способ определения адсорбционной способности твердых тел

Формула изобретения

Способ определения адсорбционной способности твердых тел, включающий непрерывное пропускание адсорбата через колонку с адсорбентом, детектирование дифференциальным тепловым детектором, получение фронтальных хроматограмм и расчет величины адсорбции по площади, заключенной между концентрационными фронтами адсорбента и неадсорбирующегося газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерений, расширения рабочего диапазона концентраций и уменьшения эффекта "мертвого" объема, пропускание адсорбата через колонку с адсорбентом проводят в вакууме с делением потока паров адсорбата на выходе колонки перед указанным детектором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области физико-химического применения газохроматографии, в частности, к методам определения адсорбционной способности твердых материалов, используемой при расчете структурных параметров поверхности твердых материалов, а также в керамической промышленности при определении параметров пористой структуры сырьевых материалов и готовой продукции и в производстве твердых полимерных материалов.

Известен метод тепловой десорбции, который предусматривает дозированный напуск адсорбата в поток газа-носителя, проходящего через колонку с исследуемым веществом, и определение величины адсорбции по количеству адсорбата, выделенному с поверхности адсорбента при его нагревании [1]

Недостатками этого способа являются невысокие точность измерений и чувствительность, которые обусловлены наличием скачков давления, возникающих при тепловой десорбции и вызывающих появление паразитных сигналов.

Наиболее близок к заявляемому способ газохроматографического определения величин адсорбции, по которым в свою очередь строят изотермы адсорбции (метод Шая), принятый за прототип [2]

Способ по прототипу заключается в непрерывном пропускании адсорбата в смеси с газом-носителем через колонку с исследуемым веществом и определении величины адсорбции по площади, заключенной между концентрационными фронтами адсорбата и неадсорбирующегося газа. По величине адсорбции, соответствующей парциальному давлению адсорбата, строят изотермы, по которым и рассчитывают структурные параметры поверхности твердых тел: удельную поверхность, сорбционный объем, эффективный радиус пор.

Недостатками прототипа являются:

1. Невозможность построения полной изотермы адсорбции, т.е. на всем интервале концентраций адсорбата (0-10 об.), обусловленная ограниченным рабочим диапазоном универсального детектора газов по теплопроводности - катарометра.

2. Невозможность точного определения параметров поверхности по парам летучих жидкостей (вода, органические растворители), т.к. при этом значительно возрастают эффект "мертвого" объема и диффузионное размывание фронтов газа и адсорбата.

Цель настоящего изобретения повышение точности и чувствительности измерений, расширение рабочего диапазона концентраций адсорбата, снижение влияния "мертвого" объема.

Вышеуказанная цель достигается тем, что процесс проводится в вакууме с делением потока паров адсорбента перед детектором через обводную линию.

Описываемый способ также включает в себя непрерывное пропускание адсорбата через колонку с адсорбентом, получение фронтальных хроматограмм и определение величины адсорбции по площади, заключенной между концентрационными фронтами.

Осуществление процесса в вакууме обеспечивает увеличение длины свободного пробега молекул адсорбата, сокращает время удерживания на стенках соединительных линий и рабочих сосудов, что существенно уменьшает влияние "мертвых" объемов, а значит и величину фоновых сигналов детектора. Использование обводной линии, уменьшающей максимальную концентрацию адсорбата в функциональном объеме до 50 об. делает доступным для исследования весь диапазон используемых концентраций (рабочий диапазон катарометра лежит в области от 1 до 50 об.).

При проведении поиска не обнаружено технических решений, которые при определении адсорбционной способности твердых тел предусматривали бы пропускание паров адсорбата через колонку с адсорбентом в вакууме с делением потока перед детектором через обводную линию. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявленного способа с другими в данной области техники позволило выявить признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что дает право сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена схема установки для определения адсорбционной способности твердых тел.

Установка включает вакуумный насос 1, буферные емкости 2 и 4, запорный кран 3, мановакуумметр 5, натекатель 6, вакуумный кран 7, хроматографическую колонку 8, кран 9, кран-натекатель 10, емкость с жидким адсорбатом 11, термостат 12, катарометр 13, обводную линию 14 (для обеспечения разделения потока на два в соотношении 1:1), байпасную линию 15, поглотители 16 и 17, погруженные в сосуды Дьюара 18 и 19 с жидким азотом.

Примеры осуществления способа:

Пример 1.

Исследуемый образец силикагель ШСК в виде навески 0,05 г при t 20^oC помещают в колонку 8, адсорбат Н₂O в емкость 11 и всю установку вакуумируют до остаточного давления 0,1-100 Па.

Устанавливают начальное давление паров воды 200 Па с помощью крана-натекателя 10 и байпасной линии 15. Получают фронтальную хроматограмму для этого значения давления паров адсорбата (фиг. 2). Затем повторяют эту операцию для промежуточных значений давления вплоть до максимального с шагом 200 Па.

Используя фронтальные хроматограммы для каждого значения давления паров адсорбата, строят изотерму адсорбации, по которой методом БЭТ (Брунауэра, Эмметта и Теллера) определяют основные параметры пористой структуры адсорбента: удельную поверхность S_уд, сорбционный объем V_s, эффективный радиус пор r_эф.

В примере 1 получены следующие значения:

S_уд 220 м²/г; V_s 1,02 см³/г;

Пример 2.

Осуществляют те же действия и в той же последовательности, что и в примере 1, но в качестве исследуемого образца взят активированный уголь СКТ массой 0,03 г при t -196^oС, при использовании в качестве адсорбента N₂.

Значения полученных параметров:

S_уд 950 м²/г; V_s 1,02 см³/г;

Пример 3.

Осуществляют те же действия и в той же последовательности, что и в примере 1, но в качестве исследуемого образца взят обожженный каолин массой 0,3 г при t 1380^oC; адсорбат N₂.

Значения полученных параметров:

S_уд 0,08 м²/г; V_s 0,03 см³/г;

Использование данного способа определения адсорбционной способности твердых тел дает возможность расширения рабочего диапазона концентраций паров адсорбата и достоверного вычисления параметров пористой структуры материалов, обладающих низкой пористостью и малой удельной поверхностью (до 0,001 м²/г) с относительной погрешностью не более 1%