自制高壓吸附裝置及其在安全工程實驗教學中的應用

李慶釗，朱建云

（中國礦業大學安全工程學院安全工程教學實驗中心 江蘇 徐州 221116）

實驗教學是創新人才培養體系的有機組成，對于提升創新人才培養質量具有重要意義。實驗室是校內實驗教學的主要場所，是學生實踐動手能力和創新思維能力培養的重要基地，承擔著新工科卓越人才培養的重要職能[1]。實驗室建設是高水平實驗教師隊伍、先進實驗教學儀器、創新教學理念的有機綜合體[2]，是一項復雜的系統工程。其中，實驗儀器是實驗教學的重要平臺和工具，對于專業性較強的實驗儀器，國內外往往缺乏有效的定型專用產品，即使市場上有專用的實驗儀器，其商業化產品的集成化、自動化程度通常都比較高，儀器價格也比較貴，重要的是難以向學生完全展示儀器內部的細節和工作原理，儀器操作也多在電腦上進行自動化的操作，不利于學生深入掌握儀器測試的運行機制，難以滿足專業實驗教學對學生動手能力的培養[3]。

自制教學儀器設備的優點主要在于通過更新實驗手段，增加實驗教學內容，從而提高實驗教學效果。學生在動手操作過程中不僅提高了動手能力，還能更好地理解儀器的工作原理。因此，自制儀器成為提高實驗教學水平的重要手段[4]。王國田等針對實驗室各類廢棄試劑瓶清洗的難題，研發了化學試劑瓶自動清洗裝置[5]，王紅軍等設計了一種并聯智能軸承壓裝系統[6]，刁統山等設計了雙饋感應發電機并網模糊控制系統仿真實驗，培養學生利用仿真技術解決科研問題的創新思維[7]，孫學芹等開設無水無氧綜合化學實驗課程，在學生使用自制教學儀器接觸有機合成高級操作過程中培養其對科學的興趣以及動手操作能力和創新能力[8]。王亮等搭建了真實地層受力下的煤與瓦斯突出物理模擬實驗系統，將科研成果向實驗教學轉化，加強了學生對煤與瓦斯突出災害的直觀認知與科研思考能力[9]。

高校實驗教師通過自制實驗教學儀器，改進或拓展儀器設備的新功能，提升了高校實驗室的建設速度。其自身的實驗教學能力也得到系統性增長，不僅加強了理論學習，更使得教學理念得到創新，提高了實驗教師的綜合能力[10]。因此，教師根據實驗要求，通過自制滿足實驗需求、符合創新人才培養目標定位的更合理、更實用的實驗裝置，有利于促進實驗教學的改革和創新，也有利于提高實驗教學質量及創新人才培養質量[11]。

瓦斯吸附測試是煤礦瓦斯抽采、保障煤礦安全生產、揭示煤與瓦斯突出等致災機理的基礎，是安全科學與工程專業重要的實驗內容[12]。靜態量瓦斯吸附測試是指吸附劑與瓦斯氣體達到充分吸附平衡后，單位量吸附劑所吸附的瓦斯氣體的數量，其吸附特性反映了吸附劑材料孔隙結構、表面積及對氣體的擴散能力等信息[13]。美國Quanta chrome公司、荷蘭安米德Ankersmid 公司、中國金埃普公司的吸附儀都是基于此原理進行設計[14]，但由于其成品儀器的自動化程度高、封裝嚴密，難以適用于實驗教學中，不利于學生對儀器結構、原理及儀器運行控制邏輯的理解。

為此，課程組根據安全科學與工程專業實驗課程體系的設置，針對實驗內容及創新人才的培養目標，基于靜態容量法原理設計研制了高壓氣體吸附儀，并在實驗教學中進行了應用。

1 吸附實驗系統研發

1.1 測試原理及系統組成

靜態容量法氣體吸附量測試的基本原理是將一定量的待測樣品（煤等吸附劑）置于安裝有壓力表的高壓密封吸附槽中，保持恒定的吸附溫度，按壓力變化梯度向吸附槽內充入被吸附的氣體。等待吸附平衡后，計算單位質量樣品的吸附量，得到該測試溫度下被測樣品的吸附等溫線。

課程組基于上述測定原理，按照GB/T 19560―2008 的要求，自行研制構建了靜態容量法高壓氣體吸附儀系統，如圖1 所示，系統包括：樣品槽、參比槽、壓力表、閥門組、真空泵、恒溫水浴箱及氣體鋼瓶等，其中：

