麥克:氣體吸附實驗樣品處理注意事項
1,進(jìn)行物理吸附分析前,為什么要對樣品進(jìn)行脫氣處理?
在進(jìn)行樣品的氣體吸附實驗之前,固體表面必須處理干凈,清除污染物,如水和油。大多數(shù)情況下,表面脫氣即清潔過程是將固體樣品置于一玻璃樣品管中,然后在一定真空度下加熱至一定溫度進(jìn)行處理。下圖展示了預(yù)處理后的固體顆粒表面,它會含有裂紋以及不同尺寸和形狀的孔。
2,如何選擇樣品的脫氣溫度?
眾所周知,系統(tǒng)溫度越高,分子擴(kuò)散運動越快,因此系統(tǒng)溫度越高,樣品的脫氣效果越好。
通常儀器配備的不同廠家生產(chǎn)的脫氣站加熱溫度可達(dá)400℃,但是雖然溫度越高,脫氣效果越好,但是選擇脫氣溫度并不是越高越好,脫氣溫度選擇的首要原則是不破壞樣品結(jié)構(gòu),在不破壞樣品結(jié)構(gòu)的前提下,脫氣溫度越高越好。一般來說,Al2O3、SiO2這一類氧化物性質(zhì)穩(wěn)定,安全脫氣溫度可達(dá)350攝氏度;大部分碳材料和碳酸鈣材料的安全脫氣溫度在300攝氏度左右;而水合物則需要低得多的脫氣溫度。對于有機(jī)化合物,也可以通過脫氣站進(jìn)行預(yù)處理,但是大部分有機(jī)化合物的軟化溫度和玻璃化溫度較低,因此進(jìn)行脫氣處理之前,必須加以確認(rèn)。例如在醫(yī)藥領(lǐng)域常用的硬脂酸鎂,美國藥典(USP)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脫氣溫度為40 ℃。
如果脫氣溫度設(shè)置過高,會導(dǎo)致樣品結(jié)構(gòu)的不可逆變化,例如燒結(jié)和分解。其中燒結(jié)會降低樣品的BET,分解會提高樣品的BET。但是如果僅僅為了保險,不破壞樣品結(jié)構(gòu),脫氣溫度設(shè)置過低,就可能會使樣品表面處理不完全,表面處理不干凈則會導(dǎo)致分析結(jié)果偏小。
因此在不確定脫氣溫度的情況下,建議使用化學(xué)手冊,例如 theHandbook of Chemistry andPhysics(CRC,BocaRaton,Florida),以及各標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法,如ASTM,作為相關(guān)參考。脫氣溫度的選擇不能高于固體的熔點或玻璃的相變點, 建議不要超過熔點溫度的一半。當(dāng)然,如果條件許可,使用熱分析儀能夠最精確地得到適合的脫氣溫度。一般而言,脫氣溫度應(yīng)當(dāng)是熱重曲線上平臺段的溫度。
3,如何確定樣品的脫氣時間?
需要與脫氣溫度對應(yīng)選擇的是脫氣時間。脫氣時間越長,樣品預(yù)處理效果越好。脫氣時間的選擇與樣品孔道的復(fù)雜程度有關(guān)。一般來說,孔道越復(fù)雜,樣品微孔含量越高,脫氣時間越長;同時,選擇的脫氣溫度越低,樣品所需要的脫氣時間也就越長?梢酝ㄟ^在相同脫氣溫度下,分析樣品的比表面積結(jié)果變化來確定脫氣時間。如果在不同的脫氣時間(2h,4h和6h)得到的比表面積結(jié)果相同,時間越短,效率越高,肯定是選擇最短的脫氣時間作為脫氣條件;如果比表面積變化不大,則需要選擇折衷的方案;如果比表面積結(jié)果隨脫氣時間延長不斷變大,說明樣品脫氣時間仍然不足。
對于一般樣品,IUPAC 推薦脫氣時間一般不少于6 h,而那些需要低溫脫氣的樣品則需要長得多的脫氣時間。對一些微孔樣品,脫氣時間甚至需要在12 小時以上。但是所有時間的選擇都不是絕對的,需要根據(jù)自身樣品情況進(jìn)行決定,例如作為特例,美國藥典(USP)規(guī)定硬脂酸鎂的脫氣時間就僅為2 小時?偠灾摎鈺r間需要結(jié)合樣品選擇的脫氣溫度進(jìn)行選擇。
由于脫氣溫度、脫氣時間以及脫氣真空度都與比表面積值有關(guān),所以 BET 結(jié)果存在一定的誤差是不可避免的。所以,測樣時需要固定樣品處理條件進(jìn)行相對比較。與文獻(xiàn)值比較時,也要注意文獻(xiàn)上的樣品預(yù)處理和分析條件。
4,樣品脫氣時,應(yīng)該選擇真空脫氣還是流動脫氣?兩種方法各有什么特點?流動脫氣一般是用于比表面快速分析的,它對于除去表面大量弱結(jié)合的吸附水非常好,但對在樣品的孔道中吸附的水,只有經(jīng)長時間吹掃使之?dāng)U散至表面,才能被帶出。真空脫氣對于除去表面大量弱結(jié)合的吸附水是不好的, 因為水會在泵中擴(kuò)散,導(dǎo)致泵的抽力下降,長時間下去會影響真空泵的使用。但對孔中吸附的水,不需要經(jīng)很長時間就能擴(kuò)散至表面,繼而被帶出。所以,對于含水量較高的樣品,應(yīng)先在烘箱中烘烤過夜,再上真空脫氣站,以保護(hù)真空泵。
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