuvettes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/0332Cuvette constructions with temperature control
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области физической химии, конкретно к устройствам и методам определения поверхностных свойств веществ, и может быть использована в инфракрасной спектроскопии для определения термодинамических параметров адсорбции широкого круга веществ. Предложено устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ, которое включает источник излучения, кюветное отделение, высокотемпературную кювету и приемник инфракрасного излучения, при этом высокотемпературная кювета в верхней части содержит элемент Пельтье, позволяющий регулировать и поддерживать постоянным давление паров адсорбата. Технический результат - ускорение процедуры установления равновесного давления. 3 фиг., 1 табл.

Description

Полезная модель относится к области физической химии, конкретно к устройствам и методам определения поверхностных свойств веществ, и может быть использована в инфракрасной спектроскопии для определения термодинамических параметров адсорбции широкого круга веществ.
Известны методы определения поверхностных свойств высокодисперсных неорганических материалов на основе измерения колебательных спектров адсорбированных молекул [Литтл Л. Инфракрасные спектры адсорбированных молекул. - М., Мир. – 1969. - 513с.] с помощью приборов, включающих источник инфракрасного излучения, кюветное отделение и приемник излучения. Определение свойств поверхности веществ заключается в пропускании инфракрасного излучения через образец, записи интенсивности прошедшего через образец излучения приемником инфракрасного излучения представленного в виде ИК-спектров и анализе записанных спектров. Спецификой этих методов является особая предподготовка изучаемых неорганических веществ – адсорбентов, заключающаяся в прокаливании в заданной атмосфере или в потоке газов известного состава или в вакууме с использованием специальных кювет, исключающих контакт с атмосферой. В настоящее время существует большое количество кювет [Патент US 3478206, G01N 23/12, 11.11.1969; патент US 5949536, G01N 21/05, 07.09.1999; патент US 5003174, G01N 21/05, 26.03.1991; патент US 5519220, G01N 21/35, 21.05.1996; патент US 4602869, G01N 21/55, 29.07.1986; патент US 5594546, C12N 1/06, 14.01.1997; патент RU 4828, G01N 13/00, 16.08.1997], позволяющих производить измерение спектров при повышенных температурах и давлениях различными методиками, в том числе методикой пропускания, диффузного отражения, методикой нарушенного полного внутреннего отражения. Ввод адсорбируемых веществ может быть осуществлен различными способами: через пропускание смеси газов с известной концентрацией адсорбируемого вещества, с помощью специальной вакуумной установки импульсами/дозами с известным количеством адсорбируемого вещества или известными порциями жидких адсорбатов, микрошприцами.
Недостатком таких методов является невозможность дифференцировать свойства адсорбированных комплексов, если их колебательные спектры мало отличались между собой.
Преодоление этого недостатка возможно при измерении не только спектров, но и термодинамических характеристик, в том числе энтальпии
Figure 00000001
и энтропии (ΔS)
Figure 00000002
реакции взаимодействия вещества с поверхностью [Паукштис Е.А. Применение ИК-спектроскопии в гетерогенном кислотно-основном катализе. - Новосибирск, Наука. - 256 с.]. Измерение этих характеристик возможно на основании уравнения 1, из зависимостей величины адсорбции от давления и температуры. Адсорбционная константа - K (уравнение 2) дает возможность из зависимости K от температуры найти энтальпию комплексообразования и далее энтропию адсорбции, в соответствие с уравнением 3.
Figure 00000003
(1)
Figure 00000004
(2)
Figure 00000005
(3)
В случае неоднородной поверхности энтальпия адсорбции определяется из зависимости Ln (давления) от обратной температуры при одинаковом заполнении центров, то есть при постоянной концентрации адсорбированных молекул. Когда измерения выполняются инфракрасными спектрами (ИКС), полагается, что одинаковая интенсивность аналитической полосы в спектре означает одинаковую поверхностную концентрацию адсорбированных молекул.
Существующая кюветная техника, без сомнения, позволяет проводить такие измерения. Недостатком существующих кювет является трудоемкость точного управления давлением адсорбата в кювете. В кювету несложно подать адсорбат при заданном значении давления. Однако, при изменении температуры образца, часть адсорбата будет десорбироваться с образца, и давление будет изменяться, следовательно, при любом изменении температуры, необходимо напускать свежую порцию адсорбата с тем, чтобы стабилизировать давление.
Наиболее близким техническим решением является устройство для низкотемпературной фотоэмиссионной спектроскопии [KR 20180115150 A, G01N 21/03, 21.10.2018], недостатком которого является невозможность точно регулировать и стабилизировать давление паров адсорбирующегося вещества в кювете, сложность и длительность этой процедуры.
Известно, что давление паров вещества в равновесных условиях, независимо от объема и градиентов температуры по всему объему аппаратуры можно регулировать температурой сосуда, в котором находится это вещество. В литературе [Справочник химика 21, с.44.] можно найти данные по давлению паров пиридина в интервале температуры от -42оС до +15оС. В таблице представлена зависимость давления насыщенных паров пиридина от температуры.