圖1 自行設計研發的高壓靜態吸附裝置系統及實物

吸附罐：容積50cm3，工作壓力8MPa，耐壓16MPa；

針型閥：工作壓力16MPa，耐壓25MPa 。密封處要求耐低壓4MPa；

壓力表：測量范圍為0~8MPa，精度為0.2%；充氣罐：容積為吸附罐的1.4 倍，耐壓16MPa；

恒溫水浴：0~80℃；

高純甲烷氣體鋼瓶：壓力15MPa，甲烷濃度不低于99%。

1.2 系統調試方法

1.2.1 氣密性檢測

向吸附系統內充入氦氣至超過實驗測試的最高吸附壓力，檢查吸附系統管路有無漏氣點，調節水浴箱溫度至設定吸附溫度。

1.2.2 體積校正

①參比槽有效體積確定。有效體積指V5和V7間的有效空間體積，用Vr來表示。通常，采用水滴定方法來測算槽自身體積和管件體積，管線體積則通過測量管線長度及管線內徑來計算獲得。

②吸附槽自由空間體積確定。在該原理下，實驗獲得的吸附量為吸附劑對氣體的過剩吸附量。其計算前需要確定吸附槽的自由空間體積V0，即吸附槽內除了吸附劑之外的剩余體積，V0常通過298 K 氦氣膨脹法來測定，即將吸附系統抽至真空，通入一定量的氦氣至參比槽，記錄下壓力P1，連通吸附槽，氦氣發生膨脹，記錄下平衡壓力P2，采用理想氣體狀態方程并通過質量平衡來計算獲得V0。

1.3 吸附儀控制步驟

在恒溫水浴箱的溫度達到實驗要求并且確定系統密封不漏氣后，即可進行氣體吸附解吸實驗測試，詳細操作步驟如下：

①氦氣檢漏：稍微打開氦氣瓶閥，充一會兒關閉氦氣瓶閥；充氣時，依次緩慢打開：氦氣閥（閥2）、參比槽閥（閥5）、壓力表閥（閥6）、吸附槽閥（閥7）；甲烷閥（閥1）、放空閥（閥3）、真空泵閥（閥4）處于關閉狀態，關閉氦氣閥，觀察壓力降幅狀況是否正常；而后關閉參比槽閥，檢測后半部分是否漏氣。

②開放空閥；

③關閉放空閥，除甲烷瓶閥和氦氣瓶閥外其余閥門全開，抽真空10 min；之后先關真空泵閥，再關真空泵；

④充氦氣，關閉吸附槽閥、參比閥、甲烷閥；

⑤開氦氣瓶閥，再開氦氣閥，再緩慢打開參比閥，直到壓力升至2―3Mpa關氦氣瓶閥、氦氣閥、參比槽閥，待壓力表穩定讀取數據點P1；

⑥打開吸附槽閥，待壓力表穩定讀取數據點P2；

⑦開放空閥，壓力降下來后，關閉放空閥，除甲烷瓶閥和氦氣瓶閥其余閥門全開，抽真空10 min；之后先關真空泵閥，再關真空泵；

⑧關吸附槽閥、參比槽閥、氦氣閥；

⑨充甲烷：緩慢打開參比槽閥，壓力由高壓向低壓開始進行，即從4~5Mpa 開始做，待壓力表穩定讀取數據點P3；

⑩開吸附槽閥，待壓力表穩定讀取數據點P4；

?關閉放空閥，除甲烷瓶閥和氦氣瓶閥外其余閥門全開，抽真空10 min；之后先關真空泵閥，再關真空泵；

?關吸附槽閥，開壓力表閥，待壓力表穩定讀取數據點P5；

?開吸附槽閥，待壓力表穩定讀取數據點P6；

?重復步驟?―?。

2 水分對煤體吸附瓦斯影響的測試結果分析

2.1 不同含水率樣品制備

按照國標GB/T474―2008 方法篩分制作0.25 mm~0.18 mm（60 目~80 目）的煤樣，將待測樣品置于通風干燥箱，于50℃干燥24 h 得到空氣干燥基煤樣。測試前，稱取不少于35g的空氣干燥基煤樣，以去離子水浸泡，待吸收水分平衡后進行部分干燥即可獲得符合含水率要求的煤樣。

