BET流动法测固体比表面积实验的改进.pdf

第卷 第期 年月：流 动 法 测 固 体 比 表 面 积 实 验 的 改 进王 安 鼎，陈 小 娟，朱 远 飞，杨 洋 溢（中 山 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院，化 学 教 学 实 验 中 心，广 州）摘要：多 层 吸 附（吸 附）理 论 作 为 本 科 实 验 课 的 固 体 比 表 面 积 测 定 原 理，通常 应 用 于 流 动 法 测 固 体 样 品 比 表 面 的 实 验。实 验 中，吸 附 剂 的 支 撑 材 料 玻 璃纤 维 丝 使 用 过 程 中 不 可 避 免 地 产 生 大 量 的 细 微 玻 璃 纤 维 在 空 气 中 飘 浮，对 师 生 健康 产 生 严 重 危 害；新 型 多 功 能 材 料 聚 四 氟 乙 烯 具 有 良 好 的 安 全 性、稳 定 性，及易 加 工、可 重 复 利 用 等 性 能 已 被 应 用 于 一 些 特 殊 场 合。基 于 对 师 生 安 全 的 考 虑，选用 了 聚 四 氟 乙 烯 塑 料 丝 替 代 玻 璃 纤 维 丝 作 为 吸 附 剂 的 支 撑 材 料。实 验 结 果 表 明，使 用 聚 四 氟 乙 烯 的吸 附 实 验 数 据 稳 定 可 靠，而 且 安 全 环 保，测 试 方 法 简 便，教学 效 果 显 著 提 高。关 键 词：聚 四 氟 乙 烯；法 测 定 比 表 面；流 动 吸 附 法；单 点 法中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，（），：；收 稿 日 期：作 者 简 介：王 安 鼎（），男，安 徽 淮 南 人，硕 士 生，研 究 方 向 为材 料 物 理 化 学。：；：通 信 作 者：杨 洋 溢（），男，海 南 乐 东 人，博 士，教 授，研 究 方 向为 物 理 化 学。：引言固 体 表 面 作 为 固 体 和 外 界 最 直 接 接 触 的 部 分，在各 种 物 理 化 学 行 为 中 往 往 具 有 决 定 性 的 影 响，因 此 关于 固 体 表 面 的 性 质 一 直 都 是 研 究 的 热 点 领 域。事 实第卷上，表 面 不 均 匀 性 是 所 有 实 际 固 体 都 存 在 的，所 以 对 固体 表 面 进 行 有 效 的 测 定 非 常 重 要。比 表 面 指 的 是 固 体物 质 的 单 位 质 量 所 拥 有 的 表 面 积 的 总 和。它 包 含了 固 体 外 表 面 及 固 体 因 存 在 微介 孔、毛 细 管 等 而 产 生的 内 表 面。比 表 面 大 小 和 孔 径 分 布 对 物 质 的 性 质 有 很大 的 影 响，如 固 体 吸 附 剂、催 化 剂 的 评 选，固 体 表 面 性质 和 电 化 学 性 质 等。因 此，比 表 面 测 定 是 高 校 本 科教 学 的 重 要 内 容 之 一。在 比 表 面 测 定 实 验 中 使 用 流 动 法 比 表 面 测 量 装置，用 聚 四 氟 乙 烯 塑 料 丝 代 替 玻 璃 纤 维 丝 作 为 吸 附 剂的 支 撑 材 料。该 材 料 的 主 要 作 用 是 铺 设 在 样 品 管 的 筛板 上，确 保 样 品 颗 粒 不 被 气 流 冲 垮 或 脱 落，因 此 该 材 料不 仅 要 具 备 致 密 的 结 构 防 止 吸 附 剂 掉 落 到 吸 附 管 下方，而 且 不 能 吸 水 或 者 吸 收 气 体 增 加 额 外 的 重 量，对 材料 本 身 的 理 化 性 质 要 求 较 高。目 前 国 内 高 校 的 本科 实 验 教 学 中，普 遍 使 用 的 是 玻 璃 纤 维 丝 材 料，但 是 在长 期 的 教 学 实 践 中 发 现，玻 璃 丝 同 样 存 在 安 全 隐 患。