Методика проведения эксперимента

Схема волюмометрической экспериментальной установки приведена на рис. 3.3:

Рис. 3.3. Схема экспериментальной установки:

1 – нитрометр; 2 – уравнительный стакан; 3 – камера для газа; 4 – осушительный патрон с силикагелем-индикатором; 5 – вакуумметр; 6 – ампула с адсорбентом; 7 – вакуумный насос; 8-15 – краны; 16 – термостат, 17 – термометр

Принцип работы волюмометрической установки состоит в следующем. В нитрометр 1 набирают некоторое количество газа из камеры 3. Объём газа точно измеряют с помощью стакана 2, уровень жидкости в котором совмещают с уровнем жидкости в нитрометре. Соединяют нитрометр 1 и ампулу с адсорбентом 6. Это соответствует началу процесса адсорбции, в ходе которого объём газа в нитрометре уменьшается. Изменения объёма фиксируют во времени, что дает представление о скорости процесса. Измерения прекращают после того, как перестанет изменяться уровень жидкости (объём газа) в нитрометре. Величины адсорбции (текущие и равновесные) вычисляются путём деления объёма газа, поглощённого адсорбентом, на массу адсорбента в ампуле.

Перед основными измерениями проводят подготовительные операции, которые включают в себя предварительную регенерацию адсорбента, определение массы адсорбента, загружаемого в ампулу, набор газа из баллона в камеру 3. Рабочие операции включают дегазацию адсорбента, заполнение газом коммуникаций, производство измерений.

Регенерация адсорбента

Если в качестве адсорбента используют активный уголь, то его предварительную регенерацию проводят при 120 °С в инертной атмосфере - токе азота во избежание окисления поверхности угля с образованием различных углеродсодержащих соединений. Цеолиты регенерируют при 350-400 °С в токе азота или воздуха. Влагосодержание азота или воздуха для регенерации адсорбентов составляет не более 0,1 г/м³. Для достижения этого значения их осушают пропусканием через колонку с силикагелем или цеолитом. Регенерацию адсорбентов проводят до прекращения выделения влаги на выходе из адсорбера, контроль ведут по точке росы.

Определение массы адсорбента

На аналитических весах взвешивают пустую ампулу с пробкой, затем в ампулу примерно на 2/3 её объёма засыпают предварительно регенерированный (дегидратированный) адсорбент. Ампулу с образцом адсорбента закрывают пробкой и снова взвешивают на аналитических весах.

Дегазация адсорбента

Дегазацию адсорбента производят с целью удаления воздуха, попавшего в адсорбент во время предварительных операций. Включают вакуумный насос 7, открывают краны 12, 11 и 13 на линии от ампулы с образцом 6 до насоса 7. Газ из ампулы откачивают. Наличие вакуума в системе проверяется по вакууметру 5. Продолжительность откачки 30 мин. Краны 12, 11 и 13 закрывают, выключают вакуумный насос 7.

Определение свободного объ ё ма установки по гелию

Под свободным объ ё мом установки подразумевают объём коммуникаций, незаполненных адсорбентом и, частично, объём самого адсорбента, в котором не происходит адсорбция газа (например, объём макропор адсорбента). В данном случае – это объём, заключённый между адсорбентом в ампуле 6 и краном 12.

Шлиф ампулы и шлиф аллонжа протирают эфиром, на шлиф ампулы наносят вакуумную смазку, присоединяют ампулу к аллонжу и погружают её в термостат 16. Включают термостат и устанавливают температуру опыта. После этого к установке подсоединяют камеру 3, заполненную гелием, который в волюмометрии считается неадсорбирующимся газом. После откачки воздуха насосом 7 из коммуникаций между кранами 8 и 10 нитрометр заполняется гелием. Для этого в линии между камерой 3 и уравнительным стаканом 2 открывают краны 10, 9, 8, 14 и в нитрометр начинает поступать газ, пока уровень жидкости в нитрометре не понизится до ~ 100-120 мл, затем краны закрывают. Путём совмещения уровней жидкости в нитрометре 1 и уравнительном стакане 2 определяют точный объём газа в нитрометре. После этого (при закрытом кране 12) заполняют гелием коммуникации между нитрометром 1 и краном 12, для чего в указанной линии открывают краны 8, 11, 13 и проводят кратковременное включение вакуум-насоса 7. Открыв кран 12, проверяют наличие вакуума в пространстве между кранами 11 и 15 с помощью вакууметра 5. Кран 12 закрывают, трёхходовой кран 11 открывают в направлении ампулы с адсорбентом, кран 13 ставят в нейтральное положение, вакуум-насос выключают. Открывают краны 9 и 10, при этом газ из камеры заполняет все пространство между нитрометром и краном 15. Еще раз фиксируют положение уровня в нитрометре. Кран 8 ставят в нейтральное положение. Открывают кран 15 и соединяют измерительную систему установки с ампулой 6 с помощью крана 8. Фиксируют уровень жидкости в нитрометре 1 и по разности уровней вычисляют свободный объём системы по гелию     (V _{св. эксп}), см³. Калибровочные определения повторяют не менее трех раз и вычисляют среднее значение V _св при 298 К и 760 мм рт. ст.:

                               ,                            (3.11)

где B – барометрическое давление, мм рт. ст; p – давление насыщенного пара воды при температуре T _Н над жидкостью в нитрометре, мм рт. ст.

 

Адсорбционные измерения

Камеру 3 с гелием отсоединяют от установки и присоединяют камеру с рабочим газом - азотом. Краны 10, 9, 8, 14 открывают, и в нитрометр 1 начинает поступать азот. Уровень жидкости в нитрометре понижают до         ~ 100-120 мл, затем краны закрывают. Путем совмещения уровней жидкости в нитрометре и уравнительном стакане 2 определяют точный объем азота в нитрометре. Затем заполняют рабочим газом коммуникации между нитрометром и краном 15. Для этого, открывают краны 11, 13, 8 и проводят кратковременное включение вакуум-насоса. Открыв кран 12, проверяют наличие вакуума в пространстве между кранами 11 и 15 с помощью вакуумметра 5. Кран 12 закрывают, трёхходовой кран 11 открывают на ампулу с адсорбентом, кран 13 ставят в нейтральное положение, вакуум-насос 7 выключают. Открывают краны 9 и 10, при этом газ из камеры заполняет все пространство между нитрометром и краном 15. Ещё раз фиксируют положение уровня в нитрометре. Кран 8 ставят в нейтральное положение. Открывают кран 15 и соединяют измерительную систему установки с ампулой 6, содержащей адсорбент, с помощью крана 8. Этот момент соответствует началу адсорбции, поэтому одновременно нажимают кнопку секундомера и начинают вести отсчёт изменений уровня в нитрометре во времени (уровни жидкости в стакане 2 и нитрометре 1 совмещены!). Время и соответствующий ему уровень жидкости в нитрометре 1 фиксируют в журнале. Опыт заканчивают после того, как жидкость в нитрометре будет сохраняться на практически постоянном уровне в течение 30-40 мин.