高真空多层绝热低温储罐中含PdO的吸气剂在77K下吸附性能的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油大学( 华东) 储运与建筑工程学院 作者:陈树军

  为了利用模型模拟实际的吸附过程,以BET等温式为基础,应用统计热力学方法,在多层吸附过程中满足相邻两层间的化学势相等、气相中的吸附势与吸附相中第nl层的化学势相等及相变平衡时气-液两相化学势相等的条件,建立了吸附等温线理论模型。利用吸附仪对含PdO的吸气剂在77K下进行实验研究,再结合BET二常数公式和理论模型,获得单分子层饱和吸附量、吸附常数和吸附层数。在此基础上,选取基松势能函数表示气体分子之间的相互作用,求解模型,并将结果与实验数据进行对比。相对压力小于0.05时,理论计算值低于实验值;相对压力为0.05~0.9的范围内,理论模型与实验数据吻合得较好;相对压力大于0.9后,理论计算值高于实验值。对比结果表明含PdO的吸气剂在77K下的吸附属于物理吸附。

  高真空多层绝热低温容器被广泛应用于能源、科技和国民经济各领域。它能否安全运行,关键在于其是否能维持较好的绝热性能。良好的夹层真空度是保证低温容器具有优良绝热性能的前提。在低温容器真空夹层内放置含PdO的吸气剂来保持容器的真空度,这已被证实是一种行之有效的方法。通过前期的研究可以知道,吸气剂与氢气之间既存在吸附也存在化学反应。由于吸气剂的微观结构对于理解它的吸附机理具有十分重要的意义,因此前期还研究了吸气剂PdO粉末的微观结构,并探讨了Ag2O的添加对吸气剂吸附量以及微观结构的影响。但是这些研究普遍以实验研究为主,缺少理论模型对实际吸附过程的模拟。另外,由于吸附过程是一个动态的过程,具有复杂性和瞬变性等特点,实验研究既耗时又不经济,而且微孔中的一些参数也很难直接测到。因此,建立吸附等温线理论模型以模拟实际过程,是研究吸附过程的有效和必要手段。

  本文以BET(Brunauer-Emmet-tTeller)等温式为基础,再利用统计热力学方法,建立吸气剂吸附等温线的理论模型,并利用实验数据对该模型进行验证和分析,借此评价它的准确性和适用范围,进而从理论上获得吸气剂的吸附机理。

1、实验

  含PdO的吸气剂由上海锦中分子筛有限公司提供,1#吸气剂是由100%PdO组成,质量为0.7261g,2#吸气剂是由78%PdO和22%Ag2O组成,质量为0.9681g。随着Ag2O的加入,吸气剂的单位价格降低。

  吸附实验采用美国Micromeritics公司生产的ASAP2010型物理吸附仪。实验前,吸气剂平铺放入直径为10mm的样品管中,先在373K下脱气处理8h,目的是为了消除吸气剂在放置过程中可能会从大气中吸收的杂质。脱气处理后开始进行实验,在77K下进行高纯N2吸附研究,在吸附过程中逐步增大吸附气体的压力,直至吸附气体的饱和蒸汽压,即可获得77K下的吸附等温线。具体的仪器介绍、实验原理及数据分析见参考文献。

2、吸附等温线理论模型

  理论模型的建立以BET等温式为基础,BET等温式为多分子层吸附理论,适用于相对压力在0.05~0.35之间的物理吸附。再应用统计热力学研究吸附现象,把一个吸附体系看作由吸附质(气体)分子组成的气相和被吸附在吸气剂(固体)表面上的吸附质分子组成的吸附相的二相体系。

  2.1、吸附相化学势

  设吸气剂表面均匀,N0和N分别为吸气剂表面的吸附中心数和总的吸附分子数。吸附层为有限nl层,每层吸附的分子数为N1、N2、,Nnl。吸附达动态平衡时,总吸附数N为

高真空多层绝热低温储罐中含PdO的吸气剂在77K下吸附性能的研究

  BET理论认为,多分子层吸附如同气体凝聚一样。实验表明,第二层及其以上各层的吸附热相等,且接近于被吸附气体的液化热,因此,除第一层外,可假定每个吸附分子的配分函数都相等,且等于吸附质处在液态时的配分函数ql(T)。

4、结论

  以BET等温式为基础,并假定分子间以Keesom势相互作用,应用统计热力学研究实际气体吸附,在满足相邻两层间的化学势相等、气相中的吸附势与吸附相中第nl层的化学势相等及相变平衡时气-液两相的化学势相等的条件下,建立吸气剂吸附等温线的理论模型。通过实验和理论分析获得模型中的参数值,并将实验数据与理论模型进行对比,结果表明:相对压力小于0.05时,理论计算值低于实验值;相对压力为0.05~0.9的范围内,理论模型与实验数据吻合的较好;相对压力大于0.9后,理论计算值高于实验值。对比结果表明吸气剂在77K下的吸附属于物理吸附。

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