色谱法测定固体催化剂的表面积.docx

化工专业实验报告实验名称： 色谱法测定固体催化剂的表面积 实验人员： 同组人： 实验地点：天大化工技术实验中心 室实验时间： 班级/学号： 级 班 组 号指导教师： 实验成绩： 一、实验目的1. 掌握用流动吸附色谱法测定催化剂比表面积的方法。2. 通过实验了解BET多层吸附理论在测定比表面积方面的应用。二、实验原理催化剂的表面积是其重要的物性之一。表面积的大小直接影响催化剂的效能。因此在催化剂研究、制造和应用的过程中，测定催化剂的表面积是十分重要的。固体催化剂表面积的测定方法较多。经典的BET法，由于设备复杂、安装麻烦，应用受到一定限制。气相色谱的发展，为催化剂表面积测定提供了一种快速方法。色谱法测定催化剂固体表面积，不需要复杂的真空系统，不接触水银，操作和数据处理较简单，因此在实验室和工厂中的到了广泛应用。色谱法色谱法测固体比表面积是以氮为吸附质、以氢气或氦气作为载气，二者按一定的比例通入样品管，当装有待测样品的样品管浸入液氮时，混合气中的氮气被样品所吸附，而载气不被吸附，He-N2混气或H2-N2混气的比例发生变化。这时在记录以上出现吸附峰。各种气体的导热系数不尽相同，氢和氦的导热系数比氮要大得多，具体各种气体的导热系数如下表气体组分H2HeNeO2N2导热系数Cal/cm*sec*c0*10539.733.610.875.75.66同样，在随后的每个样品解吸过程中，被吸附的N2又释放出来。氮、氦气体比例的变化导致热导池与匹配电阻所构成的惠斯登电桥中A、B二端电位失去平衡，计算机通过采样板将它记录下来得到一个近似于正态分布的电位时间曲线，称为脱附峰。最后在混合气中注入已知体积的纯氮，得到一个校正峰。根据校正峰和脱附峰的峰面积，即可计算在该相对压力下样品的吸附量。改变氮气和载气的混合比，可以测出几个氮的相对压力下的吸附量，从而可据BET公式计算表面积。BET公式：P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)/VmC*P/P0（1）式中 ：P氮气分压，Pa；P0吸附温度下液氮的饱和蒸气压，Pa；Vm待测样品表面形成单分子层所需要的N2体积，ml；V待测样品所吸附气体的总体积，ml；C与吸附有关的常数。其中V=标定气体体积待测样品峰面积标定气体峰面积标定气体体积需经过温度和压力的校正转换成标准状况下的体积。以P/V（P0-P）对P/P0作图，可得一条直线，其斜率为（C-1）/（VmC），截距为1/（VmC），由此可得：Vm=1/(斜率+截距) （2）若知每个被吸附分子的截面积，可求出催化剂的表面积，即Sg=(VmNAAm)/(22400W) (3)式中Sg催化剂的比表面积，m2 /g；NA阿弗加德罗常数；Am被吸附气体分子的横截面积，其值为16.210-20m2 ；W待测样品重量，g；BET公式的使用范围P/P0=0.050.35，相对压力超过此范围可能发生毛细管凝聚现象三、实验流程本实验采用3H-2000型氮吸附比表面仪用色谱法测定催化剂的比表面，见图1。四、实验步骤（1）打开载气减压阀调节载气流量为100ml/min左右，等待10-15min左右使其流量稳定后用皂膜流量计准确测量，并在整个实验过程中保持载气流速不变，将六通阀置于“测量位”。（2）为使流量稳定，若载气为H2，则氢气减压阀减压表示数应在0.1MPa以上（3）打开吸附仪电源开关，调节电流旋钮至最大，调节电压使电流为100mA，等待5-10min至调零显示稳定后，调节热导池电位粗调、细调旋钮，使热导池平衡，即调零输出信号为0。减压阀表示数应在0.4 MPa以上）（4）低温吸附将两个盛满液氮的液氮杯放在从左至右的两个升降台上，调零后点击吸附，接下来转动升降开关使两个液氮杯同时上升，中间间隔5-10s（间隔时间视待测样品比表面积而定，待测样品比表面积越大，间隔时间相应要加长，其目的为防止样品管内气体瞬间冷缩和被吸附，将空气倒吸入热导池内）待调零显示基本稳定后，可认为吸附平衡，点击完成，调零，准备脱附。（10）升温脱附，先调零，点击开始，降下第一个样品位的液氮，得到第一个待测样品的脱附峰和峰面积，待调零显示归零后，同上，对第二个待测样品进行脱附。待测样品脱附完毕后，将六通阀转至“标定位”，得到标定气体的峰和峰面积。（注意：如果对一个样品脱附结束后，调零显示没有完全回到零点，需要人为手动调零后，再继续下一个样品的脱附或标定）。记录各峰面积，完成一个分压点下的测定。（11）进行下一个分压点下的测量。