2.2 不同煤樣對甲烷的吸附等溫線測試結果

為了分析煤中水分對吸附甲烷的影響，以某低階煤為待測樣品，在25℃室溫條件下，分別測試了空氣干燥基煤樣（0%）并對比測試了含水率分別為2%、4%、6%、8%的含水煤樣對甲烷吸附特性的差異，其測試結果如圖2 所示。

圖2 含水煤體等溫吸附曲線

由圖2 可知，煤對甲烷吸附過程屬于I類等溫吸附線，且隨吸附平衡壓力的增加，其吸附量呈增大趨勢。煤對氣體的吸附特性受煤的分子組成和理化特性共同決定，吸附過程的主要作用力為范德華力和氫鍵。其中，煤與水分子間的力主要靠氫鍵連接，而煤與甲烷分子間的力則為范德華力。由于氫鍵能量大于范德華力，因此煤對甲烷和水的吸附過程中存在競爭吸附現象。隨著煤中含水率的增加，相同吸附壓力條件下煤對甲烷的吸附量顯著減少。由于煤與水分子間的氫鍵能力更強，導致其侵占甲烷分子吸附位點。因此煤樣含水率越高，存在的煤對甲烷的吸附位點則變得越少，其吸附量也隨之相應減少。

2.3 不同煤樣對甲烷的吸附常數

已有研究表明，煤對甲烷的等溫吸附線符合Langmuir方程[15]，因此本文數據采用Langmuir方程（1）來擬合吸附數據，獲得了不同條件下煤對甲烷吸附的Langmuir方程常數。

式中：P為平衡壓力，MPa；V為氣體吸附量，ml/g；a為煤對甲烷的最大吸附量，ml/g；b為吸附常數，反映煤對甲烷的吸附速率，MPa1。

采用Langmuir 方程對不同含水率煤樣對甲烷的吸附等溫線進行擬合，水分對吸附常數、值的影響如圖3、圖4（p60）所示。

圖3 不同含水煤體最大瓦斯吸附量曲線

圖4 不同含水煤體瓦斯吸附常數曲線

由圖3 可知，隨著煤樣含水率的增加，其對甲烷的最大吸附量a單調減少，原因在于煤體含水率的增加，使得水分子占據一定的孔隙空間，導致甲烷分子無法進入煤體孔隙。同時由于煤與水分子間的氫鍵作用使得更多的活性位點被水分子所占據，使得甲烷吸附位點相應減少，從而導致甲烷在高含水率煤樣中的吸附量有所降低。吸附常數b反映了煤對甲烷吸附速率的快慢，其中吸附常數b值越大，煤對甲烷吸附速率則越快。由圖4 所示的結果可知，值隨著煤體含水率的增加而有所降低，整體呈現為指數衰減的趨勢，在煤樣的含水率較低時，特別是當含水率低于4%時，隨著含水率的增加，b值則快速降低；在含水率介于4%~8%時，b值則緩慢降低，其主要是因為隨著煤體含水量的增加，水分子封堵煤體孔裂隙，使得甲烷在煤體孔隙內的擴散阻力增大，從而導致煤對甲烷的吸附速率逐步降低。

3 應用效果及分析

3.1 加深學生對儀器系統原理的認識

通過自制的靜態容量法高壓吸附儀測定煤樣對瓦斯的吸附等溫線，能夠讓學生更加深入地理解靜態容量法測吸附等溫線的基本原理，加深學生對吸附理論的理解與掌握。與商業化吸附儀相比，自制實驗裝置更有利于學生更加直觀地了解吸附儀的測試原理、內部結構及測試過程中各氣路閥門的邏輯控制過程。

3.2 培養學生的動手實踐及創新能力

通過自制實驗儀器的自主實踐操作，充分鍛煉了學生的動手能力。測試過程中教師將完整的科研實驗流程納入實驗教學中，充分體現了安全工程專業研究式實驗教學的方法和理念，通過對學生實踐技能的培養，也有效鍛煉了學生的獨立思考和科研創新能力，達到了預期的良好教學效果。

4 結論

基于靜態容量法原理，課程組自行研制了高壓氣體吸附儀裝置，為安全科學與工程專業“礦井瓦斯防治”及“表面物理化學”等課程的實驗教學提供了儀器平臺。與傳統商業化儀器相比，能夠讓學生更加直觀地了解吸附儀的工作原理、儀器的內部結構及測試過程中各氣路閥門的邏輯控制過程，充分體現了安全科學與工程教學實驗室儀器設備建設中所遵循的“購置與自制相結合”的模式和理念，提高了實驗教學的效果。