本發(fā)明涉及分子篩對氣體吸附量的測定方法與裝置，尤其涉及基于氣體消耗原理測定分子篩吸附量的方法與裝置。
背景技術(shù)：
非鏈?zhǔn)诫娂蠲}沖HF激光器使用SF6和C2H6作為激光介質(zhì)，兩者在高壓放電條件下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成激發(fā)態(tài)HF分子，激發(fā)態(tài)HF分子向基態(tài)HF分子躍遷形成激光輸出，然而產(chǎn)生的基態(tài)HF分子對激發(fā)態(tài)HF分子具有顯著的碰撞弛豫，形成無輻射躍遷，隨著激光器長時間出光，反應(yīng)產(chǎn)物基態(tài)HF分子的含量不斷提高，從而導(dǎo)致在重復(fù)頻率條件下激光輸出能量的快速降低，嚴(yán)重影響激光能量穩(wěn)定性和激光介質(zhì)的使用壽命。
沸石分子篩具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)，孔道體積占到沸石分子篩總體積的50％之多，比表面積高(達(dá)350～1200m2/g)等特點，是一種優(yōu)良的超微孔吸附劑，有很高的選擇吸附分離能力，且高硅鋁比值沸石的酸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較好，可用于吸附分離激光介質(zhì)中的基態(tài)HF分子，因此了解沸石分子篩吸附HF氣體的飽和吸附量是具有十分重要的意義。
現(xiàn)有的分子篩吸附量測量方法包括重量法、熱重法和卡爾·費休庫侖法，其中卡爾·費休庫侖法只適用于測定分子篩吸水量，而重量法和熱重法適用范圍較廣。2012年許中強等人公開了一種方法及裝置，其專利號分別為CN202126379U和CN102749259A，該方法適用于有機溶劑吸附量測量，利用真空密封容器形成低氣壓環(huán)境(小于50kPa)，減小空氣中水份對吸附量測量準(zhǔn)確性的影響，但是工作溫度范圍較小，只有15～30℃；且采用熱重法測量吸附量，需要取出分子篩，操作不方便。2013年朱寶華等人公開了一種分子篩吸附量的測定裝置，專利號為CN202903635U，該測定裝置的特點為可在真空條件下，對吸附單元進行加熱，對揮發(fā)性液體吸附，完成分子篩吸附量的測定，但是吸附單元采用玻璃材料，不適用于HF等腐蝕性氣體，同樣需要取出分子篩測量吸附量，操作不方便。2014年天津大學(xué)趙曉杰的碩士論文“沸石分子篩吸附特性與影響因素的研究”中公開了一種測量分子篩吸附量測量方法，在不銹鋼密封容器中放入加熱板和揮發(fā)性液體，分子篩置于加熱板上，并用重力傳感器監(jiān)測分子篩的重量，獲得分子篩的吸附量，這種方法操作方便，可用于腐蝕性氣體，但不易控制氣體態(tài)吸附質(zhì)的壓力。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于氣體消耗量測定分子篩吸附量的方法與裝置，可用于測量分子篩在不同溫度和壓強情況下對單一純凈氣體(包括HF等腐蝕性氣體)吸附量。該方法是利用兩個已知體積的密封容器，其中一個為儲氣罐，另一個作為吸附罐，通過測量系統(tǒng)內(nèi)部氣體體積的變化量，計算得到分子篩對該氣體的吸附量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于氣體消耗量測定分子篩吸附量的方法，包括以下步驟：
1)采用兩個密封容器，其中一個作為儲氣罐，體積為V1，另一個作為吸附罐，體積為V2，將預(yù)處理后質(zhì)量為m、體積為V3的分子篩放置在吸附罐中；
2)抽真空，使兩個密封容器處在真空狀態(tài)下；
3)儲氣罐充氣，氣體源通過氣體質(zhì)量流量儀給儲氣罐內(nèi)充氣，當(dāng)容器內(nèi)部氣體壓強處于設(shè)定氣壓后關(guān)閉氣體源；
4)吸附罐充氣，使分子篩的溫度達(dá)到設(shè)定值，將吸附罐與儲氣罐連通，使儲氣罐的氣體進入吸附罐，分子篩吸附氣體；
5)間隔一定時間后關(guān)閉吸附罐與儲氣罐間的閥門，重復(fù)步驟3)和步驟4)；當(dāng)容器內(nèi)氣體壓力與設(shè)定氣壓的差值小于5％時定義分子篩達(dá)到飽和吸附狀態(tài)；
6)通過公式(1)計算得到分子篩在設(shè)定溫度和壓強條件下的吸附量Va；
(i＝1,2,3...)
