顆粒狀物料比表面積測定的設備及其測定方法
2023-04-22 22:48:21
專利名稱：顆粒狀物料比表面積測定的設備及其測定方法
技術領域：
本發明涉及顆粒狀物料比表面積測定的設備及其測定方法，尤其涉及一種 竹炭的比表面積測定的設備及其測定方法。
背景技術：
現有的比表面積測定儀只能測比表面積在2000cm2/ g以上的粉末狀物料的 比表面積，對細粒狀物料的比表面積，沒有適用的儀器。特別是對於竹炭行業， 竹炭的比表面積是影響吸附性能的最為關鍵的因素，現有還未有竹炭製品比表 面積測定的方法和設備。
中國實用新型專利CN2199525Y公開了一種用於物性測試的粒狀物料比表 面積測定儀，其主要由U形壓差計、試樣筒、三通換向閥、空氣流量計、壓差 調節閥、抽氣泵構成；各構件以氣管路連接在一起，試樣筒底部為一細金屬篩 網，篩網下有氣室，氣室與儀器管路相通，另一端通過物料層與大氣相通；U 形壓差計的另一端也與大氣相通。該儀器解決了多年來顆粒狀物料領域未解決 的比表面積測試問題。但是這種設備需要使用抽氣泵，結構複雜，測定不是很 方便。
發明內容
為了解決現有的比表面積測定儀存在的技術缺陷，本發明的第一個目的是 提供一種結構簡單、使用方便的顆粒狀物料比表面積測定的設備。
本發明的另外一個目的是提供上述顆粒狀物料比表面積測定的設備的測定 方法。
為了實現第一個目的，本發明採用了以下的技術方案
顆粒狀物料比表面積測定的設備，其包括U型水銀壓力計、樣品瓶、三通 換向閥、壓力調整裝置和用於冷卻樣品瓶溫度的低溫冷卻裝置，所述的U型水 銀壓力計一端通大氣，另一端通過導管分別連接樣品瓶和三通換向閥，三通換 向閥的另外兩端分別連接壓力調整裝置和大氣。
作為優選，上述的壓力調整裝置為活性炭貯瓶，活性炭貯瓶連接在三通換 向閥上。活性炭貯瓶可以通過吸附系統內的氣體，調節系統的壓強。使用的時 候通過開通或閉合三通換向閥即可，使用方便。
作為優選，上述的低溫冷卻裝置採用液氮。液氮的溫度在-196"C，在這種溫 度下可以增加顆粒狀物料的吸附，有利於測定的精度。同時，液氮具有低價、 使用方便的特點。
作為優選，上述的樣品瓶外側設有真空夾套。
為了實現第二個目的，本發明採用的顆粒狀物料比表面積測定的方法，包
括以下的步驟
1) 在上述的顆粒狀物料比表面積測定的設備中，稱取待測樣品，置於樣品 瓶內，利用低溫冷卻裝置冷卻壓力調整裝置並調節三通換向閥使系統壓力至水
銀壓差為一定數值，此時系統壓力為吸附前平衡壓力A);
2) 然後再用低溫冷卻裝置冷卻樣品瓶，得系統在吸附後的平衡壓力川A) 和p之差為待測樣品和樣品瓶吸附產生的壓力差Ap總；
3) 然後根據公式Ap'二 a'+ b'p計算出同一吸附平衡壓力下空瓶吸附產生 的壓差Ap'，根據公式Ap二Ap,e—Ap'求出Ap;
4) 通過以下的公式計算顆粒狀物料比表面積formula see original document page 6上述的式中A _待測竹炭的比表面積，m2/g;
A和B _標準樣品和樣品瓶的常數； a'和b'—樣品瓶的常數； m —試樣的質量，g。
上述的測定樣品瓶的常數a，和b'的步驟如下
1) 在如權利要求1所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備中，利用低溫冷 卻裝置冷卻壓力調整裝置並調節三通換向閥使系統壓力至水銀壓差為一定數 值，記錄該壓力，記作p'o;
2) 然後用低溫冷卻裝置冷卻樣品瓶至系統壓力平衡，讀取壓力並記作p'， 得吸附前後空樣品瓶壓力Ap' =pc'—p';
3) 按上述方法至少測定2次，根據公式Ap^a' + b'p'計算樣品瓶的常數a' 和b，。
上述的測定標準樣品和樣品瓶的常數A和B的步驟如下
