劉強(qiáng) 唐元明 龔有進(jìn) 張勤英

摘 要：采用定容法測(cè)定了Zr-Al及Zr-V-Fe兩種非蒸散型吸氣劑對(duì)單組份活性氣體及多組分混合氣體的吸氣性能，并考察了激活溫度、工作溫度、工作壓力等因素對(duì)其吸氣效率的影響。實(shí)驗(yàn)表明，Zr-V-Fe吸附劑在更低的激活溫度及工作溫度下對(duì)活性氣體仍有較良好的抽速，在消耗性實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出更優(yōu)的吸氣容量。

關(guān)鍵詞：定容法；非蒸散型吸氣劑；吸氣容量

在含有放射性氣體樣品的制備色譜流程中，通常只關(guān)心Ar、Kr、Xe等惰性氣體，因而需要對(duì)復(fù)雜氣體組分進(jìn)行預(yù)處理，以去除其中活性氣體組分（CO、CO2、CH4等）。通常采用的方法為冷阱法和變壓吸附法，操作程序繁瑣，除雜效率低，為后續(xù)色譜分析流程帶來較大壓力。長(zhǎng)久以來，吸氣劑由于其優(yōu)良的吸氣除雜及維持真空特性被廣泛應(yīng)用于電真空器件、原子能工業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，吸氣劑也開始被應(yīng)用到越來越多的科研和生產(chǎn)領(lǐng)域。例如表面科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)以及分析化學(xué)。在制備色譜流程中引入吸氣劑，利用其吸氣除雜特性，可以大大減少活性氣體組分，并簡(jiǎn)化操作流程。文章選定了Zr-Al及Zr-V-Fe兩種非蒸散型吸氣劑，采用定容法分別測(cè)定了其對(duì)單組份活性氣體及多組分混合氣體的吸氣性能，并探討了激活溫度、工作溫度、工作壓力等對(duì)其吸氣效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)試采用定容法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由反應(yīng)容器、加熱爐、壓力表、儲(chǔ)氣瓶、真空計(jì)、真空泵及連接各組件的閥門管道組成。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，先采用PVT法標(biāo)定反應(yīng)容器及系統(tǒng)主管路體積。將吸氣劑裝填于反應(yīng)容器中，設(shè)定加熱爐加熱溫度為150℃，連續(xù)加熱時(shí)間不少于10h，對(duì)吸附材料進(jìn)行熱處理，以除去放置過程中吸附在吸氣劑上的H2O。在熱處理的同時(shí)，打開真空泵及所有閥門對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)抽空。通過真空計(jì)觀察系統(tǒng)真空度抽到小于0.1Pa。用氦質(zhì)譜儀進(jìn)行檢漏，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)漏率在許可范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下：

（1）設(shè)置加熱爐于不同溫度對(duì)反應(yīng)容器中吸氣材料進(jìn)行激活活化，同時(shí)打開真空泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空；

（2）關(guān)閉V1、V3，打開V2釋放儲(chǔ)氣瓶中一定量的活性氣體至主管路后關(guān)閉V2，記錄壓力表讀數(shù)后再打開V1，觀察并記錄壓力隨時(shí)間變化情況。

（3）壓力表讀數(shù)降至0后，重復(fù)步驟（2），直至壓力基本不再變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Zr-Al吸氣劑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按圖1所示流程首先采用Zr-Al吸氣劑進(jìn)行了吸氣實(shí)驗(yàn)。考察不同激活溫度對(duì)吸氣效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，在600℃及700℃的激活溫度下對(duì)吸氣劑進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的充分烘烤激活后，其與加入到反應(yīng)容器內(nèi)的活性氣體幾乎未產(chǎn)生任何反應(yīng)，具體表現(xiàn)為反應(yīng)容器的壓力表讀數(shù)幾乎未發(fā)生變化。當(dāng)將激活溫度提升至800℃并對(duì)其充分激活后，Zr-Al吸氣劑才開始與活性氣體組分發(fā)生反應(yīng)。將激活溫度進(jìn)一步提升至900℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓力變化情況與800℃時(shí)變化不大，由此可認(rèn)為800℃即為Zr-Al吸氣劑的激活溫度，而即使在更高的溫度下激活，只要工作溫度一樣（圖中800℃及900℃兩條壓力時(shí)間變化曲線均為在750℃的工作溫度下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)），其反應(yīng)速率可認(rèn)為是相同的。考慮到高溫所帶來的安全隱患等因素，在確定了 800℃的激活溫度后，我們又進(jìn)行了不同工作溫度下的吸氣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，盡管Zr-Al吸氣劑已充分激活，但在較低的工作溫度下（700℃），反應(yīng)容器內(nèi)的壓力變化仍非常緩慢。證明其與活性氣體的反應(yīng)仍然存在一個(gè)溫度閾值。當(dāng)工作溫度大于該閾值時(shí)，其反應(yīng)速率也隨著工作溫度的升高而加快。

