Описание прибора СОРБТОМЕТР-2.0

Цель работы

Целью лабораторной работыявляется приобретение навыков по определению такой текстурной характеристики дисперсных и пористых материалов как удельная поверхность при использовании метода низко­температурной десорбции аргона на анализаторе СОРБТОМЕТР-2.0.

Приборы и материалы

1. Прибор СОРБТОМЕТР-2.0 (рисунок 7);

2. Жидкий азот для охлаждения адсорбера и ловушки (ГОСТ 9293-74);

3. Твердофазные матрицы:

- ГСО 7912-2001 – эталонный образец с удельной поверхностью 2,82 м²/г;

- ГСО 7912-2001 – эталонный образец с удельной поверхностью 111 м²/г;

- силохром марки С-120 (ТУ 6-09-17-48-82);

- силикагель марки ШСКГ (ГОСТ 3956-76);

- глинозем (ГОСТ 6912.2-93);

- двуокись титана пигментная анатазной и рутильной форм (ГОСТ 9808-84);

- бария титанат (ТУ 6-09-27-305-91);

- дисперсный и пористый твердофазный образец с неизвестной поверхностью.

1 – баллон с гелием; 2 – баллон с аргоном; 3 – редукторы; 4 – блок управления ЛХМ-8МД; 5 – адсорбер; 6 – охлаждающая ловушка

Рисунок 8 – Анализатор удельной поверхности СОРБТОМЕТР-2.0

Описание прибора СОРБТОМЕТР-2.0

Прибор СОРБТОМЕТР-2.0 изготовлен на базе блока управления лабораторного хроматографа ЛХМ-8МД (БУ ЛХМ-8МД) в виде настольной установки. СОРБТОМЕТР-2.0 состоит из БУ ЛХМ-8МД, встроенного в него усилителя, интегратора, выносной печи, а так же двух баллонов с гелием и аргоном, оснащенных редукторами первой ступени, и выполняет следующие функции:

а) автоматическое регулирование температуры печи;

б) стабилизированное питание и управление работой детектора ДТП;

в) автоматическое интегрирование площадей десорбционных пиков.

Прибор может применяться для определения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов в научных исследованиях, производстве указанных материалов и паспортизации готовой продукции, а также в учебных целях.

3.3.1 Принцип действия

Работа прибора СОРБТОМЕТР-2.0 основана на использовании метода тепловой десорбции аргона с поверхности исследуемых материалов в динамических условиях [5].

В этом методе через адсорбер с размещенным в нем исследуемым образцом пропускается стационарный поток газовой гелий-аргоновой смеси с заданным постоянным составом. В ходе испытаний образца поочередно выполняются три операции, схематично показанные на рисунке 9:

1 – тренировка образца, заключающаяся в прогреве образца в потоке газовой смеси при повышенной температуре с целью удаления с поверхности образца поглощенных им газов и паров;

Рисунок 9 – Основные операции при работе прибора СОРБТОМЕТР-2.0

2 – адсорбция аргона на поверхности тренированного образца из потока гелий-аргоновой смеси при температуре жидкого азота (77 К) до установления равновесия между концентрациями аргона в газовой и адсорбционной фазах;

3 – десорбция аргона с поверхности образца в поток газовой смеси при нагревании адсорбера с образцом от 77 К до комнатной температуры.

В ходе процессов адсорбции-десорбции аргона концентрация аргона в газовой смеси изменяется, что регистрируется с помощью детектора по теплопроводности (ДТП). Выходным рабочим сигналом детектора ДТП является хроматографический пик аргона при его тепловой десорбции. Площадь этого пика прямо пропорциональна объему десорбированного аргона и определяется с помощью цифрового интегратора.

Таким образом, в результате испытаний измеряется объем аргона, поглощенного исследуемым образцом и выделившегося при тепловой десорбции.

Концентрация аргона в газовой гелий-аргоновой смеси подбирается такой, чтобы обеспечить монослойное покрытие поверхности исследуемого образца молекулами аргона при 77 К. В этом случае расчет величины удельной поверхности (S_уд, м²/г) по данным одной точки адсорбционного равновесия проводится по уравнению Темкина [15]:

(7)

где 4,73 – площадь в м², которую занимает при нормальных условиях 1 см^З аргона, адсорбированный мономолекулярным слоем из расчета, что величина "посадочной площадки" одной молекулы аргона составляет 0,166 нм²;

A – величина удельной адсорбции аргона при нормальных условиях в расчете на ед. массы образца, определенная из десорбционного пика, см^З/r;

Р/Р₀ – величина относительного давления аргона при 77 К;

Р – парциальное давление аргона в газовой гелий-аргоновой смеси, мм рт.ст.