1) 在如權利要求l所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備中，稱取已知比 表面的標準樣品，置於樣品瓶內，利用低溫冷卻裝置冷卻壓力調整裝置並調節 三通換向閥使系統壓力至水銀壓差為一定數值，此時系統壓力為吸附前平衡壓
2) 然後再用低溫冷卻裝置冷卻樣品瓶，得系統在吸附後的平衡壓力戶；內 和p之差為待測樣品和樣品瓶吸附產生的壓力差Ap fl;
3) 至少測2組數據，根據公式Ap總二a + bp計算標準樣品和樣品瓶的a和 b，再利用下述的公式計算常數A和B:
」=- 5 =-
附4 贅 -
上述的式中AQ _已知竹炭的比表面積，m2/g。 作為優選，上述方法中吸附前系統的空氣壓力控制在50mmHg 400mmHg。 作為優選，上述低溫冷卻裝置的冷卻溫度小於-50'C 。
作為優選，上述的常數a'和b'測定過程和常數A和B測定過程中分別測定 4 5次，再以Ap'對/y作圖得a鄰6'，以Ap總對/7作圖得a和6。
本發明中無需真空設備，是一種簡單易行的快速測定比表面積的方法。適 合顆粒狀物料的比表面積測定，特別是竹炭的比表面積測定，對建立竹炭的質 量評價體系有十分重要的意義。
本發明測定方法的具體原理如下所述
吸附量")可用單位表面積上吸附氣體的物質的量來表示，艮P:
formula see original document page 8
上式可改寫為
formula see original document page 8
式中AM為吸附前後氣體的物質的量的差值(即被吸附的氣體的物質的量)， w為吸附劑的質量，A)為吸附劑的比表面。可見，在液氮溫度下空氣在吸附劑 表面上被吸附時，吸附量隨吸附劑比表面的增加而增大.
設氣體服從理想氣體狀態方程式。貝U:
所以formula see original document page 8 (1)
式中《=97是一個與設備及系統平衡壓力有關的比例常數。由(1)式 可知，在一定的吸附空間內，吸附劑吸附空氣後所產生的壓差A/ (吸附前系統
的平衡壓力一吸附後系統的平衡壓力)與吸附劑的比表面成正比。
用液氮冷卻裝有吸附劑的樣品瓶時，由於玻璃表面亦產生吸附，故吸附前後系統壓力的總變化Ap ,6是吸附劑和玻璃表面吸附的總和。設玻璃表面吸附產生 的壓差為A;/，則吸附劑表面吸附所產生的壓差4p為
△/ =△/ 總一A// (2) ,e,和Ap'在低壓下隨吸附平衡壓力的增加而直線增加，艮口
A屍總=a + Z p (3) A/ ' = a' +印 (3') p為裝有吸附劑時所測得的吸附平衡壓力，p'為空瓶時的吸附平衡壓力，"、 a'和6、 6'是與儀器及實驗條件有關的常數。對裝有吸附劑的樣品瓶而言，平衡 時的吸附劑和瓶內壁處於同一下平衡壓力下，故^=//，則可得
△; =△/ 總一= (a + Z)/ ) - +昨)
(4)
令"
附4 ， 附4 (5)
貝lj: Aj3 = Jm/1。 + BwJ。p =柳J。 ( ^ + (6)
將(6)式與(1)式比較，則^ +朋相當於常數K， J和B都是與吸附 劑表面積無關的常數。改寫(6)式，得
j = AP 0 _附(」+ 5p) (7)
欲求j、 s，需先分別測定空樣品瓶和裝有一定量已知比表面的標準樣品的樣品瓶在一系列吸附平衡壓力; '和p下所對應的Ap鄰Ap ,fe。再以A/ '對; '作圖得 a'禾口ZA以A/^對; 作圖得"和6，代入(5)式，可求得J和B。若再測得未知 比表面的樣品在某一吸附平衡壓力下所對應的壓差Ap，即可根據(7)式求出未
知樣品的比表面^)。此處的壓差Ap可由下式求得
A; 總一 '
是對應於未知比表面樣品的吸附平衡壓力下，樣品瓶所產生的壓差。
圖1為本發明的裝置結構示意圖。
具體實施例方式
