定容法測定兩種非蒸散型吸氣劑吸氣性能

劉強 唐元明 龔有進 張勤英

摘 要：采用定容法測定了Zr-Al及Zr-V-Fe兩種非蒸散型吸氣劑對單組份活性氣體及多組分混合氣體的吸氣性能，并考察了激活溫度、工作溫度、工作壓力等因素對其吸氣效率的影響。實驗表明，Zr-V-Fe吸附劑在更低的激活溫度及工作溫度下對活性氣體仍有較良好的抽速，在消耗性實驗中也表現(xiàn)出更優(yōu)的吸氣容量。

關(guān)鍵詞：定容法；非蒸散型吸氣劑；吸氣容量

在含有放射性氣體樣品的制備色譜流程中，通常只關(guān)心Ar、Kr、Xe等惰性氣體，因而需要對復(fù)雜氣體組分進行預(yù)處理，以去除其中活性氣體組分（CO、CO2、CH4等）。通常采用的方法為冷阱法和變壓吸附法，操作程序繁瑣，除雜效率低，為后續(xù)色譜分析流程帶來較大壓力。長久以來，吸氣劑由于其優(yōu)良的吸氣除雜及維持真空特性被廣泛應(yīng)用于電真空器件、原子能工業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，吸氣劑也開始被應(yīng)用到越來越多的科研和生產(chǎn)領(lǐng)域。例如表面科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)以及分析化學(xué)。在制備色譜流程中引入吸氣劑，利用其吸氣除雜特性，可以大大減少活性氣體組分，并簡化操作流程。文章選定了Zr-Al及Zr-V-Fe兩種非蒸散型吸氣劑，采用定容法分別測定了其對單組份活性氣體及多組分混合氣體的吸氣性能，并探討了激活溫度、工作溫度、工作壓力等對其吸氣效率的影響。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

測試采用定容法，實驗裝置如圖1所示，主要由反應(yīng)容器、加熱爐、壓力表、儲氣瓶、真空計、真空泵及連接各組件的閥門管道組成。

1.2 實驗方法

進行實驗前，先采用PVT法標(biāo)定反應(yīng)容器及系統(tǒng)主管路體積。將吸氣劑裝填于反應(yīng)容器中，設(shè)定加熱爐加熱溫度為150℃，連續(xù)加熱時間不少于10h，對吸附材料進行熱處理，以除去放置過程中吸附在吸氣劑上的H2O。在熱處理的同時，打開真空泵及所有閥門對系統(tǒng)進行預(yù)抽空。通過真空計觀察系統(tǒng)真空度抽到小于0.1Pa。用氦質(zhì)譜儀進行檢漏，確保實驗系統(tǒng)漏率在許可范圍內(nèi)。實驗的具體步驟如下：

（1）設(shè)置加熱爐于不同溫度對反應(yīng)容器中吸氣材料進行激活活化，同時打開真空泵對系統(tǒng)進行抽真空；

（2）關(guān)閉V1、V3，打開V2釋放儲氣瓶中一定量的活性氣體至主管路后關(guān)閉V2，記錄壓力表讀數(shù)后再打開V1，觀察并記錄壓力隨時間變化情況。

（3）壓力表讀數(shù)降至0后，重復(fù)步驟（2），直至壓力基本不再變化。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 Zr-Al吸氣劑實驗數(shù)據(jù)

