一種乙炔吸附測量的裝置的制作方法

本發明涉及吸附材料性能測試領域，特別是一種用于研究不同狀態的樣品中高壓條件下乙炔吸附的特性以及吸附過程中的溫度依賴關系的、用于乙炔吸附測量的一種乙炔吸附測量的裝置。

背景技術：

容量法測氣體吸附的基本方法是，真空系統包括容器i和容器ii，在容器i中放置一定量的吸附劑樣品，并將容器i中氣體排空且保持在一定溫度，然后通過一個確定容積的容器ii向容器i中通入已知量的氣體，待吸附劑吸附了一定量的氣體后，容器i和容器ii中氣壓達到平衡，根據吸附前后氣壓的變化能夠計算出吸附量。逐次向真空系統增加容器ii中氣體的壓強，并重復上述步驟，得到不同平衡氣壓下的氣體吸附量，將每一個平衡態氣壓下的氣體吸附量的數據點畫在二維圖上并連接成曲線，縱坐標為氣體吸附量，橫坐標為平衡態氣壓，就得到某個溫度條件下的吸附等溫線。

現有技術中，乙炔分子的動態體積通常不同于用作裝置容積確定的氦氣、氮氣等氣體，這導致了對某些材料的樣品密度的估算不準確，如某些孔洞尺寸有較大分布的材料或是孔洞尺寸與氣體分子接近的材料，因此需要更精確的測試裝置，尤其是在真空系統容積的確定方面。另外，某些吸附實驗需要在潮濕的樣品上進行，現有技術在實驗上主要的困難是，不同的單獨測試實驗中水含量的微小變化會顯著影響吸附劑樣品對乙炔的吸附能力，這樣，實驗得到的吸附容量并不是僅依賴于溫度，從而造成較大誤差，所述一種乙炔吸附測量的裝置能解決問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明是一種用于測壓法進行吸附實驗的裝置，即在密閉系統條件下測量不同溫度下的吸附等溫線，能夠在所有溫度下保持含水量恒定，另外，由于在不同溫度條件下的單獨測試之間不需要對樣品去氣，測量時間能夠大幅度減少。

本發明所采用的技術方案是：

所述一種乙炔吸附測量的裝置，主要包括儲氣罐i、儲氣罐ii、電磁閥i、質量流量控制器、電磁閥ii、參考腔、電磁閥iii、氣壓計、熱偶、電磁閥iv、真空泵、電磁閥v、樣品腔、恒溫槽及氣管，所述電磁閥i一端通過閥門氣管連接于所述儲氣罐i和所述儲氣罐ii、另一端依次氣管連接所述質量流量控制器、電磁閥ii、參考腔、電磁閥iv、真空泵，所述氣壓計通過所述電磁閥iii連接所述參考腔，所述熱偶連接于所述參考腔外，所述樣品腔通過所述電磁閥v連接所述參考腔，所述樣品腔用于放置所測試的吸附劑樣品，所述儲氣罐i中裝有測試用的乙炔氣體，所述儲氣罐ii中裝有高純氮氣，所述氣壓計和熱偶分別用于監控所述參考腔內氣體的壓強和溫度，所述真空泵用于對裝置進行抽真空，所述參考腔、熱偶、電磁閥v、樣品腔位于所述恒溫槽內以保持溫度一致并可控，所述質量流量控制器控制進入所述參考腔的氣體流量速率，能夠在0到30mln/min之間調節，誤差±0.2％，所述電磁閥i、電磁閥ii、電磁閥iii、電磁閥iv、電磁閥v型號均為burket2400型、且均特殊設計成在開啟與關閉之間變化過程中，其內部容積不會產生變化。

所述參考腔不同位置可以安裝多個所述熱偶、并以其讀數的平均值來確定氣體的溫度；裝置所測試的吸附劑樣品形狀為塊狀或薄膜、且尺寸小于1厘米×1厘米×0.5厘米；所述電磁閥i、質量流量控制器、電磁閥ii、電磁閥iii、氣壓計、熱偶、電磁閥iv、電磁閥v均由計算機控制。

利用所述一種乙炔吸附測量的裝置測量實驗，能夠進行兩種吸附測量實驗，第一種是具有更高實驗精度的容量法吸附測量方法，第二種是能夠在一個完整的充氣增壓過程中一次性得到多重等溫線的吸附測量方法。

第一種方法步驟為：

一.將經過干燥去氣處理的納米材料樣品放入所述樣品腔；

二.開啟所述真空泵，并開啟所述電磁閥i、電磁閥ii、電磁閥iii、電磁閥iv、電磁閥v，對裝置進行真空脫氣；

三.關閉所述電磁閥iv、電磁閥v，并開啟所述儲氣罐ii上的閥門，使得高純氮氣充入所述參考腔、樣品腔以及裝置真空系統內的其他區域，在這個過程中所述質量流量控制器設置一定的參數控制氣體流速并記錄相關數據；