實施例l
如圖1所示的顆粒狀物料比表面積測定的設備，包括U型水銀壓力計1、 樣品瓶2、三通換向閥3、活性炭貯瓶4和用於冷卻樣品瓶2溫度的液氮，所述 的U型水銀壓力計1一端通大氣，另一端通過導管分別連接樣品瓶2和三通換 向閥3,三通換向閥3的另外兩端分別連接活性炭貯瓶4和大氣。所述的樣品瓶 2外側設有真空夾套5。 實施例2
1.測定樣品瓶2的a'和b'
將乾淨的樣品瓶2套入裝置，檢査各連接處有無漏氣。然後將三通換向閥3 旋轉至活性炭貯瓶4與系統相通(此時與大氣隔絕)，用液氮冷卻活性炭貯瓶4。 在液氮溫度下樣品瓶2及管道中的空氣被活性炭吸附而降低系統的壓力。當吸 附達平衡後，移去液氮，旋轉活塞使大氣與活性炭貯瓶4相通(與系統隔絕)， 使被活性炭所吸附的空氣脫附，以防止貯瓶中壓力過大。再旋轉活塞使大氣與 系統相通，調節系統內壓力，使增至一定數值。關閉活塞，使貯瓶、大氣及系 統互相隔絕，此時系統的壓力即為空瓶吸附前的平衡壓力;y。(/y(^p外一M。'， A&' 為汞高差)。然後用液氮冷卻樣品瓶2 (注意此時液氮浸沒到樣品瓶2頸部， 而且以後每次操作均需如此，保持冷卻面積不變)由於玻璃的吸附，使系統壓
力下降，平衡時系統的壓力^'為^'= p外-AW。所以吸附前後的壓差Ap'為Ap' == A肛M。'，即得到某一平衡壓力p'下的Ap'。
移走液氮，待系統壓力回升到/V時再轉動活塞使大氣與系統相通，改變系 統的壓力且重複確定; '和A;y的操作。如此，有四組數據即可，以Ap'對p'作圖， 可求得a'和6'。
2. 測定已知比表面的標準樣品和祥品瓶的"和6
稱取己知比表面的標準樣品O.lg左右(精確至0.1mg)，置於樣品瓶2內， 用與上述同樣的手續測四組數據，以Ap ,&對p作圖即可得o和6。
按照操作1和2，並根據=;， =;進行計算，可得^和5。
3. 測定樣品的比表面
將標準樣品從樣品瓶2中倒出，稱取待測樣品0.1g左右(精確至0.1mg), 置於樣品瓶2內。旋轉活塞，使系統與活性炭貯瓶4相通(與大氣隔絕)，且用 液氮冷卻活性貯瓶。待系統壓力達到某一定值(此值約為空瓶吸附時所得直線 中間部分的對應壓力即可)，旋轉活塞使貯瓶與大氣相通，且移走液氮。此時系 統壓力為吸附前平衡壓力A)。然後用液氮冷卻樣品瓶2，得系統在吸附後的平衡 壓力p。 p。和p之差為待測樣品和樣品瓶2吸附產生的壓力差Ap總。另由Ap'卞' 圖查出同一吸附平衡壓力下空瓶吸附產生的壓差Ap'，從而求出Ap。如此，即可
用A = ，求得待測樣品的比表面值A)。
權利要求
1.顆粒狀物料比表面積測定的設備，其特徵在於包括U型水銀壓力計(1)、樣品瓶(2)、三通換向閥(3)、壓力調整裝置和用於冷卻樣品瓶(2)溫度的`低溫冷卻裝置，所述的U型水銀壓力計(1)一端通大氣，另一端通過導管分別連接樣品瓶(2)和三通換向閥(3)，三通換向閥(3)的另外兩端分別連接壓力調整裝置和大氣。
2. 根據權利要求1所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備，其特徵在於壓力調 整裝置為活性炭貯瓶(4)，活性炭貯瓶連接在三通換向閥(3)上。
3. 根據權利要求1或2所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備，其特徵在於低 溫冷卻裝置採用液氮。
4. 據權利要求1所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備，其特徵在於樣品瓶(2) 外側設有真空夾套(5)。