由 于 玻 璃 丝 本 身 质 轻 易 断 且 纤 维 尺 寸 十 分 细 微，不 可 避 免 地 出 现 玻 璃 丝 断 裂 造 成 细 小 纤 维 在 空 气 中 大量 悬 浮 扩 散，对 学 生 的 身 体 健 康 造 成 危 害。实 际 上在 实 验 教 学 中，学 生 也 经 常 反 映 身 体 皮 肤 会 发 痒 或 有刺 痛 感，甚 至 会 打 喷 嚏 等，即 使 皮 肤 经 过 多 次 清 洗 仍 然不 能 缓 解 刺 痛 的 感 觉，穿 了 实 验 服 也 不 能 够 很 好 地 将全 身 保 护 起 来。除 此 之 外，玻 璃 丝 极 性 强，本 实 验 所 使用 的 吸 附 质 甲 醇 也 具 有 较 高 的 极 性，在 此 吸 附 环境 中，玻 璃 丝 对 甲 醇 的 极 性 相 互 作 用 会 影 响 吸 附 后 总质 量 的 测 量，干 扰 实 验 结 果。同 时，在 测 定 过 程 中，折断 的 细 小 玻 璃 丝 也 会 随 着 惰 性 气 流 而 流 失，同 样 对 实验 结 果 产 生 影 响。通 过 查 阅 相 关 文 献 及 实 际 测 量 观察，考 虑 到 聚 四 氟 乙 烯 材 料 的 非 极 性 表 面，及 安 全 性、稳 定 性，易 加 工 和 可 重 复 利 用 等 性 能，选 用 聚 四 氟 乙 烯塑 料 丝 替 代 玻 璃 纤 维 丝 作 为 本 实 验 的 吸 附 剂 支 撑 材料。实 验 结 果 表 明，为 聚 四 氟 乙 烯 塑 料 丝 不 仅 杜 绝了 容 易 发 生 在 学 生 身 上 的 安 全 隐 患，实 验 数 据 的 可 靠性 也 得 到 了 较 好 的 保 证，此 外 聚 四 氟 乙 烯 材 料 经 过 简单 的 清 洗、干 燥 还 可 以 循 环 使 用，这 些 优 点 使 聚 四 氟 乙烯 更 加 适 合 作 为 本 教 学 实 验 的 样 品 支 撑 材 料。聚 四 氟 乙 烯 材 料 的 应 用 不 仅 适 用 于 本 实 验，其 优异 的 化 学 惰 性、非 极 性、不 吸 收 多 种 气 体 及 水 蒸 气 等 特点，使 其 在 各 类 型 的 吸 附 实 验 中 有 良 好 的 应 用 前 景。此 外，它 易 于 加 工、便 于 循 环 利 用，更 重 要 的 是 材 料 本身 较 高 的 安 全 性，使 得 聚 四 氟 乙 烯 材 料 尤 其 适 合 于 普通 高 校 的 本 科 教 学 实 验 课 程。实 验 相 关 知 识 比 表 面 积 测 定 的 原 理在 多 层 吸 附（吸 附）理 论 诞 生 之 前，普 遍 使 用的 是 朗 缪 尔（）单 分 子 层 气 体 吸 附 理 论。吸 附 方 程 是 由 布 鲁 诺（）、埃 麦 特（）和泰 勒（）位 科 学 家 在 朗 缪 尔 吸 附 理 论 的 基 础 上，用 于 描 述 实 际 物 体 多 分 子 层 吸 附 理 论 的 方 程。吸 附 理 论 基 于 如 下个 基 本 假 设：固 体 具 备 均 匀 的表 面 结 构；吸 附 质、吸 附 剂 及 吸 附 质 分 子 之 间 的 作用 力 是 范 德 华 力（保 证 吸 附 不 会 因 为 单 纯 的 物 理 吸 附而 只 停 留 在 单 分 子 层），但 吸 附 质 分 子 在 同 一 层 并 无相 互 作 用；吸 附 与 解 吸 能 形 成 动 态 平 衡；第 二 层及 以 上 的 各 层 分 子 间，吸 附 热 等 于 气 体 的 液 化 热。根 据 以 上 假 设，上 述位 科 学 家 导 出 了吸 附方 程：（）（）式 中：为 气 体 吸 附 量；为 单 分 子 层 饱 和 吸 附 量；为 吸 附 质 蒸 气 压 力；为 吸 附 质 在 对 应 温 度 下 的 饱 和蒸 气 压；为 与 温 度、吸 附 热 和 气 体 液 化 热 有 关 的常 数。根 据 式（），将 方 程 中 的 各 参 数 定 义 为：（），（）则 可 把 吸 附 方 程 转 化 为 的 线 性 关 系，以为 斜率，为 截 距，就 可 以 方 便 地 对 吸 附 剂 的 比 表 面 积 进 行计 算。