其中T0為室溫，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，n為消耗氣體的摩爾量，R為普適氣體常量，M為氣體的摩爾質(zhì)量，m為預(yù)處理后放入吸附罐中的分子篩的質(zhì)量，i表示實驗中設(shè)定氣壓點，Qi為氣體質(zhì)量流量儀顯示的氣體體積流量。
通過改變?nèi)萜鲀?nèi)的氣體壓強，重復(fù)步驟3)至5)，可測定不同壓強下分子篩的吸附量。
本發(fā)明還提供了一種基于氣體消耗量測定分子篩吸附量的裝置，其特殊之處在于：包括儲氣罐、真空泵、與儲氣罐通過管道和閥門連通的吸附罐、設(shè)置于儲氣罐罐體上的壓力顯示控制單元與真空顯示單元；
上述儲氣罐通過管道及閥門與被吸附氣體源相連，在該段管道上設(shè)置有氣體質(zhì)量流量儀，氣體質(zhì)量流量儀用于記錄氣體消耗量；
上述真空泵通過管道及閥門與儲氣罐連接；
上述吸附罐內(nèi)部設(shè)置有放置分子篩的分子篩床；
還包括溫度控制單元，上述溫度控制單元與分子篩床接觸，用于控制分子篩的溫度。
優(yōu)選的，上述儲氣罐包括罐體和蓋板，上述蓋板上設(shè)置有多個連接端口，分別連接壓力顯示控制單元、真空顯示單元與真空泵。
上述吸附罐包括罐體和上蓋板，上述上蓋板上設(shè)置有多個通孔；其中一個通孔上設(shè)置有陶瓷金屬封接電極；
上述分子篩床通過支撐桿固定于罐體內(nèi)，上述支撐桿為L型空心金屬管，上述空心金屬管的一端密閉，上述支撐桿的空心端的外徑與通孔直徑相同，支撐桿的空心端與所述多個通孔固連，密閉端用于固定分子篩床。
上述溫度控制單元包括加熱裝置、溫度顯示控制儀及溫度傳感器；
上述加熱裝置設(shè)在分子篩床底部，加熱裝置的輸入電源線經(jīng)過陶瓷金屬封接電極連接到溫度顯示控制儀，上述溫度傳感器通過多個空心金屬管連接到分子篩床底部。
為了適用多種氣體包括如具有腐蝕性的HF氣體等，上述儲氣罐和吸附罐為不銹鋼密封容器。
優(yōu)選的，本發(fā)明裝置中的管道為金屬管道。
上述壓力顯示控制單元包括壓力傳感器和壓力顯示控制儀；上述真空顯示單元包括真空規(guī)管與真空計。
為了使分子篩表面與氣體充分接觸，上述分子篩床為不銹鋼網(wǎng)。
上述加熱裝置為加熱絲。
本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明通過氣體消耗量測量分子篩的吸附量，無需取出稱重，直接方便，準(zhǔn)確性較好，且一次填裝分子篩，可獲得從低到高多個氣壓下分子篩的吸附量，操作簡單。
2、本發(fā)明采用密封容器，減小了空氣中水份對分子篩吸附特定氣體吸附量準(zhǔn)確性的影響，測量吸附量更加準(zhǔn)確。
3、本發(fā)明利用氣體質(zhì)量流量計自動記錄氣體消耗量，準(zhǔn)確、易操作。
4、本發(fā)明中密封容器采用不銹鋼材料，適用多種氣體，包括HF等腐蝕性氣體。
5、本發(fā)明密封容器采用不銹鋼材料，耐壓性能強，可在較寬氣體壓力范圍內(nèi)測量分子篩吸附量，氣壓變化范圍0～1MPa。
6、本發(fā)明采用采用了溫度自動控制系統(tǒng)，溫度控制精度高。
附圖說明
圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖標(biāo)記為：1-儲氣罐；2-吸附罐；3-被吸附氣體源；4-真空泵；5-氣體質(zhì)量流量儀；6a、6b、6c、6d-氣體截止閥門；7-管道；8-真空顯示單元；9-壓力顯示控制單元；10-分子篩床；11-加熱絲；12-溫度傳感器；13-溫度顯示控制儀；14-分子篩。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。
