测定多孔材料准静态吸附脱附曲线的装置及实现方法

：本发明涉及测定设备，具体涉及一种测定多孔材料准静态吸附脱附曲线的装置及实现方法。

背景技术

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背景技术：

1、天然存在和人工合成的多孔材料和纳米材料广泛用作化学反应的催化剂和分离过程的吸附剂，比表面积、孔结构(孔径分布、孔容等)及分子在孔内的扩散速度是决定催化及分离性能的关键因素。天然存在的多孔材料也是天然气、页岩气、瓦斯气、石油、地下水等资源的载体，其孔结构及分子在孔内的扩散是影响这些自然资源开采的重要因素。天然多孔材料的比表面积、孔结构及分子在孔内的扩散还是影响污染物在地层中扩散和污染治理的重要因素。

2、多孔材料和纳米材料的比表面积和孔结构一般通过测定材料的吸附-脱附曲线，利用langmuir方程、bet方程、bjh方程、t-plot方程、dft密度泛涵理论等数学模型来计算。吸附-脱附曲线是计算比表面积和孔结构基础。吸附-脱附曲线一般采用静态容量法测量。静态常量法有较多商品化的测量装置(如quantachrome autosorb-iq，micromeritricsasap 2020，彼奥德电子ssa-6000，贝士德bsd-660等)，其原理和结构基本相同，在一些论著中有详细叙述(如杨正红，物理吸附100问，化学工业出版社2017；辛勤，罗孟飞，现代催化研究方法，科学出版社，2009)。测量过程首先对样品进行加热和真空脱气处理，然后将样品管置于恒温浴，通过定量管分批次向样品管充入吸附气体，等待达到吸附平衡，记录累积加入的气体量和对应的平衡压强，扣除管路和样品管空间的气体量，得到吸附曲线；脱附曲线的测量过程与吸附曲线类似，通过定量管分批次从样品管抽出气体，并记录累积移出的气体量和对应的平衡压强。这种测量过程的时间长，得到的是离散的数据点。

3、多级孔材料孔内的扩散有吸附摄取法、色谱法、频率响应法、零柱长法等，这么方法都有自己的特点和应用场所，但总的来说，还缺乏简单易行、经济可靠的方法。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种测定多孔材料准静态吸附脱附曲线的装置及实现方法，它所得到的准静态吸附-脱附曲线可用于计算比表面积、孔体积和孔分布等孔结构参数，并且可用于分析分子在多孔材料内的扩散速度。

2、为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用如下技术方案：包括真空泵、质量流量控制器、惰性气体贮存瓶、吸附气体贮存瓶、阀门若干个、绝压压力传感器一、绝压压力传感器二以及样品管，若干个阀门包括阀门一、阀门二、阀门三、阀门四、阀门五、阀门六和阀门七，所述阀门二、阀门三、阀门四、阀门六和质量流量控制器围成的管路与绝压压力传感器一组成形成空间一；所述阀门一、阀门五和质量流量控制器围成的管路形成空间二；所述阀门五、阀门六、阀门七围成的管路与绝压压力传感器二组成形成空间三，空间三通过阀门七与样品管连接，样品管下端至于恒温浴槽内；所述真空泵通过阀门一与空间二连接，真空泵通过阀门二与空间一连接；所述惰性气体贮存瓶通过阀门三与空间一连接；所述吸附气体贮存瓶通过阀门四与空间一连接。

3、所述的真空泵为旋片真空泵、无油真空泵、罗茨真空泵、涡轮分子泵、扩散泵或离子泵中的任意一种或者其组合；所述的阀门为手动阀、电磁阀或气动阀中的任意一种或者其组合；所述的样品管为石英玻璃管或不锈钢管中的一种；所述的恒温浴槽为液氮浴、液氧浴、干冰浴、低温恒温浴、恒温水浴或恒温油浴中的任意一种。

4、所述的质量流量控制器的流量、绝压压力传感器一和绝压压力传感器二的压强均由无纸记录仪或计算机等进行采集和记录。

5、所述的惰性气体贮存瓶中的惰性气体为氮气、氧气、氦气、氩气、氢气或甲烷中的任意一种，优选为氦气；所述的吸附气体贮存瓶中的吸附气体为氮气、氧气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、氨气、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷蒸汽、己烷蒸汽、庚烷蒸汽、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、水蒸汽、甲醇蒸汽、乙醇蒸汽、苯蒸汽、甲苯蒸汽、甲醛蒸汽或卤代烃蒸汽中的任意一种。

