3.5 Методика определения удельной поверхности углеродсодержащих материалов

Определение удельной поверхности углеродсодержащих материалов проводилось по самой современной методике, основанной на теории Брунауера, Эммета и Теллера (БЭТ).

Эта работа была выполнена на полностью автоматизированном приборе-

Sorpty 1750 (рис. 4) для быстрого определения удельной поверхности, работа которого основана на статическом объемном принципе, где учитывается объем известного адсорбированного газа (например, азота).

Рисунок 15- Установка Sorpty 1750

Изменение удельной поверхности

Точное измерение количества газа, адсорбированного твердым телом, позволяет определить удельную площадь поверхности адсорбирующего вещества. Метод основан на экспериментальном определении адсорбции и изотерм десорбции для различных газов типа азота, аргона, криптона, бутана и других.

Если газовая адсорбция измерена в точке кипения газа и при относительно высоких давлениях, результат представляет или полимолекулярное адсорбционное, или капиллярное уплотнение – это фактически удельная площадь поверхности. Закрытая полным слоем молекул, она может иногда адсорбировать второй слой молекул, если силы взаимодействия между адсорбированными молекулами и газовой фазой достаточно сильны.

Чтобы вычислить удельную площадь поверхности адсорбирующего вещества, должен быть определен объем мономолекулярного слоя газа, и должна также быть известна фракция молекул адсорбированного газа.

Наиболее распространенная на сегодня методика, основана на теории Брунауера, Эммета и Теллера (БЭТ).

Теория БЭТ

Упрощенное уравнение относится к полимолекулярной адсорбции:

(1)

где

P - давление равновесной адсорбции;

P₀ - давление насыщения адсорбированного вещества на образец в охлаждающей ванне;

Va - объем, адсорбированный в мономолекулярном слое;

С - константа, связанная с адсорбционной энергией;

P/P₀ - относительное давление адсорбированного вещества.

В данной системе V_m (объем газа, необходимый для заполнения поверхности мономолекулярным слоем) и С – константа. Уравнение может быть преобразовано как:

(2)

где m и b – это константы:

(3) (4)

Преобразование уравнения (1) к линейной зависимости типа у = mx + b, где m – угол наклона прямой и b - отрезок прямой ординаты.

При наложении значений P/V_a к P/P₀ получают прямую линию. Когда угол наклона m и отрезок прямой b известны, может быть рассчитан V_m и площадь поверхности образца.

Чтобы рассчитать удельную поверхность, V_m должен быть преобразован в поверхностные единицы. Преобразование может быть выполнено следующим образом. Число молекул, адсорбированных в 1 мл (Z) определяют, используя число Авогадро:

Площадь, закрытая 1 мл адсорбата (S₀) мономолекулярным слоем получается:

(5)

где a - площадь адсорбированных молекул, определяемая как:

где

М - молекулярная масса адсорбированного вещества;

N - число Авогадро;

d - плотность адсорбированного вещества в жидкой фазе.

Если S₀ представляет площадь, закрытую 1 мл адсорбированного вещества, V_m соответствует площади:

Если W - вес адсорбирующего вещества, удельная поверхность будет:

Для азота при – 196C, молекулярное сечение – 16,2 A², отсюда величина S₀ – 4,375 m²/мл.