比表面积测定原理

比表面积测定原理 一、 比表面积的定义及计算 一克多孔固体所具有的总表面积(包括外表面积和内表面积)定义为比表面，以m2/g表示。粒子的比表面积(specific surface area)的表示方法根据计算基准不同可分为体积比表面积SV和重量比表面积SW。 Sw=6/rdvs; Sv=6/dvs Sw ,Sv分别为重量和体积比表面积， r为粒子真密度 dvs体积面积平均数径。 比表面积是表征粉体中粒子粗细的一种量度，也是表示固体吸附能力的重要参数。可用于计算无孔粒子和高度分散粉末的平均粒径。粒子的比表面积形状系数越接近于6，该粒子越接近于球体或立方体，不对称粒子的比表面积形态系数大于6，常见粒子的比表面积形状系数在6~8范围内。 二、 比表面积的测量方法 直接测定粉体比表面积的常用方法有:气体吸附法、气体透过法;气体透过法只能测粒子外部比表面积，粒子内部空隙的比表面积不能测，因此不适合用于多孔形粒子的比表面积的测定。还有溶液吸附、浸润热、消光、热传导、阳极氧化原理等方法。 a) BET色谱法 BET吸附理论的基本假设是: 在物理吸附中，吸附质与吸附剂之间的作用力是范德华力，而吸附分子之间的作用力也是范德华力。所以当气相中的吸附质分子被吸附在多孔固体表面上之后，它们还可能从气相中吸附同类分子。因此吸附是多层的，但同一层吸附分子之间无相互作用，吸附平衡是吸附和解吸附的动态平衡;第二层及其以后各层分子的吸附热等于气体的液化热，根据这个假设，推导得到BET方程式如下: 14……(1)式中:—混合气中氮的分压 PS—吸附平衡温度下吸附质的饱和蒸汽压 Vm—铺满一单分子层的饱和吸附量(标准态) C —与第一层吸附热及凝聚热有关的常数 Vd—不同分压下所对应的固体样品吸附量(标准状态下) 选择相对压力在0.05,0.35范围内。实验得到与各相对相应的吸附量Vd后，根据BET公式，将对作图，得一条直线，其斜率为，截距由斜率和截距可以求得单分子层饱和吸附量Vm 14……(2) 根据每一个被吸附分子在吸附表面上所占有的面积，即可计算出每克固体样品所具有的表面积。 因此，固体的比表面积可表示为 W为所测固体的质量。 本实验采用H2气作载气，故只能测量对H2不产生吸附的样品。在液氮温度下，H2和N2的混合气连续流动通过固体样品，固体吸附剂对N2产生物理吸附。 BET多分子层吸附理论的基本假设，使BET公式只适用于相对压力在0.05,0.35之间的范围。因为在低压下，固体的不均匀性突出，各个部分的吸附热也不相同，建立不起多层物理吸附模型。在高压下，吸附分子之间有作用，脱附时彼此有影响，多孔性吸附剂还可能有毛细管作用，使吸附质气体分子在毛细管内凝结，也不符合多层物理吸附模型。 ii. ST—03型比表面测定仪的仪器构造及测量原理: 主要部件:共分四个部分。仪器的左侧为样品测定室和切换阀箱。样品测定室中有样品管，可用螺帽与主机联接，并随时可以调换。测定室后面为冷阱箱，箱内有两支冷却管，由四个接头连接。打开切换阀的上箱盖可以看到标记。若双气路法测定样品时，两冷却管按1—2、3—4连接法接，若单气路测(连续流动法)则用一支冷却管连2—3两个接头。冷却管的作用是用来净化N2和H2气(或其他载气，吸附气)，以在液氮温度下除去其他杂质。仪器右侧分上下两层，上层为气路系统，包括检测器，稳压阀，阻力阀，三通阀，前后混合器。下层为电器部分，包括热导池和恒温炉的供电部分。见图14-1流量用皂膜流量计测量。脱附量用记录仪或数字积分仪记录。 iii. 测量原理: 本实验通过色谱峰大小面积的测量来求算固体样品的吸附量。而色谱峰的测量是通过检测器—热导池来测量的。热导池是目前色谱仪上应用较广泛的一种检测器。它是由四个置于不锈钢池体内的热敏元件组成的直流电桥，其检测原理是基于各种气体有不同的热导性能，不同气体组分通过热导池的热敏元件时，引起通电的元件本身的温度产生变化，阻值产生变化而导致不平衡电信号产生。这种电信号经微电流放大，通过记录仪记录下来。这就是色谱峰。热导池检测器的结构简单，稳定性好，灵敏度适宜，线性范围宽。 b) 固液吸附法 测定固体比表面的方法很多，常用的有BET低温吸附法、电子显微镜法和气相色谱法，但它们都需要复杂的仪器装置或较长的实验时间。而溶液吸附法则仪器简单，操作方便。本实验用次甲基蓝水溶液吸附法测定活性炭的比表面。此法虽然误差较大，但比较实用。 活性炭对次甲基蓝的吸附，在一定的浓度范围内是单分子层吸附，符合朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式。根据朗格缪尔单分子层吸附理论，当次甲基蓝与活性炭达到吸附饱和后，吸附与脱附处于动态平衡，这时次甲基蓝分子铺满整个活性炭粒子表面而不留下空位。此时吸附剂活性炭的比表面可按下式计算: (1) 式中，S0为比表面(m2?kg-1);C0为原始溶液的浓度;C为平衡溶液的浓度;G为溶液的加入量(kg);W为吸附剂试样质量(kg);2.45×106是1kg次甲基蓝可覆盖活性炭样品的面积(m2?kg-1)。 本实验溶液浓度的测量是借助于分光光度计来完成的，根据光吸收定律，当入射光为一定波长的单色光时，某溶液的吸光度与溶液中有色物质的浓度及溶液的厚度成正比，即: A=KCL。 式中，A为吸光度;K为常数;C为溶液浓度;L为液层厚度。 实验首先测定一系列已知浓度的次甲基蓝溶液的吸光度，绘出A—C工作曲线，然后测定次甲基蓝原始溶液及平衡溶液的吸光度，再在A—C曲线上查得对应的浓度值，代入(1)式计算比表面