按照相同流程，我們又對(duì)CH4及CO兩種純氣體進(jìn)行了吸氣實(shí)驗(yàn)，得到的現(xiàn)象與CO2基本類似。由此，在充分考慮了高溫安全等因素的前提下，我們確定了Zr-Al吸氣劑的最佳使用條件為：（1）激活溫度：800℃；（2）使用溫度：750℃。

在此最優(yōu)條件下，使用模擬混合氣體樣品對(duì)Zr-Al吸氣劑進(jìn)行了消耗性實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過程為：稱取一定量的Zr-Al吸氣劑置于反應(yīng)容器中，于800℃下充分活化，再降至750℃最優(yōu)工作溫度。不斷往反應(yīng)容器中充入模擬混合氣體樣品，觀察其反應(yīng)速率變化。當(dāng)反應(yīng)容器中壓力基本不變化時(shí)（參照之前單組份氣體吸氣實(shí)驗(yàn)），停止實(shí)驗(yàn)。計(jì)算得出在此條件下Zr-Al吸氣劑的吸氣容量為8.33mL/g。

2.2 Zr-V-Fe吸氣劑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用與2.1中所述相同實(shí)驗(yàn)流程，我們又對(duì)Zr-V-Fe吸氣劑進(jìn)行了吸氣實(shí)驗(yàn)。

圖4所示為不同激活溫度下Zr-V-Fe吸氣劑與CO2反應(yīng)的的壓力時(shí)間變化曲線。由圖4可見，在400℃條件下，Zr-V-Fe基本未被激活，反應(yīng)容器壓力穩(wěn)定不變；在500℃激活時(shí)，Zr-V-Fe開始與CO2發(fā)生反應(yīng)，但效率較低，共耗時(shí)34min才將反應(yīng)容器內(nèi)的活性氣體完全反應(yīng)；在600℃激活時(shí)，Zr-V-Fe獲得最佳性能，由此可確定其激活溫度為600℃。

在確立了600℃的激活溫度前提下，又進(jìn)行了不同工作溫度的吸氣實(shí)驗(yàn)得到曲線如圖5所示。

由圖5可見，在600℃的激活溫度，550℃的工作溫度條件下，Zr-V-Fe吸氣劑可快速將反應(yīng)容器內(nèi)的CO2反應(yīng)完全。由此，我們確定了Zr-V-Fe吸氣劑的最佳使用條件為：（1）激活溫度：600℃；（2）使用溫度：550℃。

在此最優(yōu)條件下，又分別進(jìn)行了Zr-V-Fe吸氣劑與CH4及CO的吸氣實(shí)驗(yàn)，其壓力時(shí)間變化曲線與圖5類似。

在確定的最優(yōu)條件下采用與Zr-Al吸附劑相同流程對(duì)Zr-V-Fe吸氣劑進(jìn)行消耗性實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出在此條件下Zr-V-Fe吸氣劑的吸氣容量為12.64mL/g。

3 結(jié)束語

在兩種吸氣劑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，我們得出結(jié)論：Zr-V-Fe吸氣劑可以在相對(duì)較低的激活溫度（600℃）及工作溫度（550℃）下較好的完成對(duì)雜質(zhì)氣體的去除；而使用Zr-Al吸氣劑則需要較高的激活溫度（800℃）與工作溫度（750℃），且其反應(yīng)容量也小于Zr-V-Fe吸氣劑。

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作者簡(jiǎn)介：劉強(qiáng)（1982-），男，四川成都人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，主要從事放射化學(xué)與色譜分析方向研究工作。