若H2流量没有变化，则只用改变N2流量（每次较前一次增加约7-10ml，流量越大增加量应越大，使N2分压平均分布在0.05-0.30之间），用皂膜流量计准确测量混合气体总流量。按步骤8-11重复操作4-5次，完成一组样品的实验测定。五、实验数据记录与处理1. 实验条件：实验大气压为101325Pa表1-比表面积测试仪器的性质（4号设备）样品质量（mg）比表面积（m2/g）死体积（mm）所用定量管长度（mm）4-1726.19.11153364-2400.431.61153362. 载气及混合气流量测定数据表：（气膜流过20mL体积所需时间t）表2-载气及混合气流量测定数据实验项目t/s平均时间/s混合气流量/ ml/min氮气流量/ml/minH210.2510.27116.85010.2510.31混合气19.319.31128.8912.049.319.31混合气28.448.45142.0125.168.478.44混合气37.977.99150.1933.348.008.00混合气47.357.32163.9347.087.327.28计算示例：（以混合气4为例）流过20mL体积所需平均时间=(7.35+7.32+7.28)/3=7.32s，故混合气流量为207.3260=163.93 ml/min；氮气流量为163.93116.85=47.08 ml/min。3. 色谱吸附脱附数据记录表3-色谱脱附数据混合气1混合气2混合气3混合气4样品1峰面积33965363093557034703样品2峰面积67159684426723866035标定峰面积56560498884462740294温度/21.321.621.822.34. 数据处理表4-数据处理混合气1混合气2混合气3混合气4氮气流量/ ml/min12.0425.1633.3447.08P/Pa10400.3317951.8122492.6829100.11样品1 V1/ml1.1381.3781.5091.627样品2 V2/ml2.2512.5982.8523.097P/P00.09830.16970.21270.2751P/V1(P0-P)0.09590.14830.17900.2333P/V2(P0-P)0.04850.07870.09470.1226备注：混合气4超出BET公式处理范围，不予处理（氮气分压P；待测样品吸附气体总体积V；吸附温度下液氮饱和蒸气压P0）计算示例：（以混合气1为例）氮气流量为12.04 ml/min，故氮气分压P=氮气摩尔分率标准大气压=12.04/116.85101325=10440.33Pa；吸附温度下液氮的饱和蒸气压P0为793.3 mmHg，合101325793.3/760=105764.63Pa，故P/P0=10400.33/105764.63=0.0943；标定气体体积的校正为：4.5322（0.115+0.336）273.15/（273.15+21.30）=1.896ml，故待测样品1吸附气体总体积V1=1.89633965/56560=1.138 ml， 待测样品2吸附气体总体积V2=1.89667159/56560=2.251ml；由此可计算出P/V1(P0-P)= 0.0959；P/V2(P0-P)= 0.0485。5. 作图由实验结果，以P/V(P0-P)对P/P0作图求出斜率和截距，再由式（2）和式（3）即可求出样品的比表面积。表11 样品线性拟合数据样品斜率截距4-10.727160.024554-20.405780.00895对样品2-1根据公式Vm=1/(斜率+截距) 和Sg=(VmNAAm)/(22400W) 得Sg=(NAAm)/(22400W（斜率+截距)=6.02*1023*16.2*10-20/0.7261/22400/（0.72716+0.02455）=7.98m2/g相对误差为|9.1-7.98|/9.1*100%=12.3%同理得到样品4-2的比表面积为26.04m2/g 相对误差为17.6%六、思考题1.单分子层和多分子层吸附的主要区别是什么？请简述其要点。答：多分子层吸附是指被吸附了的分子发生再吸附的现象，而单分子层则只在吸附剂表面形成一单分子层吸附。2.实验中相对压力为什么要控制在0.050.35之间？答：BET公式的使用范围P/P0=0.050.35，相对压力超过此范围可能发生毛细管凝聚现象。3. 定量管体积是固定的，为什么每作一个实验点都要进行标定？答：原因：虽然定量管的体积是固定的，但是在每个实验点实验时N2的流速是变化的，因此标定气体体积是变化的，计算得到的待测样品所吸附气体的总体积也是变