四.通過所述質量流量控制器的流量數據確定進入裝置真空系統的氣體摩爾數，并計算流過所述質量流量控制器的氣體體積與氣壓p和真空系統總容積vtot的關系為其中tn和pn是正常條件下的溫度和氣壓，t是真空系統容積的溫度，估算曲線的斜率就能夠確定vtot＝vs+vr+vother，其中vs為所述樣品腔的容積，vr為所述參考腔的容積，vother為裝置真空系統內的其他區域的容積；

五.開啟所述真空泵，并開啟所述電磁閥i、電磁閥ii、電磁閥iii、電磁閥iv、電磁閥v，抽出裝置內氮氣；

六.關閉所述電磁閥iv、電磁閥v，并開啟所述儲氣罐i上的閥門，使得乙炔氣體充入所述參考腔，待達到平衡態后關閉所述電磁閥i；

七.開啟所述電磁閥v，使得所述參考腔中乙炔氣體膨脹進入所述樣品腔，待氣壓平衡后記錄所述氣壓計讀數及熱偶讀數；

八.開啟所述真空泵，并開啟所述電磁閥i、電磁閥ii、電磁閥iii、電磁閥iv、電磁閥v，抽出裝置內乙炔氣體；

九.重復上述步驟六至步驟八，直到氣壓達到500bar，設共重復了n次，記錄每一個平衡態氣壓下的所述氣壓計讀數及熱偶讀數；

十.計算氣體吸附量，以摩爾數表示，氣體由所述參考腔膨脹進入所述樣品腔后，待氣壓達到平衡態時，減少的氣體摩爾數即被吸收的氣體摩爾數；每一個平衡態氣壓下，通過真實氣體定律來計算氣體吸附量nads＝ri[vr(r0/ri一1)-vs]+ri-1vs，其中

ri＝pi/(z(ti，pi)rti)是氣體的摩爾密度、i為1至n的整數，z(ti，pt)是氣體在溫度ti和氣壓pi條件下的壓縮系數，r0是氣體膨脹前在參考腔中的摩爾密度，ri是氣體在所述樣品腔中膨脹并經過樣品吸收后的摩爾密度；將所得的每一個平衡態氣壓下氣體吸附量的數據點畫在二維圖上并連接成曲線，縱坐標為吸附的摩爾數，橫坐標為平衡態氣壓，就得到吸附等溫線。

第二種方法步驟為：

一.在裝置內無樣品情況下，真空系統密封并開啟所述真空泵，開啟所述電磁閥i、電磁閥ii、電磁閥iii、電磁閥iv、電磁閥v，對裝置進行真空脫氣；

二.關閉所述電磁閥iv、電磁閥v，并開啟所述儲氣罐ii上的閥門，使得高純氮氣充入所述參考腔、樣品腔以及裝置真空系統內的其他區域，在這個過程中所述質量流量控制器設置一定的參數控制氣體流速并記錄相關數據；

三.通過所述質量流量控制器的流量數據確定進入裝置真空系統的氣體摩爾數，并計算流過所述質量流量控制器的氣體體積與氣壓p和真空系統總容積vtot的關系為其中tn和pn是正常條件下的溫度和氣壓，t是真空系統容積的溫度，估算曲線的斜率就能夠確定vtot＝vs+vr+vother，其中vs為所述樣品腔的容積，vr為所述參考腔的容積，vother為裝置真空系統內的其他區域的容積；

四.取待測的樣品，經其他裝置中以真空加熱的方式干燥樣品后，測量干燥樣品的初始質量m0，接下來在水蒸氣環境中使樣品變潮濕，測量潮濕的樣品質量m1，再將潮濕的樣品裝入所述樣品腔，開啟所述真空泵，并開啟所述電磁閥i、電磁閥ii、電磁閥iii、電磁閥iv、電磁閥v，對裝置進行五分鐘初步真空脫氣；

五.關閉所述電磁閥iv、電磁閥v，并開啟所述儲氣罐i上的閥門，使得乙炔氣體充入所述參考腔，待達到平衡態后關閉所述電磁閥i，記錄此時所述參考腔的溫度t0、以及所述氣壓計讀數；

六.開啟所述電磁閥iv使得氣體膨脹進入所述樣品腔并與樣品達到平衡態即沒有氣體繼續吸收，記錄此時所述參考腔的溫度t1、以及所述氣壓計讀數，通過調節所述恒溫槽將溫度升高到t2，待達到平衡態后記錄此時氣壓計讀數，通過調節所述恒溫槽將溫度繼續升高至t3，待達到平衡態后記錄此時氣壓計讀數，使得能夠在一個單獨的氣體注入過程中，t1、t2和t3三個等溫線對應的數據點能夠同時確定；

