氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的規(guī)范建設(shè)

張 賀,劉海霞,鄒永存

(1.吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012;2.庫(kù)祖(上海)科技有限公司,上海 200000)

0 引言

材料是社會(huì)發(fā)展的基石和驅(qū)動(dòng)力。多孔材料具有貫通或者封閉的孔洞,廣泛地用于氣體吸附和分離、能源存儲(chǔ)、催化和傳感等領(lǐng)域。氣體吸附實(shí)驗(yàn)是研究多孔材料最為重要的表征技術(shù)。氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的安全管理也成為重要一環(huán)。然而,實(shí)驗(yàn)室用氣安全事故不斷產(chǎn)生,并直接阻礙高校實(shí)驗(yàn)室的健康穩(wěn)步發(fā)展,已引起眾多高校以及社會(huì)人士的廣泛關(guān)注。另外,氣體數(shù)據(jù)分析是通過(guò)儀器已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)而完成的,這會(huì)造成一些錯(cuò)誤。因此,規(guī)范建設(shè)氣體吸附實(shí)驗(yàn)室具有重要意義:一方面盡量避免了由于分析氣體的復(fù)雜多樣帶來(lái)的安全問(wèn)題;另一方面提高了學(xué)生從吸附原理到具體數(shù)據(jù)分析等方面的認(rèn)識(shí),保證數(shù)據(jù)解析的正確性。為此,筆者認(rèn)為針對(duì)高校氣體吸附實(shí)驗(yàn)室安全管理規(guī)范建設(shè)進(jìn)行探討很有必要,以下詳細(xì)展開(kāi)討論。

1 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室背景

具有高比表面積和結(jié)構(gòu)多樣的多孔材料廣泛地用于吸附、催化和分離等領(lǐng)域[1]。描述和研究多孔材料,需要明確其孔特性(孔徑、孔容和比表面積等)。通過(guò)測(cè)試77 K下氮?dú)饣蛘?7 K下氬氣的吸附-脫附等溫曲線,可以計(jì)算得到多孔材料的孔參數(shù)。此外,氣體吸附儀器不僅用于分析多孔材料的孔參數(shù),而且可以用于研究多孔材料的氣體吸附和分離性質(zhì)。筆者在氣體吸附實(shí)驗(yàn)室管理方面經(jīng)驗(yàn)豐富,結(jié)合所在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)了如下一些問(wèn)題。

1.1 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的分析測(cè)試技術(shù)背景

吉林大學(xué)無(wú)機(jī)合成與制備化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)一致專注于多孔材料的設(shè)計(jì)、合成以及性質(zhì)研究工作。隨著高校辦學(xué)實(shí)力與水平持續(xù)攀升,校內(nèi)氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備補(bǔ)充變得越來(lái)越協(xié)調(diào)與完善。目前實(shí)驗(yàn)室有16臺(tái)不同廠家的多功能吸附表征儀器,使用的氣體包括氮?dú)狻⒀鯕?、氫氣、氨氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳等。?fù)雜多樣的供氣系統(tǒng)和環(huán)境,給氣體吸附實(shí)驗(yàn)室在管理和使用方面提出了更高的要求。

1.2 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題背景

2019年5月,教育部在《關(guān)于加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)室安全工作的意見(jiàn)》中要求高校加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全管理。近年來(lái),由高壓氣體引發(fā)的爆炸事故屢見(jiàn)不鮮。兄弟高校血淋淋的安全事故時(shí)刻提醒著實(shí)驗(yàn)室安全不容忽視,涉及眾多氣體的吸附實(shí)驗(yàn)室必須安全并且規(guī)范地使用這些高壓氣體[2-3]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀,筆者先后去其他高校實(shí)驗(yàn)室參觀、學(xué)習(xí),總結(jié)各自的長(zhǎng)處,細(xì)化實(shí)驗(yàn)室的用氣安全。改造前實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題如下。

(1)氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的氣體多樣性和復(fù)雜性。為了滿足不斷發(fā)展的科研需求,實(shí)驗(yàn)室的分析氣體種類逐漸增多。氫氣、氨氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯和丁烷等氣體均是易燃易爆的,在實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)存放這些氣體非常危險(xiǎn)。

(2)高壓氣瓶問(wèn)題。高壓氣瓶容易受光照或外界撞擊發(fā)生物理爆炸,或由實(shí)驗(yàn)室中其他易燃易爆物質(zhì)的燃爆而誘發(fā)化學(xué)爆炸,高壓氣體爆炸非常危險(xiǎn)[4]。鋼瓶在實(shí)驗(yàn)室里到處都有,搬運(yùn)過(guò)程中也容易發(fā)生爆炸。

