Лабораторная работа № 1 Определение удельной поверхности адсорбентов методом тепловой десорбции азота

Цель работы: определить удельную поверхность пористого тела методом тепловой десорбции азота

Приборы и реактивы: установка для определения удельной поверхности методом тепловой десорбции азота (1 шт.); сосуд Дьюара (2 шт.); газовые баллоны с азотом и аргоном; шприц на 1 мл (1 шт.); стакан емкостью 200 мл (1 шт.); дистиллированная вода; адсорбенты.

Сущность метода тепловой десорбции азота (аргона)

Смесь адсорбата с газом – носителем постоянного состава пропускают через адсорбер с адсорбентом при температуре жидкого азота до установления адсорбционного равновесия. Затем повышением температуры десорбируют поглощенный адсорбат в поток этой смеси. Изменение концентрации смеси при адсорбции и десорбции регистрируется катарометром и записывается на диаграмме самопишущего прибора в виде пиков, направленных в противоположные стороны по отношению к нулевой линии. Принцип действия катарометра основан на зависимости теплоотдачи нагретых нитей (платиновых или вольфрамовых) от состава омывающей их газовой смеси. Чувствительные элементы являются плечами неуравновешенного моста Уитсона. Они размещены по оси камер, через которые проходит анализируемый газ.

При изменении состава газа изменяется его теплопроводность, что приводит к изменению температуры, и, следовательно, сопротивления нитей металла. Это нарушает электрическое равновесие моста, и разность напряжений, возникающая в его диагонали, записывается при помощи автоматически пишущего потенциометра. Площади пиков пропорциональны величинам адсорбции и десорбции.

Для измерения количества адсорбированнного и десорбированного газа используется газохроматографическая аппаратура (рис. 1). Два газа: гелий (носитель) и азот (адсорбат) поступают из баллонов 1 и 2, через фильтры 3 с определенной скоростью в смеситель 13. Скорость газовых потоков регулируется при помощи водяных моностатов 7 и измеряется реометрами 4. После реометров газы через осушительные колонки 5, заполненные цеолитами, при помощи трехходовых кранов 6 направляют в смеситель 13. Затем газовая смесь определенного состава поступает в ловушку 8, погруженную во время измерений в сосуд Дьюара с жидким азотом. В ловушке замораживаются оставшиеся пары воды и примесей посторонних газов. Очищенная смесь газов далее поступает в сравнительную камеру детектора по теплопроводности (катарометра) 9 и затем в систему адсорберов 10, которые можно соединить между собой или изолировать от газового потока при помощи четырхходовых кранов 11. Далее газовая смесь поступает в измерительную камеру катарометра 9 и, пройдя через пенный измеритель потока 12, выходит из установки. Сигнал детектора поступает на потенциометр 14.

При комнатной температуре оба газа практически не адсорбируются, поэтому через обе камеры катарометра протекает газовая смесь одинакового состава; так что мост Уитсона уравновешен и перо самописца потенциометра пишет нулевую линию.

После установления постоянной скорости потока газовой смеси один из адсорберов погружают в сосуд Дьюара с жидким азотом (остальные адсорберы при этом отключены). Из газовой смеси начинает адсорбироваться азот. В процессе адсорбции азота меняется состав выходящего газа, а, следовательно, его теплопроводность. Равновесие моста Уитсона нарушается, и перо самописца отклоняется от нулевой линии. После установления адсорбционного равновесия, соответствующего данной концентрации азота в поступающей в адсорбер газовой смеси, из адсорбера снова выходит газовая смесь исходного состава и перо самописца возвращается на нулевую линию.

Рис. 1. Установка для определения удельной поверхности методом тепловой десорбции азота: 1, 2 – баллоны с газом – носителем (гелий) и адсорбатом (азот); 3 – фильтры; 4 – реометры; 5 – осушительные колонки; 6 – трехходовые краны; 7 – моностат; 8 – ловушка; 9 – катарометр; 10 – адсорберы; 11 – четерыхходовые краны; 12 – пенный измеритель потоков; 13 – смеситель, 14 – потенциометр.

Для проведения десорбции азота с адсорбера убирается сосуд Дьюара с жидким азотом, адсорбер нагревается до комнатной температуры и состав выходящей из адсорбера газовой смеси вновь начинает меняться. Перо самописца отклоняется в противоположную сторону. Когда десорбция азота закончится, из адсорбера будет выходить газовая смесь исходного состава и перо самописца вновь возвратится на нулевую линию.

На ленте самописца записываются два пика – адсорбционный и десорбционный. Площади пиков пропорциональны количеству азота, адсорбированному при температуре жидкого азота, а это количество, в свою очередь, пропорционально общей поверхности адсорбента. Расчет количество адсорбата обычно ведут по десорбционным пикам, так как десорбция происходит при более высокой температуре и поэтому значительно быстрее, чем адсорбция. Поэтому десорбционный пик более симметричен, чем адсорбционный.

Величина адсорбции зависит также от парциального давления азота в смеси. Каждому опыту, проведенному при определенном парциальном давлении адсорбата в смеси, соответствует одна точка изотермы адсорбции. Концентрация адсорбата в газовой смеси регулируется соотношением скоростей двух потоков: газа – носителя и адсорбата. Для определения удельной поверхности методом БЭТ необходимо провести измерения при 3- 4 различных парциальных давлениях азота.

Скорость потока газовой смеси должна быть постоянной. Чем выше скорость, тем ниже чувствительность катарометра. Обычно скорость потока газовой смеси устанавливают от 10 до 60 мл/мин.

Навеску адсорбента выбирают так, чтобы перо самописца отклонялось примерно на половину всей шкалы. Поэтому количество адсорбента для определения удельной поверхности выбирают в зависимости от его удельной поверхности (табл. 1).

Таблица 1

Оптимальные навески образцов

№	Удельная поверхность, м2/г	Навеска образца, г	Поверхность навески, м2
1	0,01 – 0,10	20 – 5	0,2 –0,5
2	0,10 – 10,0	5 – 0,2	0,5 – 2,0
3	10 – 200	0,2 –0,025	2,0 –5,0
4	> 200	не менее 0,02	> 5