全自動(dòng)比表面儀測(cè)試及維護(hù)常見問題探討

余 磊 彭少華 舒 婕

(蘇州大學(xué)分析測(cè)試中心，蘇州 215123)

經(jīng)驗(yàn)交流

全自動(dòng)比表面儀測(cè)試及維護(hù)常見問題探討

余 磊 彭少華 舒 婕

(蘇州大學(xué)分析測(cè)試中心，蘇州 215123)

全自動(dòng)比表面儀可以測(cè)定微孔、介孔及大孔樣品比表面積以及孔徑分布等。儀器要求的真空度很高，因此，必須經(jīng)常查看室內(nèi)溫濕度及真空泵系統(tǒng)運(yùn)行情況。另外，預(yù)處理目的是是除去樣品中可揮發(fā)有機(jī)模板劑、水及空氣等，以得到有效的分析數(shù)據(jù)。

全自動(dòng)比表面儀 比表面積 孔徑分布

全自動(dòng)比表面儀[1-3]ASAP2020(圖1)可以用來檢測(cè)比表面積以及孔徑分布等，比表面積測(cè)定原理是利用物質(zhì)表面(包括外表面及內(nèi)部孔道表面)的低溫下發(fā)生物理吸附，因?yàn)榈蜏乜梢员苊饣瘜W(xué)吸附因此，因此，吸附法測(cè)得的表面積實(shí)質(zhì)上是吸附質(zhì)分子所能達(dá)到的材料的外表面和內(nèi)部孔道總表面積之和。

測(cè)試比表面積時(shí)，相對(duì)壓力(P/P0)要控制在0.05～0.35之間，因?yàn)榈陀?.05時(shí)，氮?dú)夥肿雍茈y形成多層吸附，不易建立平衡，而高于0.35時(shí)，會(huì)發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，妨礙多層物理吸附，這樣就使得測(cè)試結(jié)果中喪失了內(nèi)部孔道表面積。

測(cè)試孔徑分布時(shí)，相對(duì)壓力(P/P0)要控制在0.35～0.95之間，因?yàn)闅怏w吸附法測(cè)定孔徑分布是利用毛細(xì)凝聚現(xiàn)象以及體積等效交換原理，即將被測(cè)孔中充滿的氮?dú)獾刃榭椎捏w積。對(duì)于一定的P/P0值，存在一臨界孔半徑，半徑小于臨界孔半徑的所有孔都發(fā)生毛細(xì)冷凝，使得氮?dú)馓畛淦渲校部梢岳斫鉃閷?duì)于已經(jīng)發(fā)生毛細(xì)冷凝的孔，當(dāng)壓力低于一定的P/P0時(shí)，半徑大于臨界孔半徑的孔中凝聚液化的氮?dú)鈿饣⑼懈冻鰜恚ㄟ^測(cè)定樣品在不同P/P0下凝聚氮?dú)饬浚L制出其等溫脫附曲線。

1 日常測(cè)試

高純氮?dú)馐侨詣?dòng)比表面儀ASAP2020最常用的吸附質(zhì)氣體，日常測(cè)試時(shí)鋼瓶壓力保持在0.1MPa左右為宜，同時(shí)在測(cè)試之前應(yīng)該讓儀器抽真空一段時(shí)間，脫氣站真空為0mmHg以及分析站真空為2μmHg時(shí)說明儀器真空正常。

1.1 脫氣預(yù)處理

準(zhǔn)確稱量好樣品后，就可以對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理涉及到高溫加熱及抽真空，目的是除去樣品中可揮發(fā)有機(jī)模板劑、水及空氣等，因此，學(xué)生送樣時(shí)必須要注明樣品處理溫度，在這個(gè)預(yù)處理溫度下，樣品不能揮發(fā)及分解，否則會(huì)對(duì)真空泵及儀器造成損壞，影響科研測(cè)試，預(yù)處理過程以真空度為標(biāo)準(zhǔn)，一般當(dāng)真空度低于20μmHg時(shí)就可以進(jìn)行分析操作，但是在分析之前需要用氮?dú)饣靥畹揭粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，否則拆不下來樣品管。

圖1 全自動(dòng)比表面分析儀

1.2 分析實(shí)驗(yàn)

分析實(shí)驗(yàn)是在脫氣預(yù)處理完成后，將樣品管戴上保溫夾套并轉(zhuǎn)移到分析站上、P0管與分析樣品管靠在一起，以及分析站的液氮保溫套中加滿液氮，然后觀察分析軟件上測(cè)試之前儀器管道壓力，如果是2μmHg則正常，可以進(jìn)行分析，否則要找到真空度不足的原因方可進(jìn)行分析操作，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，儀器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉相應(yīng)閥門并將樣品管真空度回填到一個(gè)大氣壓，同時(shí)自動(dòng)開始抽真空至2μmHg。

1.3 拆洗冷肼管

冷肼管有兩根，左邊一根是與脫氣相連，右邊一根是與分析站相連，冷肼管外面有液氮保溫套，冷肼主要作用就是在脫氣及分析時(shí)樣品中被真空抽出來的水汽或有機(jī)小分子在液氮環(huán)境下冷凝下來，這樣真空度就能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求。