(3)氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的終端位點(diǎn)多。伴隨氣體吸附儀器的增加以及分析氣體的增多,連接位點(diǎn)數(shù)量急劇增加。此外,氣路排布也愈發(fā)復(fù)雜,不同氣路之間極易混淆,這帶來(lái)了極大的安全隱患。

(4)氣體吸附儀器工作負(fù)荷大。近年來(lái),實(shí)驗(yàn)室關(guān)于多孔性能方面的測(cè)試樣品數(shù)量逐年遞增。除假期外,氣體吸附儀器一直處于工作狀態(tài),僅僅依靠測(cè)試人員無(wú)法24小時(shí)監(jiān)控儀器的運(yùn)行狀態(tài),尤其在學(xué)校寒暑假放假期間,無(wú)法監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室安全。

1.3 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)分析背景

研究生完成樣品的制備和基礎(chǔ)表征之后,將樣品送到吸附實(shí)驗(yàn)室,由相對(duì)固定的人員完成氣體吸附測(cè)試。等到樣品吸附曲線測(cè)試完成之后,儀器按照已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,形成報(bào)告返回到送樣人。數(shù)據(jù)里的氣體吸附等溫線是儀器測(cè)量而來(lái)的,而孔參數(shù)(孔徑、孔容和比表面積等)依賴于計(jì)算時(shí)設(shè)置的參數(shù)。對(duì)于多孔材料,其比表面積和孔徑分布是最重要的信息。筆者在和研究生討論吸附測(cè)試結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)存在諸多問(wèn)題,主要包括:

(1)氣體吸附的理論知識(shí)欠缺。不能清晰準(zhǔn)確地分析氣體吸附曲線類型和特殊性,缺乏相應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備。

(2)比表面積的數(shù)據(jù)分析問(wèn)題。根據(jù)多孔材料的曲線類型,選擇合適的比表面積模型,通常是Langmuir或者BET模型。此外,在計(jì)算比表面積時(shí),存在取點(diǎn)范圍錯(cuò)誤的問(wèn)題,導(dǎo)致線性相關(guān)系數(shù)偏差大或者相關(guān)參數(shù)C為負(fù)值。

(3)孔徑分布的數(shù)據(jù)分析問(wèn)題。不同廠家生產(chǎn)的氣體吸附儀器,其孔徑分布的計(jì)算模型不一樣。吸附測(cè)試人員往往不清楚每個(gè)樣品的基本性質(zhì)(組成和孔的幾何形狀等)。在利用儀器自動(dòng)分析數(shù)據(jù)時(shí),其選用的計(jì)算模型可能與實(shí)際樣品不符,導(dǎo)致孔徑分布存在過(guò)大誤差。

基于上述氣體吸附實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題,測(cè)試系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)解析正確性是實(shí)驗(yàn)室需要認(rèn)真對(duì)待和解決的問(wèn)題。

2 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

筆者在氣體吸附實(shí)驗(yàn)室管理方面經(jīng)驗(yàn)豐富,發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室存在的安全隱患、儀器功能單一化和研究生理論知識(shí)欠缺等問(wèn)題。目前,氣體吸附實(shí)驗(yàn)室不僅確保了測(cè)試過(guò)程的安全性,而且拓寬了實(shí)驗(yàn)室在多孔材料方面的研究領(lǐng)域,激發(fā)了研究生的自主性。通過(guò)介紹筆者在氣體吸附實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的經(jīng)驗(yàn),為一些具有潛在危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供借鑒。此外,針對(duì)一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),研究者需要做到自己動(dòng)手分析和處理數(shù)據(jù),摒棄“數(shù)據(jù)報(bào)告依賴癥”。

