基于容量法的高压静态吸附仪的研制与应用

　　近年来,吸附材料吸附性能的提高促进了变压吸附气体分离技术在煤化工[1]、高炉冶炼[2]、隧道施工[3]、医疗保健[4]等国民经济各领域的迅猛发展,其中,吸附剂对各种气体在不同压力下的吸附量是工程设计中的关键参数,通过测定吸附量可以获得材料的吸附速率[5]、孔扩散系数和质量转移系数等[6]信息。目前,市售全自动比表面积和化学吸附仪[7](如Autosorb1-C, ASAP 2020M+C等)仅能测量吸附剂在低于100 kPa (以下无特殊说明,均指绝对压力)条件下的静态吸附量。

         ZL200620161238·3[8]介绍了一种便携式吸附剂吸气量测定仪,但其使用水柱测量气体压力,仍然属于常压吸附,无法与工业压力范围(70 ~ 1000kPa)相匹配。英国Hiden公司生产的IGA系列高压气体吸附分析仪可以测量10-4~106kPa范围内的数据,但其采用高精度的电子微量天平对气体进行称量,属于重量法。贺益胜[9]和戴伟[10]分别采用自制吸附仪测量了储氢材料的储氢量,其测量压力多在1MPa以上,测量过程中没有扣除样品室内样品占据的体积,只是简单地利用理想气体状态方程或范德瓦耳斯方程根据样品室和储气室的体积计算吸附氢气的摩尔量,存在着较大误差。荷兰安米德公司(Ankersmid)的BELSORP-HP高压容量法吸附仪可以测量13·5 MPa内的数据点,但仪器价格昂贵,对于科研院所和企业研发部门都是一笔不小的费用。

　　本文结合变压吸附过程中吸附压力不太高、床层温度在环境温度范围的特点,研制了基于容量法的高压静态吸附仪,并采用该装置测定了不同吸附剂在不同温度和压力下对各种气体的静态吸附量,为工程设计提供了较为可靠的工艺参数,仪器制造费用低廉,经济适用。

　　1　高压静态吸附仪

　　1·1　工作原理

　　高压静态吸附仪(以下简称吸附仪)采用容量法(volumetric method)测量气体的吸附量,所谓容量法就是指在一定温度T下,通过测量与质量为m剂的吸附剂接触前后气体的压力P和体积V变化来计算气体吸附量的方法。容量法的基本依据是克拉贝龙方程,如式(1)所示:

　　吸附仪工作原理如图1所示,其主体包括储气室(容积为Vd)和样品室(扣除样品后的有效容积为Vt),通过这两个腔体来改变被测气体的体积,采用压力传感器测量气体在不同体积时对应的压力,具体过程如下所示:

　　(1)Vd标定

　　吸附仪在使用前,需确定Vd的值,将标准体积Vs与Vd通过阀门Vin相连,抽真空,向Vd内注入压力为P1的氦气(氦气为单原子气体,惰性强,常用于进行体积标定),然后打开Vin阀门,压力平衡后测量气体压力P2,根据式(2)计算出被测容积Vd的值,即Vd是通过Vs进行标定的。