如圖1所示，基于氣體消耗量測定分子篩吸附量的裝置中，被吸附氣體源3用于供給氣體吸附質(zhì)，通過氣體截止閥6a與氣體質(zhì)量流量儀5相連、然后連接到儲氣罐1，為了減小測量誤差，氣體源到儲氣罐的氣管采用外徑6mm的細(xì)金屬管道。為了提高氣體消耗量的測量精度，選用小量程高精度的氣體質(zhì)量流量儀，其量程為0～500mL/min。
儲氣罐的體積為50L，由腔體和蓋板組成，蓋板和腔體之間通過聚四氟乙烯密封墊密封，真空度可達(dá)到帕級。蓋板上設(shè)有多個連接端口，分別連接真空泵4，真空顯示單元8和壓力顯示控制單元9。真空泵利用直徑25mm的波紋管與儲氣罐相連，為避免真空泵帶來的油蒸汽的影響，在真空泵與儲氣罐中加有氣體截止閥門6c，氣體截止閥的通徑為25mm，真空泵的抽速為4L/s。在儲氣罐腔體的側(cè)面設(shè)有一個內(nèi)徑為25mm的氣體連接端口，用于連接吸附罐。
吸附罐2的體積為50L，由腔體和上蓋板組成，上蓋板和腔體之間通過聚四氟乙烯密封墊密封，真空度可達(dá)到帕級。上蓋板上設(shè)有五個通孔，其中四個直徑為6mm，用于固定分子篩床10的支撐；另一個的直徑為25mm，用于安裝陶瓷金屬封接電極。分子篩床支撐為四根L型的金屬管，它們的外徑為6mm、內(nèi)徑為3mm，這些金屬管一端密閉，一端空心，四根支撐的空心端面分別焊接在上蓋板中四個直徑6mm的通孔處。為了使分子篩表面與氣體充分接觸，分子篩床選用不銹鋼網(wǎng)，固定在四根支撐上。金屬加熱絲11安裝在不銹鋼網(wǎng)底部，其功率為200W，用于給分子篩加熱，金屬加熱絲的輸入電源線經(jīng)過陶瓷金屬封接電極連接到溫度顯示控制儀13。溫度傳感器12通過四個空心支撐連接到分子篩床底部，探測分子篩14的溫度，溫度傳感器選用熱電偶，精度為0.5℃。溫度顯示控制儀通過控制金屬加熱絲電源通斷實現(xiàn)分子篩溫度精確控制。吸附罐腔體側(cè)面設(shè)置有通徑25mm的端口，通過一根金屬管與儲氣罐相連，金屬管道的內(nèi)徑為25mm，且吸附罐和儲氣罐之間利用通徑25mm的氣體截止閥6d實現(xiàn)聯(lián)通和隔離。
從公式(1)可知，儲氣罐和吸附罐的體積是影響吸附量準(zhǔn)確性的因素之一，為了減小誤差，需要利用已知體積的容器對儲氣罐進行標(biāo)定，設(shè)儲氣罐體積的標(biāo)定值V1(包括各個連接口的體積)，然后利用儲氣罐標(biāo)定出吸附罐的體積為V2(包括分子篩床及支撐)。
在進行吸附量測量時，操作步驟如下：
1.將預(yù)處理后已知質(zhì)量m、體積V3的分子篩15平鋪放置在分子篩床上，立即給儲氣罐和吸附罐抽真空，真空達(dá)到10帕量級后，同時利用溫度顯示控制儀將分子篩的溫度控制在要求值；
2.打開氣體流量測量儀，給儲氣罐充入氣體，當(dāng)其氣壓達(dá)到設(shè)定值時，關(guān)閉位于被吸附氣體源與儲氣罐之間的氣體截止閥門，然后打開兩個罐體之間的氣體截止閥門，使氣體流入吸附罐中，分子篩吸附氣體，一定時間后關(guān)閉隔離閥，重新給儲氣罐充氣至設(shè)定氣壓，重復(fù)實驗，直至在規(guī)定時間內(nèi)容器內(nèi)氣體壓力變化小于設(shè)定值的5％時，認(rèn)為此設(shè)定氣壓下分子篩已達(dá)到飽和吸收；
3.讀取氣體流量測量儀上的氣體流量，并根據(jù)公式(1)計算出分子篩的飽和吸附量；
4.改變氣體壓強、重復(fù)實驗，測定其它壓強條件下分子篩的吸附量，即可實現(xiàn)在不取出分子篩的情況下，完成同一溫度、不同氣體壓強條件下分子篩吸附量的測量。
本發(fā)明不局限于上述具體實施方式，比如儲氣罐和吸附罐的形狀不限于立方體，體積不限于50L；分子篩床不限吊裝在上蓋板上，溫度傳感器不限于熱電偶。