Способ определения характеристик сорбции газов материалами
Владельцы патента RU 2316752:
Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Использование: области исследования физических и химических свойств материалов. Сущность изобретения: образец материала, содержащий растворенный газ, растворимость и концентрация которого в образце определяется, помещают в камеру, которую затем вакуумируют и далее измеряют равновесную концентрацию газа в камере. После этого камеру вскрывают, размещают в ней адсорбент, поглощающая способность которого подчиняется закону Генри, и первоначально свободный от этого газа, камеру вновь вакуумируют и повторно определяют равновесную концентрацию газа. Затем вычисляют искомые коэффициенты растворимости и начальную концентрацию газа в материале по формулам:
где σ - коэффициент растворимости газа в материале, моль/(м3Па),
u0 - начальная концентрация газа в материале, моль/м3,
c1, c2 - равновесные концентрации газа в опытах 1 и 2,
соответственно моль/м3, W свободный объем камеры,
Vм - объем образца материала,
Vп - объем вещества,
К - коэффициент, учитывающий сорбционные свойства адсорбента, моль/(Па·м3)
R - универсальная газовая постоянная, Па·м3/(моль·К),
Т - температура, К.
Достигается повышение точности измерения характеристик сорбции для материалов с высокими значениями коэффициента растворимости по отношению к исследуемому газу. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области исследования физических и химических свойств материалов и может быть использовано в контрольно-измерительной технике химических лабораторий для определения коэффициентов растворимости и концентраций газов в материалах, а также для прогнозирования уровней концентраций газов в герметичных объемах, в которых находятся материалы, содержащие эти газы.
Известен способ определения характеристик сорбции газов материалами (Пат. РФ №2105284, МПК G01N 7/14, публ. БИ №5/98 от 20.02.98).
Согласно данному способу в изолированные друг от друга камеры одновременно помещают образцы материала, в котором определяют коэффициент растворимости и начальную концентрацию газа, растворимость которого в материале подчиняется закону Генри. При этом размеры образцов выбирают таким образом, чтобы была обеспечена разная степень заполнения камер. Камеры вакуумируют и затем проводят газохроматографическим методом контроль содержания газов, выделяющихся из образцов. Далее измеряют равновесные количества выделившихся газов и по формулам определяют коэффициент растворимости и начальную концентрацию газа в материале:
где σ - коэффициент растворимости газа в материале, моль/(м3·Па),
c1, c2, - равновесные концентрации газа в первой и второй камерах соответственно, моль/м3,
ε1, ε2 - степень заполнения первой и второй камер соответственно, равная отношению объема камеры к объему соответствующего образца,
R - универсальная газовая постоянная, Па·м3/(моль·К),
Т - температура, К.
К недостаткам известного способа относится сложность конструкции используемого устройства и трудоемкость способа, а также сравнительно невысокая точность. Последнее вызвано тем, что при использовании двух образцов материала неизбежно появляется погрешность, обусловленная невозможностью обеспечить абсолютную идентичность образцов.
Известен выбранный в качестве прототипа способ определения характеристик сорбции газов материалами (Пат. РФ №2226267, МПК G01N 7/14, публ. БИ №3/2004).
Для определения искомых характеристик образец материала, содержащий растворенный газ, растворимость и концентрация которого в образце определяется, помещают в камеру, которую затем вакуумируют, и далее измеряют равновесную концентрацию газа в камере. После этого камеру вновь вакуумируют и повторно определяют равновесную концентрацию газа.
Затем вычисляют искомые коэффициенты растворимости и начальную концентрацию газа в материале по формулам:
где σ - коэффициент растворимости газа в материале, моль/(м3·Па),
ε - степень заполнения камеры, равная отношению объема камеры к объему образца,
c1, c2 - равновесные концентрации газа, моль/м3,
u0 - начальная концентрация газа в материале, моль/м3,
R - универсальная газовая постоянная, Па·м3/(моль·К),
Т - температура, К.
Недостатком данного технического решения является то, что в некоторых случаях, при достаточно больших величинах коэффициента растворимости газа, равновесные концентрации c1 и c2, измеряемые в первом и втором опытах близки между собой. Причем различие между ними может быть сопоставимо с погрешностью их измерения. Это может привести или к невозможности определения искомых характеристик или к низкой точности их определения.
Задачей авторов является разработка способа определения характеристик сорбции газов материалами, характеризующегося более высокой точностью определения искомых параметров.