Р₀ – давление насыщенного пара аргона, мм рт. ст.; с достаточной точностью можно принять Р₀ = 226 мм рт. ст. при 77,4 К;

С – безразмерная энергетическая константа в уравнении БЭТ, равная для аргона 50 [2].

3.3.2 Технологическая схема прибора

Технологическая схема установки представлена на рисунке 10. Исследуемый порошкообразный образец массой от 0,001 до 3 г находится в адсорбере (А), подробная схема которого представлена на рисунке 11, в потоке газа носителя (смесь He + 4,2 – 7,3 % Ar) при давлении, близком к атмосферному. Гелий и аргон из баллонов (давление до 15 мПа) через редукторы первой ступени (на рисунке не показаны) поступают на входы дозаторов гелия (ДГ) и аргона (ДА) при давлении 0,15 – 0,50 мПа. Расходы газов задаются дросселями Др и поддерживаются неизменными при помощи стабилизаторов давления СД-1 и СД-2 (при изменении входного давления) и при помощи стабилизаторов перепада давления СПД (при изменениях выходного давления).

Рисунок 10 – Технологическая схема прибора СОРБТОМЕТР-2.0

Рисунок 11 – Конструкция адсорбера

Потоки гелия и аргона после дозаторов ДГ и ДА смешиваются в тройнике. Полученная газовая смесь пропускается через охлаждаемую ловушку (ОЛ) с целью очистки смеси от микропримесей. Далее смесь прогревается до комнатной температуры в змеевике Зм1 и проходит через сравнительную ячейку (СЯ) детектора ДТП, затем через змеевик-компенсатор давления Зм2 и попадает в адсорбер А, далее следует змеевик Зм3, в котором смесь нагревается до комнатной температуры не зависимо от режима работы адсорбера, проходит измерительную ячейку (ИЯ) детектора ДТП и выводится наружу через змеевик Зм4, который предотвращает попадание атмосферного воздуха в детектор при охлаждении адсорбера.

При погружении адсорбера в сосуд Дьюара с жидким азотом (–196°С) происходит адсорбция аргона (Т_кип = –186°С) из потока на поверхности частиц образца, при этом гелий (Т_кип = –269°С) в реакторе не конденсируется. При размораживании – извлечении реактора из жидкого азота – происходит десорбция аргона с поверхности образца в поток.

3.3.3 Лицевая панель блока управления прибора СОРБТОМЕТР-2.0

Лицевая панель прибора СОРБТОМЕТР-2.0 представлена на рисунке 12.

1 – цифровое табло интегратора; 2 – выключатель БИС-3; 3 – кнопка запуска
и остановки секундомера; 4 – переключатель БИС-3 между режимами «Секундомер/Интегратор»; 5 – кнопка остановки интегратора; 6 – кнопка сброса значений интегратора; 7 – тумблер «Сеть» – выключатель прибора;
8 – переключатель диапазонов амперметра; 9 – амперметр; 10 – включение печи;
11 – шкала, определяющая температуру печи; 12 – вращающийся диск для установки температурного режима печи; 13, 14 – включение и регулировка питания детектора; 15 – переключатель полярности детектора; 16 – резистор для грубой установки баланса; 17 – резистор для точной установки баланса; 18 – индикатор включения сети; 19 – индикатор включения печи

Рисунок 12 – Лицевая панель прибора СОРБТОМЕТР-2.0.

Сетевое напряжение 220 В подается на прибор при включении тумблера "СЕТЬ" 7, при этом загорается индикатор включения сети на БУ 18.

Печь имеет датчик температуры – термометр сопротивления Rt типа и электронагревательный элемент, подключенные к регулятору температуры. Задание температуры печи осуществляется с помощью вращающегося диска 12 со шкалой 11. Нагрев печи включается тумблером "ПЕЧЬ" 10, при этом загорается индикатор "ПЕЧЬ" 19, интенсивность свечения которого зависит от подаваемой на печь мощности.

Балансировка моста детектора ДТП осуществляется переменными резисторами "БАЛАНС" "ГРУБО" 16 и "ТОЧНО" 17, причем практически используется только резистор "ГРУБО" 16.

Питание детектора включается соответствующим тумблером 13, ток детектора ДТП контролируется амперметром 9, переключатель диапазонов 8 при работе с интегратором всегда расположен в позиции "1", при использовании самописца типа КСП-4 – в любых других позициях.

Интегратор обеспечивает автоматическое определение площади десорб­ционного пика и используется в двух режимах – интегратора и секундомера.