尽 管理 论 的个 基 本 假 设 与 实 际 情 况 有一 定 的 出 入，但 这个 因 素 的 组 合 往 往 使 其 缺 点 相 互抵 消，从 而 使公 式 计 算 值 与 实 验 结 果 有 较 好 的 一致 性，这 也 是 该 公 式 目 前 被 广 泛 应 用 的 重 要 原 因。通 过 线 性 关 系 的 测 量，可 以 计 算 单 分 子 层 饱 和 吸附 量（）（）进 一 步 求 出 比 表 面 积（）式 中：为 比 表 面，常 用 单 位 为；为 阿 伏 伽德 罗 常 量；为 单 个 吸 附 质 分 子 的 截 面 积。本 实 验 使用 甲 醇 作 为 气 体 吸 附 质，这 里 甲 醇 的 分 子 截 面 积 是 。吸 附 量 的 计 算 方 法 单 点 计 算 法作 为 本 科 教 学 实 验 课，受 实 验 时 间 和 条 件 的 限 制，采 用 的 是单 点 法。即 只 取 一 点 进 行 测 量，根 据 单分 子 层 饱 和 吸 附 量 计 算 得 到 吸 附 剂 的 比 表 面 积。这 是在 比 表 面 高 于 时 能 够 使 用 的 测 定 方 法。具 体 来 说，当 的 数 值 在 之 间 的 情 况 下，取 等 温 线 上 的 一 点 与 原 点 作 一 条 直 线，单 层 饱 和 吸 附量的 值 即 为 这 条 直 线 的 斜 率的 倒 数。在 缺 乏 低温 高 真 空 设 备 的 实 验 室，多 数 实 验 采 用 的 是 单 点 法，本第期王 安 鼎，等：流 动 法 测 固 体 比 表 面 积 实 验 的 改 进教 学 实 验 以 单 点 法 测 定 活 性 炭 的 比 表 面 积。实 验 测 定 装 置 及 工 作 原 理本 实 验 使 用 我 校 物 理 化 学 实 验 组 的 流 动 法 固 体 比表 面 测 量 装 置 见 图。钢 瓶 阀 门；减 压 阀；调 压 阀；、微 量 调 节 阀；活塞；高 压 氮 气 瓶；净 化 器；稳 流 管；压 力 表；、流 量 显 示 仪；、三 通 阀；皂 膜 流 速 计；、预 热管；饱 和 器；混 合 器；样 品 管；筛 板；、磨 口 塞；吸 附 仪（、和都 需 要 处 在 恒 温 的 水 浴 环 境 中，且 水 面 高 度 要 超过 样 品 管 中 的 样 品）；聚 四 氟 乙 烯 塑 料 丝图流 动 吸 附 法 测 定 固 体 比 表 面 装 置 示 意 图 仪 器 的 工 作 原 理 及 计 算 方 法：氮 气 从 流 量 计处以的 速 度 进 入，饱 和 器中 的 饱 和 甲 醇 蒸 气 被 氮 气带 出，使 通 过 气 体 的 气 流 速 度 增 加 到。此 时 混合 气 体 中 甲 醇 的 摩 尔 分 数 等 于（），也 等 于（为 相 应 温 度 下 甲 醇 气 体 的 饱 和 蒸 气 压，为实 验 室 大 气 压），整 理 得：，（）来 自 流 量 计的 氮 气 以的 流 速 与 离 开 饱 和 器的 气 体 在 混 合 器中 汇 合，于 是 混 合 气 流 的 总 流 速增 加 为、及之 和。令甲为 甲 醇 气 体 在 混 合气 体 中 的 分 压（即 建 立 吸 附 平 衡 时 吸 附 质 气 体 的 分压），得 出甲与 实 验 大 气 压之 比 为甲 （）将 式（）代 入 式（），整 理 后 得：甲 甲 （）式 中：气 体 流 速和，由 微 量 调 节 阀和调 节 和控 制，并 通 过 皂 膜 流 速 计 准 确 测 定，大 气 压的 数 值由 实 验 室 内 的 气 压 计 直 接 读 出；为 相 应 温 度 下 甲 醇气 体 的 饱 和 蒸 气 压，可 以 通 过 以 下 经 验 公 式 计算 出：（）（）式 中，、为 经 验 常 数，在 实 验 温 度 范 围 内，分 别 取 ，。聚 四 氟 乙 烯 材 料 的 应 用与 玻 璃 丝