色谱法测定固体催化剂表面积
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化工专业实验报告
实验名称:色谱法测定固体催化剂的表面积
实验人员:同组人:
实验地点:天大化工技术实验中心室
实验时间:
班级/学号:级班组号
指导教师:
实验成绩:
一、实验目的
1. 掌握用流动吸附色谱法测定催化剂比表面积的方法。
2. 通过实验了解BET多层吸附理论在测定比表面积方面的应用。
二、实验原理
催化剂的表面积是其重要的物性之一。表面积的大小直接影响催化剂的效能。因此在催化剂研究、制造和应用的过程中,测定催化剂的表面积是十分重要的。
固体催化剂表面积的测定方法较多。经典的BET法,由于设备复杂、安装麻烦,应用受到一定限制。气相色谱的发展,为催化剂表面积测定提供了一种快速方法。色谱法测定催化剂固体表面积,不需要复杂的真空系统,不接触水银,操作和数据处理较简单,因此在实验室和工厂中的到了广泛应用。
色谱法色谱法测固体比表面积是以氮为吸附质、以氢气或氦气作为载气,二者按一定的比例通入样品管,当装有待测样品的样品管浸入液氮时,混合气中的氮气被样品所吸附,而载气不被吸附,He-N2混气或H2-N2混气的比例发生变化。这时在记录以上出现吸附峰。各种气体的导热系数不尽相同,氢和氦的导热系数比氮要大得多,具体各种气体的导热系数如下表
又释放出来。氮、氦气体比例的变化同样,在随后的每个样品解吸过程中,被吸附的N
2
导致热导池与匹配电阻所构成的惠斯登电桥中A、B二端电位失去平衡,计算机通过采样板将它记录下来得到一个近似于正态分布的电位-时间曲线,称为脱附峰。最后在混合气中注入
已知体积的纯氮,得到一个校正峰。根据校正峰和脱附峰的峰面积,即可计算在该相对压力下样品的吸附量。改变氮气和载气的混合比,可以测出几个氮的相对压力下的吸附量,从而可据BET公式计算表面积。BET公式:
P/V(P0-P)=1/V m C+(C-1)/V m C*P/P0(1)
式中:P—氮气分压,Pa;
P0—吸附温度下液氮的饱和蒸气压,Pa;
体积,ml;
V m—待测样品表面形成单分子层所需要的N
2
V—待测样品所吸附气体的总体积,ml;
C—与吸附有关的常数。
其中
V=标定气体体积×待测样品峰面积/标定气体峰面积
标定气体体积需经过温度和压力的校正转换成标准状况下的体积。以P/[V(P0-P)]对P/P
0作图,可得一条直线,其斜率为(C-1)/(V m C),截距为1/(V m C),由此可得:
V m=1/(斜率+截距) (2)若知每个被吸附分子的截面积,可求出催化剂的表面积,即
S g=(V m N A A m)/(22400W) (3)
式中S g——催化剂的比表面积,m2 /g;
N A——阿弗加德罗常数;
A m——被吸附气体分子的横截面积,其值为16.2×10-20m2 ;
W——待测样品重量,g;
BET公式的使用范围P/P0=0.05~0.35,相对压力超过此范围可能发生毛细管凝聚现象
三、实验流程
本实验采用3H-2000Ⅱ型氮吸附比表面仪用色谱法测定催化剂的比表面,见图1。
四、实验步骤
(1)打开载气减压阀调节载气流量为100ml/min左右,等待10-15min左右使其流量稳定后用皂膜流量计准确测量,并在整个实验过程中保持载气流速不变,将六通阀置于“测量位”。(2)为使流量稳定,若载气为H2,则氢气减压阀减压表示数应在0.1MPa以上
(3)打开吸附仪电源开关,调节电流旋钮至最大,调节电压使电流为100mA,等待5-10min至调零显示稳定后,调节热导池电位粗调、细调旋钮,使热导池平衡,即调零输出信号为0。减压阀表示数应在0.4 MPa以上)
(4)低温吸附将两个盛满液氮的液氮杯放在从左至右的两个升降台上,调零后点击[吸附],接下来转动升降开关使两个液氮杯同时上升,中间间隔5-10s(间隔时间视待测样品比表面积而定,待测样品比表面积越大,间隔时间相应要加长,其目的为防止样品管内气体瞬间冷缩
和被吸附,将空气倒吸入热导池内)待调零显示基本稳定后,可认为吸附平衡,点击[完成],调零,准备脱附。
(10)升温脱附,先调零,点击[开始],降下第一个样品位的液氮,得到第一个待测样品的脱附峰和峰面积,待调零显示归零后,同上,对第二个待测样品进行脱附。待测样品脱附完毕后,将六通阀转至“标定位”,得到标定气体的峰和峰面积。(注意:如果对一个样品脱附结束后,调零显示没有完全回到零点,需要人为手动调零后,再继续下一个样品的脱附或标定)。记录各峰面积,完成一个分压点下的测定。
(11)进行下一个分压点下的测量。若H2流量没有变化,则只用改变N2流量(每次较前一次增加约7-10ml,流量越大增加量应越大,使N2分压平均分布在0.05-0.30之间),用皂膜流量计准确测量混合气体总流量。按步骤8-11重复操作4-5次,完成一组样品的实验测定。
五、实验数据记录与处理
1. 实验条件:
实验大气压为101325Pa
表1-比表面积测试仪器的性质(4号设备)
2. 载气及混合气流量测定数据表:(气膜流过20mL体积所需时间t)
表2-载气及混合气流量测定数据
计算示例:(以混合气4为例)
流过20mL体积所需平均时间=(7.35+7.32+7.28)/3=7.32s,
故混合气流量为20÷7.32×60=163.93 ml/min;氮气流量为163.93-116.85=47.08 ml/min。
3. 色谱吸附脱附数据记录
表3-色谱脱附数据
4. 数据处理
表4-数据处理
备注:混合气4超出BET公式处理范围,不予处理
(氮气分压P;待测样品吸附气体总体积V;吸附温度下液氮饱和蒸气压P0)
计算示例:(以混合气1为例)氮气流量为12.04 ml/min,
故氮气分压P=氮气摩尔分率×标准大气压=12.04/116.85×101325=10440.33Pa;