七.重復上述步驟五和步驟六，直到所述樣品腔的平衡氣壓達到500bar，設總共進行了n次由所述儲氣罐i向所述參考腔中充入乙炔氣體的操作，即一個完整的充氣增壓過程；

八.過剩吸附的計算，第i次向所述參考腔中充入乙炔氣體的操作后的過剩吸附，通過進入所述樣品腔的氣體的總質量與占據真空系統容積的氣體質量的差值來計算其中i是1到n之間的整數、為第i次向所述參考腔中充入乙炔氣體的操作并達到平衡后氣壓和溫度條件下的乙炔的密度，在總共n次向所述參考腔中充入乙炔氣體的操作中，從所述參考腔傳輸進入所述樣品腔的乙炔的質量由計算，其中和分別是第i次充入乙炔操作中的充盈期和平衡期時乙炔在所述參考腔內的密度，分別由上述步驟五中和步驟六中測得的氣壓及溫度條件查表得到；

九.對于樣品質量進行歸一化后的過剩吸附質量

其中m0為樣品初始質量、tj表示t1、t2或t3，得到每個溫度條件下的過剩吸附量，即吸附氣體的摩爾數其中mgas是乙炔的摩爾質量；

十.將上述某個溫度tj條件下所得的每一個平衡態氣壓下氣體吸附量的數據，點畫在二維圖上并連接成曲線，縱坐標為吸附氣體的摩爾數，橫坐標為平衡態氣壓，就得到該tj條件下的吸附等溫線，使得能夠在一個完整的充入乙炔氣體增壓過程中，一次性得到多個溫度條件下的吸附等溫線，而無需多次對樣品進行去氣操作，從而節省時間。

本發明的有益效果是：

進行第一種測量實驗時，能夠更精確的確定裝置的真空系統容積，減少校準過程中的誤差，使用質量流量控制器來測量總的真空系統容積，減小了實驗結果的不確定度，也避免使用校準樣品。進行第二種測量實驗時，與高壓吸附測試中使用的傳統測壓方法不同之處在于乙炔吸附實驗中氣體的溫度是可控的、變化的，由于連續等溫線測量需要在每一個單獨吸附測試后對樣品去氣，從而需要較多時間，利用本裝置進行測量實驗相比于連續等溫線測量實驗，能夠大幅度減少測量時間，裝置系統內的含水量在所有溫度條件下保持恒定，這使得在系統真空容積足夠小的條件下，樣品含水量隨溫度的變化可以忽略不計。

附圖說明

下面結合本發明的圖形進一步說明：

圖1是本發明示意圖。

圖中，1.儲氣罐i，2.儲氣罐ii，3.電磁閥i，4.質量流量控制器，5.電磁閥ii，6.參考腔，7.電磁閥iii，8.氣壓計，9.熱偶，10.電磁閥iv，11.真空泵，12.電磁閥v，13.樣品腔，14.恒溫槽。

具體實施方式

如圖1是本發明示意圖，主要包括儲氣罐i1、儲氣罐ii2、電磁閥i3、質量流量控制器4、電磁閥ii5、參考腔6、電磁閥iii7、氣壓計8、熱偶9、電磁閥iv10、真空泵11、電磁閥v12、樣品腔13、恒溫槽14及氣管，所述電磁閥i3一端通過閥門氣管連接于所述儲氣罐i1和所述儲氣罐ii2、另一端依次氣管連接所述質量流量控制器4、電磁閥ii5、參考腔6、電磁閥iv10、真空泵11，所述氣壓計8通過所述電磁閥iii7連接所述參考腔6，所述熱偶9連接于所述參考腔6外，所述樣品腔13通過所述電磁閥v12連接所述參考腔6，所述樣品腔13用于放置所測試的吸附劑樣品，所述儲氣罐i1中裝有測試用的乙炔氣體，所述儲氣罐ii2中裝有高純氮氣，所述氣壓計8和熱偶9分別用于監控所述參考腔6內氣體的壓強和溫度，所述真空泵11用于對裝置進行抽真空，所述參考腔6、熱偶9、電磁閥v12、樣品腔13位于所述恒溫槽14內以保持溫度一致并可控，所述質量流量控制器4控制進入所述參考腔6的氣體流量速率，能夠在0到30mln/min之間調節，誤差±0.2％，所述電磁閥i3、電磁閥ii5、電磁閥iii7、電磁閥iv10、電磁閥v12型號均為burket2400型、且均特殊設計成在開啟與關閉之間變化過程中，其內部容積不會產生變化。

所述參考腔6不同位置可以安裝多個所述熱偶9、并以其讀數的平均值來確定氣體的溫度；裝置所測試的吸附劑樣品形狀為塊狀或薄膜、且尺寸小于1厘米×1厘米×0.5厘米；所述電磁閥i3、質量流量控制器4、電磁閥ii5、電磁閥iii7、氣壓計8、熱偶9、電磁閥iv10、電磁閥v12均由計算機控制。

本發明在一個完整的充入乙炔氣體增壓過程中，無需打開裝置的真空系統，因此真空系統中水含量不變，減小了因水含量不同而造成的單獨實驗的結果的差異。