2.1 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的氣路改造

氣體吸附實(shí)驗(yàn)室所涉及的氣體種類多,有些是易燃易爆的。在整個(gè)氣路改造中,重點(diǎn)包括以下4個(gè)方面。

(1)獨(dú)立的高壓氣瓶存放地點(diǎn)。目前,實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)購(gòu)置多臺(tái)氣體吸附儀器,并且分析氣體類型多,這會(huì)涉及幾十個(gè)高壓氣瓶。在實(shí)驗(yàn)室外按照國(guó)家規(guī)范建設(shè)了混凝土鋼結(jié)構(gòu)的防爆氣瓶間,設(shè)置了泄爆面,并做了防雷接地,安裝了靜電消除裝置、泄露監(jiān)控系統(tǒng)、低壓監(jiān)控系統(tǒng),室內(nèi)配備防爆電器、通風(fēng)系統(tǒng),同時(shí)氣瓶放在相應(yīng)的防爆氣瓶柜內(nèi)。由于吸附實(shí)驗(yàn)室的氣體種類多,使用點(diǎn)多,一旦出現(xiàn)泄漏無(wú)法精準(zhǔn)地找到泄漏點(diǎn),在一樓監(jiān)控室設(shè)置了實(shí)驗(yàn)氣路安全監(jiān)控系統(tǒng),可以非常清晰地看清每一個(gè)點(diǎn)的氣體使用情況,一旦泄漏監(jiān)控系統(tǒng)上出現(xiàn)某個(gè)點(diǎn)泄漏,報(bào)警的同時(shí)也會(huì)把泄漏信息傳送到管理手機(jī)上,這樣實(shí)現(xiàn)了無(wú)死角監(jiān)控,為排除隱患起到強(qiáng)有力的安全保障。氣體建設(shè)完成后,邀請(qǐng)了具有CMA資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具合格的檢測(cè)報(bào)告后才投入使用。

(2)規(guī)范的氣路安排。通過(guò)潔凈管道將氣瓶間內(nèi)的高壓氣體通過(guò)一級(jí)減壓系統(tǒng)減壓后引入吸附實(shí)驗(yàn)室,在氣路設(shè)計(jì)及施工中充分考慮實(shí)驗(yàn)室操作人員的實(shí)驗(yàn)需求,合理地分布各種氣體管道,并且在主管道、終端管道及終端使用點(diǎn)清晰地標(biāo)注每種氣體名稱。因?yàn)橐粋€(gè)房間180余個(gè)使用點(diǎn)如果不清晰標(biāo)注,一旦氣體連接錯(cuò)誤將出現(xiàn)重大安全事故。

(3)安裝氣體監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。針對(duì)易燃易爆(氫氣、氧氣、一氧化碳、甲烷和乙炔等)氣體,安裝了低壓及針對(duì)每種氣體的泄漏報(bào)警裝置。當(dāng)被測(cè)氣體濃度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)或者有氣體泄漏時(shí),一樓監(jiān)控室和實(shí)驗(yàn)室管理人員會(huì)同步收到報(bào)警信息,實(shí)時(shí)了解任何一路氣體狀態(tài);實(shí)驗(yàn)室智能化管理讓管理者在家里也能監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室用氣安全。

(4)安裝排風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)預(yù)警氣體泄漏時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng),將危險(xiǎn)氣體排出實(shí)驗(yàn)室(見(jiàn)圖1)。

2.2 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的儀器功能拓展

目前,氣體多功能吸附儀器不僅用于多孔材料的孔參數(shù)測(cè)試工作,而且在多孔材料的氣體吸附和分離性質(zhì)研究中也發(fā)揮著重要作用。當(dāng)分析多孔材料的孔參數(shù)時(shí),測(cè)試條件為77 K氮?dú)饣蛘?7 K氬氣。近年來(lái),利用多孔材料進(jìn)行氣體吸附的研究工作受到廣泛關(guān)注,例如煙道氣中二氧化碳捕獲、天然氣純化、乙烯純化、丙烯純化和煤層氣中甲烷富集等。筆者所在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套變溫溫度控制系統(tǒng),在評(píng)價(jià)多孔材料的氣體分離性能時(shí),樣品測(cè)試溫度變化范圍為253～340 K。此外,氣體測(cè)試種類10余種,將有助于拓寬實(shí)驗(yàn)室在多孔材料機(jī)理研究方面的范圍。

2.3 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)分析規(guī)范性

氣體吸附儀器比較精細(xì),并且測(cè)試過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,因此,選擇幾個(gè)固定人員使用該儀器。在數(shù)據(jù)分析時(shí),測(cè)試人員通常會(huì)根據(jù)儀器已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行分析,可能會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)失真甚至錯(cuò)誤。這主要是由于研究生欠缺氣體吸附的理論知識(shí),以及過(guò)度相信儀器給出的數(shù)據(jù)報(bào)告造成的。目前,實(shí)驗(yàn)室正在針對(duì)以上問(wèn)題做出如下改進(jìn):一是組織在氣體吸附方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的老師給研究生講授從原理到數(shù)據(jù)處理方面的知識(shí);二是邀請(qǐng)氣體吸附儀器廠家的技術(shù)人員到實(shí)驗(yàn)室講學(xué)和交流;三是定期對(duì)儀器進(jìn)行參數(shù)校正。這些舉措有利于研究生提高氣體吸附理論水平和數(shù)據(jù)分析的正確性。