5. 顆粒狀物料比表面積測定的方法，其特徵在於包括以下的步驟1) 在如權利要求1所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備中，稱取待 測樣品，置於樣品瓶(2)內，利用低溫冷卻裝置冷卻壓力調整裝 置並調節三通換向閥(3)使系統壓力至水銀壓差為一定數值，此 時系統壓力為吸附前平衡壓力A);2) 然後再用低溫冷卻裝置冷卻樣品瓶(2)，得系統在吸附後的平衡壓 力p; A)和p之差為待測樣品和樣品瓶(2)吸附產生的壓力差Ap總;3) 然後根據公式Ap' = a'+ b'p計算出同一吸附平衡壓力下空瓶吸附 產生的壓差Ap'，根據公式Ap二Ap總一Ap'求出Ap;4 ) 通過以下的公式計算顆粒狀物料比表面積上述的式中A —待測竹炭的比表面積，m2/g;A和B —標準樣品和樣品瓶(2)的常數；a'和b，—樣品瓶(2)的常數； m _試樣的質量，g。
6. 根據權利要求5所述的顆粒狀物料比表面積測定的方法，其特徵在於測定樣 品瓶(2)的常數a'和b'的步驟如下1) 在如權利要求1所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備中，利用低 溫冷卻裝置冷卻壓力調整裝置並調節三通換向閥(3)使系統壓力 至水銀壓差為一定數值，記錄該壓力，記作p'o;2) 然後用低溫冷卻裝置冷卻樣品瓶(2)至系統壓力平衡，讀取壓力 並記作p'，得吸附前後空樣品瓶(2)壓力Ap^po'—p';3) 按上述方法至少測定2次，根據公式Ap'二a' + b'p'計算樣品瓶(2) 的常數a'和b'。
7. 根據權利要求6所述的顆粒狀物料比表面積測定的方法，其特徵在於測定標 準樣品和樣品瓶(2)的常數A和B的步驟如下1) 在如權利要求1所述的顆粒狀物料比表面積測定的設備中，稱取已 知比表面的標準樣品，置於樣品瓶(2)內，利用低溫冷卻裝置冷 卻壓力調整裝置並調節三通換向閥(3)使系統壓力至水銀壓差為 一定數值，此時系統壓力為吸附前平衡壓力內；2) 然後再用低溫冷卻裝置冷卻樣品瓶(2)，得系統在吸附後的平衡壓 力內和p之差為待測樣品和樣品瓶(2)吸附產生的壓力差Ap總;3) 至少測2組數據，根據公式Apfi 二a + bp計算標準樣品和樣品瓶(2) 的a和b，再利用下述的公式計算常數A和B:附4 賃 附4 s上述的式中Ao —已知竹炭的比表面積，m2/g。
8. 根據權利要求7所述的顆粒狀物料比表面積測定的方法，其特徵在於常數a' 和b'測定過程與常數A和B測定過程中分別測定4 5次，再以Ap'對p'作圖 得a'和6'，以A;^、對/ 作圖得"和6。
9. 根據權利要求6或7所述的顆粒狀物料比表面積測定的方法，其特徵在於吸 附前系統的空氣壓力控制在50mmHg 400mmHg。
10. 根據權利要求5 8任意一項權利要求所述的顆粒狀物料比表面積測定的方 法，其特徵在於低溫冷卻裝置的冷卻溫度小於-5(TC 。
全文摘要
本發明涉及顆粒狀物料比表面積測定的設備及其測定方法，尤其涉及一種竹炭的比表面積測定的設備及其測定方法。顆粒狀物料比表面積測定的設備，其包括U型水銀壓力計、樣品瓶、三通換向閥、壓力調整裝置和用於冷卻樣品瓶溫度的低溫冷卻裝置，所述的U型水銀壓力計一端通大氣，另一端通過導管分別連接樣品瓶和三通換向閥，三通換向閥的另外兩端分別連接壓力調整裝置和大氣。本發明中無需真空設備，是一種簡單易行的快速測定比表面積的方法。適合顆粒狀物料的比表面積測定，特別是竹炭的比表面積測定，對建立竹炭的質量評價體系有十分重要的意義。本發明另外還公開了上述設備的測定方法。
文檔編號G01B21/28GK101101255SQ20071007014
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月20日 優先權日2007年7月20日
發明者劉子陽, 塗志龍 申請人:塗志龍