按圖1所示流程首先采用Zr-Al吸氣劑進行了吸氣實驗?？疾觳煌せ顪囟葘ξ鼩庑实挠绊?，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，在600℃及700℃的激活溫度下對吸氣劑進行長時間的充分烘烤激活后，其與加入到反應(yīng)容器內(nèi)的活性氣體幾乎未產(chǎn)生任何反應(yīng)，具體表現(xiàn)為反應(yīng)容器的壓力表讀數(shù)幾乎未發(fā)生變化。當(dāng)將激活溫度提升至800℃并對其充分激活后，Zr-Al吸氣劑才開始與活性氣體組分發(fā)生反應(yīng)。將激活溫度進一步提升至900℃時，發(fā)現(xiàn)壓力變化情況與800℃時變化不大，由此可認(rèn)為800℃即為Zr-Al吸氣劑的激活溫度，而即使在更高的溫度下激活，只要工作溫度一樣（圖中800℃及900℃兩條壓力時間變化曲線均為在750℃的工作溫度下進行的實驗），其反應(yīng)速率可認(rèn)為是相同的?？紤]到高溫所帶來的安全隱患等因素，在確定了 800℃的激活溫度后，我們又進行了不同工作溫度下的吸氣實驗。實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，盡管Zr-Al吸氣劑已充分激活，但在較低的工作溫度下（700℃），反應(yīng)容器內(nèi)的壓力變化仍非常緩慢。證明其與活性氣體的反應(yīng)仍然存在一個溫度閾值。當(dāng)工作溫度大于該閾值時，其反應(yīng)速率也隨著工作溫度的升高而加快。

按照相同流程，我們又對CH4及CO兩種純氣體進行了吸氣實驗，得到的現(xiàn)象與CO2基本類似。由此，在充分考慮了高溫安全等因素的前提下，我們確定了Zr-Al吸氣劑的最佳使用條件為：（1）激活溫度：800℃；（2）使用溫度：750℃。

在此最優(yōu)條件下，使用模擬混合氣體樣品對Zr-Al吸氣劑進行了消耗性實驗，具體實驗過程為：稱取一定量的Zr-Al吸氣劑置于反應(yīng)容器中，于800℃下充分活化，再降至750℃最優(yōu)工作溫度。不斷往反應(yīng)容器中充入模擬混合氣體樣品，觀察其反應(yīng)速率變化。當(dāng)反應(yīng)容器中壓力基本不變化時（參照之前單組份氣體吸氣實驗），停止實驗。計算得出在此條件下Zr-Al吸氣劑的吸氣容量為8.33mL/g。

2.2 Zr-V-Fe吸氣劑實驗數(shù)據(jù)

采用與2.1中所述相同實驗流程，我們又對Zr-V-Fe吸氣劑進行了吸氣實驗。

圖4所示為不同激活溫度下Zr-V-Fe吸氣劑與CO2反應(yīng)的的壓力時間變化曲線。由圖4可見，在400℃條件下，Zr-V-Fe基本未被激活，反應(yīng)容器壓力穩(wěn)定不變；在500℃激活時，Zr-V-Fe開始與CO2發(fā)生反應(yīng)，但效率較低，共耗時34min才將反應(yīng)容器內(nèi)的活性氣體完全反應(yīng)；在600℃激活時，Zr-V-Fe獲得最佳性能，由此可確定其激活溫度為600℃。

在確立了600℃的激活溫度前提下，又進行了不同工作溫度的吸氣實驗得到曲線如圖5所示。

由圖5可見，在600℃的激活溫度，550℃的工作溫度條件下，Zr-V-Fe吸氣劑可快速將反應(yīng)容器內(nèi)的CO2反應(yīng)完全。由此，我們確定了Zr-V-Fe吸氣劑的最佳使用條件為：（1）激活溫度：600℃；（2）使用溫度：550℃。

在此最優(yōu)條件下，又分別進行了Zr-V-Fe吸氣劑與CH4及CO的吸氣實驗，其壓力時間變化曲線與圖5類似。

在確定的最優(yōu)條件下采用與Zr-Al吸附劑相同流程對Zr-V-Fe吸氣劑進行消耗性實驗，計算得出在此條件下Zr-V-Fe吸氣劑的吸氣容量為12.64mL/g。

3 結(jié)束語

在兩種吸氣劑實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，我們得出結(jié)論：Zr-V-Fe吸氣劑可以在相對較低的激活溫度（600℃）及工作溫度（550℃）下較好的完成對雜質(zhì)氣體的去除；而使用Zr-Al吸氣劑則需要較高的激活溫度（800℃）與工作溫度（750℃），且其反應(yīng)容量也小于Zr-V-Fe吸氣劑。

參考文獻

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作者簡介：劉強（1982-），男，四川成都人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，主要從事放射化學(xué)與色譜分析方向研究工作。