3.5 Методика определения удельной поверхности углеродсодержащих материалов
Определение удельной поверхности углеродсодержащих материалов проводилось по самой современной методике, основанной на теории Брунауера, Эммета и Теллера (БЭТ).
Эта работа была выполнена на полностью автоматизированном приборе-
Sorpty 1750 (рис. 4) для быстрого определения удельной поверхности, работа которого основана на статическом объемном принципе, где учитывается объем известного адсорбированного газа (например, азота).
Рисунок
15- Установка Sorpty
1750
Изменение удельной поверхности
Точное измерение количества газа, адсорбированного твердым телом, позволяет определить удельную площадь поверхности адсорбирующего вещества. Метод основан на экспериментальном определении адсорбции и изотерм десорбции для различных газов типа азота, аргона, криптона, бутана и других.
Если газовая адсорбция измерена в точке кипения газа и при относительно высоких давлениях, результат представляет или полимолекулярное адсорбционное, или капиллярное уплотнение – это фактически удельная площадь поверхности. Закрытая полным слоем молекул, она может иногда адсорбировать второй слой молекул, если силы взаимодействия между адсорбированными молекулами и газовой фазой достаточно сильны.
Чтобы вычислить удельную площадь поверхности адсорбирующего вещества, должен быть определен объем мономолекулярного слоя газа, и должна также быть известна фракция молекул адсорбированного газа.
Наиболее распространенная на сегодня методика, основана на теории Брунауера, Эммета и Теллера (БЭТ).
Теория БЭТ
Упрощенное уравнение относится к полимолекулярной адсорбции:
(1)
где
P - давление равновесной адсорбции;
P0 - давление насыщения адсорбированного вещества на образец в охлаждающей ванне;
Va - объем, адсорбированный в мономолекулярном слое;
С - константа, связанная с адсорбционной энергией;
P/P0 - относительное давление адсорбированного вещества.
В данной системе Vm (объем газа, необходимый для заполнения поверхности мономолекулярным слоем) и С – константа. Уравнение может быть преобразовано как:
(2)
где m и b – это константы:
(3)
(4)
Преобразование уравнения (1) к линейной зависимости типа у = mx + b, где m – угол наклона прямой и b - отрезок прямой ординаты.
При наложении значений P/Va к P/P0 получают прямую линию. Когда угол наклона m и отрезок прямой b известны, может быть рассчитан Vm и площадь поверхности образца.
Чтобы рассчитать удельную поверхность, Vm должен быть преобразован в поверхностные единицы. Преобразование может быть выполнено следующим образом. Число молекул, адсорбированных в 1 мл (Z) определяют, используя число Авогадро:
Площадь, закрытая 1 мл адсорбата (S0) мономолекулярным слоем получается:
(5)
где a - площадь адсорбированных молекул, определяемая как:
где
М - молекулярная масса адсорбированного вещества;
N - число Авогадро;
d - плотность адсорбированного вещества в жидкой фазе.
Если S0 представляет площадь, закрытую 1 мл адсорбированного вещества, Vm соответствует площади:
Если W - вес адсорбирующего вещества, удельная поверхность будет:
Для азота при – 196C, молекулярное сечение – 16,2 A2, отсюда величина S0 – 4,375 m2/мл.