麦克:气体吸附实验样品处理注意事项
1,进行物理吸附分析前,为什么要对样品进行脱气处理?
在进行样品的气体吸附实验之前,固体表面必须处理干净,清除污染物,如水和油。大多数情况下,表面脱气即清洁过程是将固体样品置于一玻璃样品管中,然后在一定真空度下加热至一定温度进行处理。下图展示了预处理后的固体颗粒表面,它会含有裂纹以及不同尺寸和形状的孔。
2,如何选择样品的脱气温度?
众所周知,系统温度越高,分子扩散运动越快,因此系统温度越高,样品的脱气效果越好。
通常仪器配备的不同厂家生产的脱气站加热温度可达400℃,但是虽然温度越高,脱气效果越好,但是选择脱气温度并不是越高越好,脱气温度选择的首要原则是不破坏样品结构,在不破坏样品结构的前提下,脱气温度越高越好。一般来说,Al2O3、SiO2这一类氧化物性质稳定,安全脱气温度可达350摄氏度;大部分碳材料和碳酸钙材料的安全脱气温度在300摄氏度左右;而水合物则需要低得多的脱气温度。对于有机化合物,也可以通过脱气站进行预处理,但是大部分有机化合物的软化温度和玻璃化温度较低,因此进行脱气处理之前,必须加以确认。例如在医药领域常用的硬脂酸镁,美国药典(USP)标准规定的脱气温度为40 ℃。
如果脱气温度设置过高,会导致样品结构的不可逆变化,例如烧结和分解。其中烧结会降低样品的BET,分解会提高样品的BET。但是如果仅仅为了保险,不破坏样品结构,脱气温度设置过低,就可能会使样品表面处理不完全,表面处理不干净则会导致分析结果偏小。
因此在不确定脱气温度的情况下,建议使用化学手册,例如 theHandbook of Chemistry andPhysics(CRC,BocaRaton,Florida),以及各标准组织发布的标准方法,如ASTM,作为相关参考。脱气温度的选择不能高于固体的熔点或玻璃的相变点, 建议不要超过熔点温度的一半。当然,如果条件许可,使用热分析仪能够最精确地得到适合的脱气温度。一般而言,脱气温度应当是热重曲线上平台段的温度。
3,如何确定样品的脱气时间?
需要与脱气温度对应选择的是脱气时间。脱气时间越长,样品预处理效果越好。脱气时间的选择与样品孔道的复杂程度有关。一般来说,孔道越复杂,样品微孔含量越高,脱气时间越长;同时,选择的脱气温度越低,样品所需要的脱气时间也就越长。可以通过在相同脱气温度下,分析样品的比表面积结果变化来确定脱气时间。如果在不同的脱气时间(2h,4h和6h)得到的比表面积结果相同,时间越短,效率越高,肯定是选择最短的脱气时间作为脱气条件;如果比表面积变化不大,则需要选择折衷的方案;如果比表面积结果随脱气时间延长不断变大,说明样品脱气时间仍然不足。
对于一般样品,IUPAC 推荐脱气时间一般不少于6 h,而那些需要低温脱气的样品则需要长得多的脱气时间。对一些微孔样品,脱气时间甚至需要在12 小时以上。但是所有时间的选择都不是绝对的,需要根据自身样品情况进行决定,例如作为特例,美国药典(USP)规定硬脂酸镁的脱气时间就仅为2 小时。总而言之,脱气时间需要结合样品选择的脱气温度进行选择。
由于脱气温度、脱气时间以及脱气真空度都与比表面积值有关,所以 BET 结果存在一定的误差是不可避免的。所以,测样时需要固定样品处理条件进行相对比较。与文献值比较时,也要注意文献上的样品预处理和分析条件。
4,样品脱气时,应该选择真空脱气还是流动脱气?两种方法各有什么特点?流动脱气一般是用于比表面快速分析的,它对于除去表面大量弱结合的吸附水非常好,但对在样品的孔道中吸附的水,只有经长时间吹扫使之扩散至表面,才能被带出。真空脱气对于除去表面大量弱结合的吸附水是不好的, 因为水会在泵中扩散,导致泵的抽力下降,长时间下去会影响真空泵的使用。但对孔中吸附的水,不需要经很长时间就能扩散至表面,继而被带出。所以,对于含水量较高的样品,应先在烘箱中烘烤过夜,再上真空脱气站,以保护真空泵。
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