6、所述的实现过程如下：

7、(1)将适量样品放入样品管中，在真空或惰性气氛下充分干燥处理；

8、(2)将装有样品的样品管连接到装置上，装置上的所有阀门处于关闭状态，质量流量控制器也处于关闭状态；

9、(3)开启真空泵；

10、(4)打开阀门一、阀门二、阀门五、阀门六和阀门七，利用真空泵将装置的管线空间(空间一、空间二和空间三)以及样品管抽真空；

11、(5)将样品管浸泡在恒温浴槽中；

12、(6)关闭阀门一、阀门二和阀门六，打开阀门三，将质量流量控制器的流量设定到合适流量值，打开质量流量控制器，通过惰性气体贮存瓶连续缓慢向样品管内通入惰性气体，记录质量流量控制器的流量值及绝压压力传感器二的压力值；

13、(7)记录绝压压力传感器二的压力值，达到所需压力后，关闭质量流量控制器，关门阀门五，关闭阀门三；

14、(8)利用阀门二(或阀门一和质量流量控制器)将绝压压力传感器一的压力值调节到与绝压压力传感器二相同的压力值，然后关闭阀门二(或阀门一和质量流量控制器)；

15、(9)打开阀门六；

16、(10)打开阀门一，重新将质量流量控制器的流量设定到合适流量值，打开质量流量控制器，利用真空泵连续缓慢将样品管内的惰性气体抽出，连续记录质量流量控制器的流量值及绝压压力传感器二的压力值；

17、(11)当绝压压力传感器二的压力值的低于一定值，或质量流量控制器的实际流量低于设定值后，关闭质量流量控制器；

18、(12)打开阀门一、阀门二、阀门五、阀门六和阀门七，利用真空泵将装置的管线空间(空间一、空间二和空间三)以及样品管抽真空；

19、(13)关闭阀门一、阀门二和阀门六，打开阀门四，将吸附气体贮存瓶内的吸附气体引入样品管内；

20、(14)将质量流量控制器的流量设定到合适流量值，打开质量流量控制器，通过吸附气体贮存瓶连续缓慢向样品管内通入吸附气体，记录质量流量控制器的流量值及绝压压力传感器二的压力值；

21、(15)记录绝压压力传感器二的压力值，达到所需压力后，关闭质量流量控制器，关门阀门五，关闭阀门四；

22、(16)利用阀门二(或阀门一和质量流量控制器)将绝压压力传感器一的压力值调节到与绝压压力传感器二相同的压力值，然后关闭阀门二(或阀门一和质量流量控制器)；

23、(17)打开阀门六；

24、(18)打开阀门一，重新将质量流量控制器的流量值设定到合适流量值，打开质量流量控制器，利用真空泵连续缓慢将样品管内的吸附气体抽出，连续记录质量流量控制器的流量值及绝压压力传感器二的压力值；

25、(19)当绝压压力传感器二的压力值的低于一定值，或质量流量控制器的实际流量值低于设定值后，关闭质量流量控制器；

26、(20)关闭所有阀门，关停真空泵，停止数据采集。

27、所述的过程(6)～(11)记录得到惰性气体累积流量和压力的关系，过程(14)～(19)记录得到吸附气体累积流量和压力的关系，通过二者对比得到吸附-脱附量随压力和时间的变化曲线，即准静态吸附-脱附曲线。

28、所述的准静态吸附-脱附曲线与langmuir方程、bet方程、bjh方程、t-plot方程和dft密度泛涵理论数学模型结合，计算比表面积、孔体积以及孔分布。

29、利用所述的质量流量控制器控制气体的充入和移出速度，得到不同流速下的准静态吸附量-压力曲线，用于分析多孔材料内分子的扩散速度。

30、本发明的有益效果是：可以测定得到连续的准静态吸附-脱附曲线，测定过程用时短，所得结果可以进一步用于计算比表面积、孔体积和孔分布等孔结构参数，并且可用于分析分子在多孔材料内的扩散速度。