拆洗冷肼管之前，先要關(guān)閉干泵及油泵，然后將脫氣站及分析站相連的冷肼管用高純氮?dú)饣靥畹揭粋€(gè)大氣壓，關(guān)閉軟件，最后關(guān)閉儀器電源，拆下冷肼管，洗干凈并烘干，同時(shí)將脫氣和分析站保溫套里面的冰用溫水融化并晾干，一切準(zhǔn)備就緒后將冷肼管裝上，脫氣保溫套加好液氮放到冷肼管中，開機(jī)打開軟件，當(dāng)脫氣站真空抽至0mmHg及分析站真空抽至2μmHg時(shí)再穩(wěn)定兩小時(shí)左右，即可進(jìn)行脫氣及分析實(shí)驗(yàn)。

1.4 后處理

分析測(cè)試結(jié)束后，將樣品回收，洗凈樣品管并烘干供后續(xù)預(yù)處理及分析用。

2 測(cè)試常見問題

2.1 分析時(shí)間過長

某些樣品的分析時(shí)間太長，達(dá)到十個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間。這可能是由于樣品預(yù)處理時(shí)間及溫度不夠，或者是由于冷肼液氮保溫套及分析保溫套中沒有加滿液氮，從而導(dǎo)致在分析時(shí)達(dá)到每一個(gè)分壓時(shí)間過長，最終導(dǎo)致分析時(shí)間過長。

2.2 測(cè)出的比表面積很小

某些樣品測(cè)出的BET比表面很小，幾乎為零。這可能是由于樣品本身就沒有孔道、孔道被雜質(zhì)填滿導(dǎo)致真空下不易抽出來、樣品在反應(yīng)或處理過程中孔道崩塌，這樣情況需要科研人員仔細(xì)分析產(chǎn)品合成過程，找出可能原因來解決問題。

2.3 遲滯環(huán)不閉合

圖2 遲滯環(huán)閉合與不閉合

某些樣品測(cè)出的遲滯環(huán)不閉合(圖2)。這種情況比較常見，需要結(jié)合吸收量及孔徑分布進(jìn)行分析。可能是因?yàn)闃悠吩诜治鰰r(shí)孔道部分坍塌，造成部分孔道內(nèi)的氮?dú)夥肿用摳綍r(shí)未能脫附出來；可能樣品在實(shí)驗(yàn)過程中未處理干凈，造成部分雜質(zhì)留在孔道中，形成類似于墨水瓶狀的的小孔孔道，這樣造成脫附曲線不能和吸附曲線重合；反應(yīng)后的催化劑上面吸附了容易在真空下分解的東西，有物質(zhì)分解的話，遲滯環(huán)不閉合。

但如果孔徑分布曲線走勢(shì)相同，而吸附量減少明顯，這種情況說明孔的數(shù)量明顯減少，也就是說，孔還那樣的分布，但是數(shù)量減少了。

3 日常維護(hù)

儀器維護(hù)主要是針對(duì)真空系統(tǒng)的維護(hù)。油泵潤滑油液下降到最低刻度(正常刻度為1/2～2/3)時(shí)應(yīng)加油(由于消耗少，幾乎不用加油，一到兩年加一次)；油泵的油氣阱中氧化鋁球定期更換，以氧化鋁球變顏色為準(zhǔn)(超過一半以上變色需更換)，新氧化鋁球使用前要烘干(350℃下烘4小時(shí))，不要使用已用過的氧化鋁球；儀器管理人員應(yīng)該定期擦拭儀器保持儀器表面潔凈；配備抽濕機(jī)及空調(diào)來保證儀器室溫濕度；定期加液氮及清洗烘干冷肼管和液氮保溫桶。另外，如果儀器短期不用則不用關(guān)機(jī)，使儀器始終處于抽真空狀態(tài)；但如果長時(shí)間不用則需要按照順序關(guān)機(jī)，以保證儀器正常使用壽命。

4 結(jié)論

全自動(dòng)比表面儀可以用來測(cè)定微孔、介孔及大孔樣品比表面積以及孔徑分布等。儀器要求的真空度很高，因此，必須保證干泵、油泵及分子泵的正常運(yùn)行，及時(shí)查看室內(nèi)溫濕度、真空泵油液及氧化鋁球干燥劑，另外，測(cè)試分為預(yù)處理和分析兩步，預(yù)處理目的是是除去樣品中可揮發(fā)有機(jī)模板劑、水及空氣等，并最終節(jié)約分析時(shí)間、保護(hù)分析泵及得到準(zhǔn)確結(jié)果，最大限度地為科研提供幫助。

[1] 彭少華, 馬泓冰. 全自動(dòng)比表面與孔隙度分析儀真空故障的排查與維護(hù)[J]. 分析測(cè)試技術(shù)與儀器, 2013,2(19): 118-121.

[2] 高濤, 王銳, 王耿媛. 全自動(dòng)比表面積分析儀校準(zhǔn)方法及其不確定度評(píng)定研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2016, 43(1): 71-72.

[3] 劉時(shí)鑄. 比表面積儀的維護(hù)與故障處理[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2013, 13(4): 156-158.

Discussion on test and maintenance of automatic specific surface area analyzer.

Yu Lei, Peng Shaohua, Shu Jie

(Testing and Analysis Center, Soochow University, Suzhou 215123, China)

Automatic surface area analyzer can measure specific surface area and pore-size distribution of micropore, mesoporous and macroporous samples.It is necessary to check temperature, humidity and operating conditions of vacuum pumps system.

automatic surface area analyzer; specific surface area; pore-size distribution

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(21673148)

余磊，男，1982年出生，碩士研究生，中級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事儀器測(cè)試及管理工作，E-mail：yulei198415@163.com。

舒婕，女，1982年出生，博士研究生，副研究員，主要研究方向?yàn)楣腆w核磁共振技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：jie_sh@yeah.net。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.020

2016-11-28