3 氣體吸附實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成效

經(jīng)過(guò)不斷的摸索與建設(shè),氣體吸附實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行環(huán)境安全性、測(cè)試全面性、分析時(shí)效性和數(shù)據(jù)分析正確性等方面有顯著提升,每年發(fā)表100余篇相關(guān)SCI論文。研究生非常認(rèn)可氣體吸附實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行管理模式。在2021年學(xué)校實(shí)驗(yàn)室評(píng)比中,吸附實(shí)驗(yàn)室被授予紅旗實(shí)驗(yàn)室。

3.1 運(yùn)行環(huán)境安全性

氣體吸附實(shí)驗(yàn)室存在高壓氣瓶多、管路排布復(fù)雜和儀器長(zhǎng)期工作等問(wèn)題。在完成供氣管路、氣體監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)改造后完全實(shí)現(xiàn)智能化管理,實(shí)驗(yàn)室安全性得到大幅提升(見(jiàn)圖2)。

圖2 集中供氣系統(tǒng)

3.2 測(cè)試全面性

伴隨實(shí)驗(yàn)室升級(jí)氣體吸附儀器,分析測(cè)試從單純的孔參數(shù)分析到多孔材料不同類型的氣體吸附和分離性質(zhì)研究。測(cè)試77 K氮?dú)夂?7 K氬氣吸附可以得到多孔材料的孔參數(shù)(孔徑、孔容和比表面積等);測(cè)試273和298 K下的氮?dú)狻⒓淄?、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳等吸?可以研究多孔材料的煙道氣中二氧化碳捕獲、天然氣純化、乙烯純化、丙烯純化和煤層氣中甲烷富集等性能。

3.3 分析時(shí)效性

在氣路改造之前,在分析不同氣體之后需要手動(dòng)更換高壓氣瓶。由于涉及的氣體類型太多,這比較煩瑣;在氣路升級(jí)后,測(cè)試不同類型的氣體時(shí),控制都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部,只需選擇對(duì)應(yīng)的氣路即可。同時(shí),吸附實(shí)驗(yàn)用氣量很大,氣路改造前,鋼瓶氣壓不足時(shí),換鋼瓶時(shí)實(shí)驗(yàn)需要中斷。吸附實(shí)驗(yàn)室氣路改造后,這一問(wèn)題得到解決,一瓶用完會(huì)自動(dòng)切換到另一側(cè),保證了實(shí)驗(yàn)的持續(xù)性。

3.4 數(shù)據(jù)分析正確性

改造后的集中供氣系統(tǒng)安裝了排空功能,對(duì)實(shí)驗(yàn)室的氣體純度進(jìn)行了二次保護(hù),為儀器及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了強(qiáng)有力的保障。氣體吸附數(shù)據(jù)處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,研究者的傳統(tǒng)思維是拿到儀器給出的報(bào)告然后再處理數(shù)據(jù)。然而,吸附儀器設(shè)定的分析參數(shù)有時(shí)候不正確。因此,需要研究者自己分析和處理數(shù)據(jù)。通過(guò)組織研究生進(jìn)行氣體吸附相關(guān)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)交流,有利于其不斷提升氣體吸附基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)分析方面的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

多孔材料是成千上萬(wàn)的材料中的一類,其廣泛用于氣體吸附和分離、催化、能源存儲(chǔ)和傳感等領(lǐng)域。氣體吸附實(shí)驗(yàn)在研究多孔材料時(shí)極其重要。規(guī)范建設(shè)氣體吸附實(shí)驗(yàn)室,要非常重視測(cè)試安全性和數(shù)據(jù)分析正確性。在吉林大學(xué)氣體吸附實(shí)驗(yàn)室中,針對(duì)種類復(fù)雜并且易燃易爆的高壓氣體,通過(guò)氣體管路改造、鋼瓶獨(dú)立存放、監(jiān)控報(bào)警以及排風(fēng)系統(tǒng)的安裝,構(gòu)建了一個(gè)智能化管理、安全的吸附實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)儀器定期維修校正,盡量避免了多功能吸附儀器設(shè)定的分析參數(shù)過(guò)于機(jī)械化導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析結(jié)果錯(cuò)誤。同時(shí),在建設(shè)一流的吸附儀器實(shí)驗(yàn)室時(shí),也通過(guò)組織研究生進(jìn)行氣體吸附相關(guān)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)交流,提高了其理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)解析能力。筆者希望一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楦咝?shí)驗(yàn)室發(fā)展提供一些借鑒意義。