Таблица
Температура, °С -41,6 -40 -30 -20 -10 -5 0 10 15
Давление, мм рт.ст. 0,11 0,131 0,363 0,912 2,05 2,96 4,29 8,38 11,42
На основании этой таблицы в кювете возможно стабилизировать давление пиридина в области давлений от 11 до 0,11 мм рт.ст., что достаточно для использования уравнений 1-3. Аналогичные зависимости давлений паров от температуры можно найти для других адсорбатов, в том числе метанола, уксусной кислоты, хлороформа.
Для проточных кювет, газ-носитель (гелий, водород, аргон, азот) можно пропускать через ампулу, охлажденную до заданной температуры, как это принято в адсорбционных измерениях. Однако это обязательно приведет к большому расходу вещества и необходимости систем улавливания от паров. В статических кюветах расходы вещества небольшие, но требуется избегать больших расстояний и узких трубок между адсорбентом (исследуемым образцом) и ампулой с адсорбатом.
Элемент Пельтье позволяет понижать на своей поверхности температуру на 70оС относительно окружающей среды и имеет небольшие габариты (например? элементы ТЕС1-12715 или ТЕС1-12706 имеют габариты 40 х 40 х 3,8 мм).
Задачей заявляемого технического решения является разработка устройства для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ на поверхности, повышающего точность измерений.
Техническим результатом предлагаемого устройства является ускорение процедуры установления равновесного давления.
Задача решается с помощью устройства для измерения характеристик адсорбции органических и неорганических веществ, которое включает источник излучения, высокотемпературную кювету и приемник излучения, при этом высокотемпературная кювета в верхней части содержит элемент Пельтье, а в нижней части – нагреватель.
Элемент Пельтье позволяет регулировать и поддерживать постоянным давление паров адсорбата, а нагреватель служит для нагрева образца до температуры 550-600оС.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурой 1, на которой изображена высокотемпературная кювета с элементом Пельтье, где 1 – элемент Пельтье, 2 - загрузочный вход в кювету, 3 - устройство для ввода адсорбата микрошприцем, 4 - окна для пропускания ИК-излучения, 5 – термопарный карман, 6 – опорная пластина, 7 – герметик для соединения элемента Пельтье с опорной плитой и корпусом кюветы, 8 – корпус высокотемпературной кюветы , 9 – нагреватель.
На фигуре 2 представлена общая схема устройства с высокотомпературной кюветой с элементом Пельтье, где 10 - корпус спектрометра, 11 – источник излучения, 12 - кюветное отделение, 13 - приемник излучения, 14 – высокотемпературная кювета с образцом.
Корпус высокотемпературной кюветы (8) имеет Т-образную форму. Элемент Пельтье (1) закрепляют в верхней части высокотемпературной кюветы высокотемпературным герметиком (7), работающим в диапазоне от -70 до +25оС, а лучше от -80 до + 35оС или от -100 до + 45оС, на опорную пластину (6), изготовленную из теплопроводящего металла. Толщина опорной пластины (6), которая используется для предотвращения разрушения элемента Пельтье (1) под действием перепада давления в высокотемпературной кювете и внешней среде, варьируется в диапазоне 3-15 мм, лучше 4-10 мм и оптимально 5-6 мм. В опорной пластине (6) имеются сквозные отверстия диаметром 1.5-2 мм в количестве от 50 до 100 или диаметром 1 мм в количестве 100-200 в радиусе 10-18 мм от центра пластины, предназначенные для обеспечения контакта элемента Пельтье с газами, находящимися в высокотемпературной кювете. На опорной пластине размещают термопарный карман (5) диаметром 2-3 мм для помещения измерительной термомары. В нижней части высокотемпературной кюветы помещают нагреватель (9), позволяющий нагревать образец до температуры 550-600оС. В нижней части высокотемпературной кюветы также располагают окна для пропускания ИК- излучения (4) из монокристаллов ZnS, ZnSe, KBr, NaCl, CaF2, BaF2 или стекла KRS-5. Для загрузки образцов используют загрузочный вход в высокотемпературную кювету (2), который позволяет производить соединение высокотемпературной кюветы с установкой и изолировать объем высокотемпературной кюветы от атмосферы. Устройство для ввода адсорбата микрошприцем (3) используется для введения дозы адсорбата в высокотемпературную кювету после окончания предварительной обработки.
Устройство работает следующим образом.
Высокотемпературную кювету (14), содержащую образец, предварительно прокаленный в заданных условиях (атмосфера, давление, температура), помещают в кюветное отделение (12). В соответствии с инструкцией включают спектрометр (10) и при заданной температуре снимают ИК-спектр исследуемого образца. Элементом Пельтье задают температуру опорной пластины (6). Микрошприцем напускают порцию адсорбата и через 10-15 минут, необходимых для установления равновесного давления, снимают спектр адсорбированного соединения. При заданной температуре опорной пластины снимают ИК-спектры при повышении температуры образца ступенями по 10-15 градусов до 550оС. Далее процедуру повторяют при другой температуре опорной пластины. Циклы нагрева повторяют не менее 3 раз.
На фиг.3 показаны ИК-спектры пиридина, адсорбированного на цеолите структуры ZSM-5 (отношение Si/Al= 120), при давлении 0,12 мм рт.ст. и температурах 160 и 300оС. Видно, что при повышении температуры интенсивность полосы поглощения 1538 см-1, относящейся к ионам пиридина, снижается более чем в 3 раза.