Новый технический результат заключается в повышении точности измерения характеристик сорбции за счет уменьшения погрешности измерения искомых параметров для материалов, характеризующихся высокими значениями коэффициента растворимости по отношению к исследуемому газу
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе определения характеристик сорбции газов материалами, заключающемся в размещении испытуемого образца в изолированной камере, вакуумировании камеры, измерении равновесной концентрации в камере выделившегося газа, растворимость которого в материале подчиняется закону Генри, вскрытии камеры, проведении повторного вакуумирования с повторным измерением равновесной концентрации выделившегося газа в камере, вычислении коэффициента растворимости и начальной концентрации газа в материале образца, в соответствии с предлагаемым способом перед повторным вакуумированием дополнительно в камере размещают адсорбент, поглощающая способность которого подчиняется закону Генри, первоначально свободный от этого газа, а начальную концентрацию газа в материале и коэффициент растворимости определяют по следующим формулам:
где σ - коэффициент растворимости газа в материале, моль/(м3·Па),
u0 - начальная концентрация газа в материале, моль/м3,
c1, c2 - равновесные концентрации газа в опытах 1 и 2 соответственно, моль/м3,
W - свободный объем камеры,
Vм - объем образца материала,
Vп - объем вещества,
К - коэффициент, учитывающий сорбционные свойства адсорбента, моль/(Па·м3)
R - универсальная газовая постоянная, Па·м3/моль·К),
Т - температура, К.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
Для измерения характеристик сорбции используют камеру, которая является одновременно и измерительной. На чертеже изображено устройство рабочей камеры, где 1 - камера, 2 - исследуемый образец, 3 - средства для осуществления процесса вакуумирования камеры, 4 - регистрационные приборы, 5 - адсорбент, поглощающая способность которого подчиняется закону Генри, первоначально свободный от этого газа.
Образец материала, содержащий растворенный газ, растворимость и концентрация которого в образце определяется, помещают в рабочую камеру, которую затем вакуумируют и далее измеряют равновесную концентрацию газа в этой камере. После этого камеру вскрывают, размещают в ней адсорбент, поглощающая способность которого подчиняется закону Генри, первоначально свободный от этого газа, камеру вновь вакуумируют и повторно определяют равновесную концентрацию газа.
Измерение равновесных концентраций во всех случаях осуществляют газохроматографическим методом.
Затем вычисляют искомые коэффициенты растворимости и начальную концентрацию газа в материале по формулам (1) и (2), устанавливающим зависимость определяемых параметров от равновесных концентрации газа в материале, зарегистрированных при первом и втором измерении соответственно, а также степени заполнения камеры.
Экспериментальные исследования подтвердили высокую точность способа за счет уменьшения погрешности измерения искомых параметров для материалов, характеризующихся высокими значениями коэффициента растворимости по отношению к исследуемому газу.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает повышение точности измерения характеристик сорбции.
Возможность промышленной применимости заявляемого способа подтверждается следующим примером.
Пример.
В изолированную камеру, имеющую объем газового пространства 10,68 дм3, поместили образец из пенопласта ЭТ-1 плотностью 0,6 г/см3 ЭП-51. Объем образца составил 1,1 дм3. При этом величина степени заполнения была равна εm=9,71. Далее провели вакуумирование камеры и измерения газохроматографическим способом содержания бутанола. Равновесная концентрация этого газа в камере составила c1=4,0·10-2 моль/м3. Затем камеру вскрыли, разместили в ней 15 г силикагеля КСМГ (VП=1,97·10-2 дм, К=7,2 моль/(Па·м3), провели вакуумирование камеры и определение равновесной концентрации бутанола. В условиях примера равновесная концентрация оказалась равной с2=2,5·10-2 моль/м3. Температура при проведении измерений составляла 21±1,5°С. После расчета по формулам (1) и (2) получены следующие значения:
- коэффициент растворимости бутанола в пенопласте ЭТ-1 σ=0,225 моль/(м3·Па),
- начальное содержание бутанола в пенопласте ЭТ-1 u0=22,4 моль/м.
Как показали эксперименты, использование предлагаемого способа позволило определить характеристики сорбции бутанола в пенопласте ЭТ-1.
Способ определения характеристик сорбции газов материалами, включающий размещение испытуемого образца в изолированной камере, вакуумирование камеры, измерение равновесной концентрации в камере выделившегося газа, растворимость которого в материале подчиняется закону Генри, вскрытие камеры, проведение повторного вакуумирования с повторным измерением равновесной концентрации выделившегося газа в камере, вычисление коэффициента растворимости и начальной концентрации газа в материале образца, отличающийся тем, что перед повторным вакуумированием дополнительно в камере размещают адсорбент, поглощающая способность которого подчиняется закону Генри и первоначально свободный от этого газа, а начальную концентрацию газа в материале и коэффициент растворимости определяют по следующим формулам
где σ - коэффициент растворимости газа в материале, моль/(м3·Па),
u0 - начальная концентрация газа в материале, моль/м3,
с1, с2 - равновесные концентрации газа в опытах 1 и 2 соответственно, моль/м3,
W - свободный объем камеры,
Vм - объем образца материала,
Vп - объем вещества,
К - коэффициент, учитывающий сорбционные свойства адсорбента, моль/(Па·м3),
R - универсальная газовая постоянная, Па·м3/(моль·К),
Т - температура, К.
