1概述

學科:固體礦產工業要求
詞目:比表面積
英文:specific surface area
釋文:比表面積是指單位質量物料所具有的總面積。分外表面積、內表面積兩類。國標單位㎡/g.理想的非孔性物料只具有外表面積,如硅酸鹽水泥、一些粘土礦物粉粒等;有孔和多孔物料具有外表面積和內表面積,如石棉纖維、岩(礦)棉、硅藻土等。測定方法有容積吸附法、重量吸附法、流動吸附法、透氣法、氣體附著法等。比表面積是評價催化劑、吸附劑及其他多孔物質如石棉、礦棉、硅藻土及粘土類礦物工業利用的重要指標之一。石棉比表面積的大小,對它的熱學性質、吸附能力、化學穩定性、開棉程度等均有明顯的影響。
測量:固體有一定的幾何外形,借通常的儀器和計算可求得其表面積。但粉末或多孔性物質表面積的測定較困難,它們不僅具有不規則的外表面,還有複雜的內表面。通常稱1g固體所佔有的總表面積為該物質的比表面積S (specific surface area,㎡/g)。多孔物比表面積的測量,無論在科研還是工業生產中都具有十分重要的意義。一般比表面積大、活性大的多孔物,吸附能力強。測定比表面積方法有氣體吸附法和溶液吸附法兩類。

2測試方法

方法提要:比表面積測試方法主要分連續流動法(即動態法)和靜態容量法。
直接對比法
直接對比法,國外此種方法的儀器叫做直讀比表面儀。該方法測試的原理是用已知比表面的標準樣品作為參照,來確定未知待測樣品相對標準樣品的吸附量,從而通過比例運算求得待測樣品比表面積。以使用氮吸附BET比表面標準樣品為例,該方法的依據是有2個:一、BET理論的假設之一在吸附一層之後的吸附過程中的能量變化相當於吸附質分子液化熱,也就是和粉體本身無關;二、在相同氮氣分壓(5%-30%)、相同液氮溫度條件下,吸附層厚度一致;這就是以直接對比法所得出的比表面值與BET多點法得到的值一致性較好的原因;
靜態容量法
在低溫(液氮浴)條件下,向樣品管內通入一定量的吸附質氣體(N2),通過控制樣品管中的平衡壓力直接測得吸附分壓,通過氣體狀態方程得到該分壓點的吸附量;
通過逐漸投入吸附質氣體增大吸附平衡壓力,得到吸附等溫線;通過逐漸抽出吸附質氣體降低吸附平衡壓力,得到脫附等溫線;相對動態法,無需載氣(He),無需液氮杯反覆升降;
由於待測樣品是在固定容積的樣品管中,吸附質相對動態法不流動,故叫靜態容量法;
動態法
動態法比表面儀,與其它分析儀器類似,影響其精度主要取決於檢測方法、管路設計和是否具備操作完全自動化。
  1. 檢測方法:氮吸附動態法國內比較成熟的比表面積測試方法,在比表面積研究和相關數據報告中,只有採用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的,國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測,現在國內也被淘汰了。國內外比表面積測試統一採用多點BET法,國內外製定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的,請參看中國國家標準(GB/T 19587-2004)-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法;
  2. 操作完全自動化:比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作,由於樣品吸附能力的不同,有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間,如果測試過程沒有實現完全自動化,那測試人員就時刻都不能離開,並且要高度集中,觀察儀錶盤,操控旋鈕,稍不留神就會導致測試過程的失敗,這會浪費測試人員很多的寶貴時間.真正完全自動化智能化比表面積測試儀產品,才符合測試儀器行業的國際標準,同類國際產品全部是完全自動化的,人工操作的儀器國外早已經淘汰.真正完全自動化智能化比表面積分析儀產品,將測試人員從重複的機械式操作中解放出來,大大降低了他們的工作強度,培訓簡單,提高了工作效率.真正完全自動化智能化比表面積測定儀產品,大大降低了人為操作導致的誤差,提高測試精度;
完全自動化的比表面積分析儀對用戶具備什麼價值?
1、符合測試儀器行業的國際標準,同類國際產品全部是完全自動化的,人工操作的儀器國外早已經淘汰。
2、比表面積分析測試其實是比較耗費時間的工作,由於樣品吸附能力的不同,有些樣品的孔徑測試可能需要耗費一整天的時間,如果測試過程沒有實現完全自動化,那測試人員就時刻都不能離開,並且要高度集中,觀察儀錶盤,操控旋鈕,稍不留神就會導致測試過程的失敗,這會浪費測試人員很多的寶貴時間。產品實現了完全的自動化,將測試人員從重複的機械式操作中解放出來,大大降低了他們的工作強度,提高了工作效率。
3、人工操作的儀器很大的一個局限性是:不同的測試人員操作時,對於平衡點等數據的判斷會有偏差,這樣很容易引入人為誤差,而自動化操作的儀器,由於整個測試的平衡等條件的判斷都是基於軟體中設置好的標準,這樣能很好保證,雖然是不同測試人員進行的測試,但測試結果的一致性會很好。產品通過實現完全自動化測試,大大降低了人為操作導致的誤差,提高測試精度。
4、人工操作的儀器,由於需要操控的旋鈕比較多,一般對操作人員的培訓需要花費很多的時間,操作人員的熟練操作也會需要較長的一段時間,如果有操作人員離職,會導致新來員工的培訓又需花費很多的時間和精力,既耽誤工作,又浪費公司的資源;自動化的儀器,一般只需要掌握軟體如何使用就可以進行樣品測試,既節約培訓時間,又可以減少公司人員流動導致的再培訓資源浪費。產品通過實現測試過程完全自動化,大大降低公司培訓成本,提高工作效率。

靜態法

以比表面積1m2/g的樣品為例,該樣品0.5g對氮氣的吸附量在BET分壓範圍內在標況下約0.1ml,在測試過程中的吸附環境液氮溫度下的體積約0.03ml;樣品管裝樣部分的剩餘體積(也就是背景體積)約在3-5ml左右,要在3-5ml的樣品管體積中準確定量出0.03ml的總吸附量且保證精度達到2%以內,可以算出要求壓力感測器的精度要達到0.02%以上;但目前進口最好的壓力感測器的精度只有0.1%,而且通常比表面及孔徑分析儀用的壓力感測器精度為0.15%,也就是說目前最高精度的壓力感測器,即使溫度場理想測定,液氮面理想恆定,環境溫度理想準確條件下,對吸附量確定量的不確定度也只能達到0.003ml,即不確定度達到10%;若對於比表面再小或堆積密度小也就是裝樣量也難以很大的樣品,其準確度就可想而知了。 但對於中大比表面樣品,一般吸附量不會那麼微小,靜態法的精度很容易保證在2%甚至1%以內便不是問題;
所以在小比表面樣品的測試方面,靜態法儀器測試的誤差相對高精度的動態法儀器的誤差大;靜態法只能通過增加裝樣量來降低誤差,常見的是靜態一般都會為小比表面積樣品配備大容量樣品管,但由於背景體積(吸附腔體積)也隨之增大,所以準確度提高也是有限的;這點是採用靜態法儀器測試比表面積應考慮的因素。

3計算公式

參考國標GB/T24533-2009
放到氣體體系的樣品,其物質表面在低溫下將發生物理吸附。當吸附達到平衡時,測量平衡吸附壓力和吸附的氣體流量,根據BET方程式(1)求出試樣單分子層吸附量,從而計算出試樣的比表面積。
(P/P0 )/ V(1-P/P0) = (C-1 )/( VmC ) × P/P0 + 1/( VmC)
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