Claims (1)

  1. Устройство для измерения характеристик адсорбции органических и неорганических веществ, включающее источник излучения, высокотемпературную кювету и приемник излучения, при этом высокотемпературная кювета в верхней части содержит элемент Пельтье, а в нижней части - нагреватель.
RU2021106698U 2021-03-16 2021-03-16 Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ RU205603U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106698U RU205603U1 (ru) 2021-03-16 2021-03-16 Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106698U RU205603U1 (ru) 2021-03-16 2021-03-16 Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU205603U1 true RU205603U1 (ru) 2021-07-23

Family

ID=76995452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021106698U RU205603U1 (ru) 2021-03-16 2021-03-16 Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU205603U1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2844805A1 (de) * 1978-10-11 1980-04-24 Lange Gmbh Dr Bruno Vorrichtung zur thermostatisierung von proben in photometern
US5519220A (en) * 1994-06-28 1996-05-21 Janos Technology Inc. FTIR chemical reaction monitor
DE10050416A1 (de) * 2000-10-12 2002-04-18 Bodo Fuhrmann Durchflußmeßzelle zur selektiven, empfindlichen und langzeitstabilen Chemilumineszenzdetektion von Wasserstoffperoxid
CN103411892A (zh) * 2013-07-17 2013-11-27 天津师范大学 利用有机物裂解使元素形成挥发物的分析进样装置和方法
KR20180115150A (ko) * 2017-04-12 2018-10-22 포항공과대학교 산학협력단 저온분광실험장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2844805A1 (de) * 1978-10-11 1980-04-24 Lange Gmbh Dr Bruno Vorrichtung zur thermostatisierung von proben in photometern
US5519220A (en) * 1994-06-28 1996-05-21 Janos Technology Inc. FTIR chemical reaction monitor
DE10050416A1 (de) * 2000-10-12 2002-04-18 Bodo Fuhrmann Durchflußmeßzelle zur selektiven, empfindlichen und langzeitstabilen Chemilumineszenzdetektion von Wasserstoffperoxid
CN103411892A (zh) * 2013-07-17 2013-11-27 天津师范大学 利用有机物裂解使元素形成挥发物的分析进样装置和方法
KR20180115150A (ko) * 2017-04-12 2018-10-22 포항공과대학교 산학협력단 저온분광실험장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Paynter et al. New method of analysis based on room-temperature phosphorescence
Wang et al. Design and characterization of a smog chamber for studying gas-phase chemical mechanisms and aerosol formation
CN103105366A (zh) Co2碳同位素红外光谱检测方法及装置
CN113358798B (zh) 热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法
RU205603U1 (ru) Устройство для измерения термодинамических характеристик адсорбции органических и неорганических веществ
Dinh et al. Room temperature phosphorimetry as a new spectrochemical method of analysis
Jin et al. A contribution to common Carius tube distillation techniques
CN202041512U (zh) 一种分析装置
Barth et al. Determination of acid sites on solid catalysts by ammonia gas adsorption
JP2007508551A (ja) 検体をイオンモビリティスペクトロメーターの中に導入するための方法およびシステム
US5337619A (en) Radiant energy sample heating and temperature control
Banas et al. Combining macroscopic and microscopic diffusion studies in zeolites using NMR techniques
Weber et al. Microwave Spectroscopic Investigation of the Kinetics of the Heterogeneous Ammonia‐Deuterium Exchange
Przyk et al. Use of porous glass and silica gel as support media of a surface compound for generation of analytes in gaseous standard mixtures. New method for the determination of the amount of analyte generated
Prokopowicz et al. Quartz rod coated with modified silica gel as a source of CO and CO2 for standard gaseous mixtures
RU2302630C1 (ru) Капиллярный газовый хроматограф для анализа органических и неорганических веществ
Konieczka et al. Thermal decomposition of silica based surface compounds as a source of volatile standards. A new approach to the generation of gaseous calibration mixtures
Lai et al. Piezoelectric quartz crystal detection of ammonia using pyridoxine hydrochloride supported on a polyethoxylate matrix
Frantz et al. Hydrothermal reactions involving equilibrium between minerals and mixed volatiles: 1. Techniques for experimentally loading and analyzing gases and their application to synthetic fluid inclusions
RU2648018C1 (ru) Способ определения концентрации стирола в атмосферном воздухе методом высокоэффективной жидкостной хроматографии
Coudert et al. Atomic absorption spectrometry for direct determination of metals in powders
CN206420760U (zh) 一种用于动态吸收光谱采集的样品池
Han et al. Reliable determination of oxygen and hydrogen isotope ratios in atmospheric water vapour adsorbed on 3A molecular sieve
Milligan et al. Precision Multiple Sorption-Desorption Apparatus
US20240142374A1 (en) Gas Flow Chamber Device and Method of ATR Infrared Spectroscopy for Monitoring Chemical Reactions in Controlled Environments