余 磊 彭少華 舒 婕

(蘇州大學分析測試中心，蘇州 215123)

經(jīng)驗交流

全自動比表面儀測試及維護常見問題探討

余 磊 彭少華 舒 婕

(蘇州大學分析測試中心，蘇州 215123)

全自動比表面儀可以測定微孔、介孔及大孔樣品比表面積以及孔徑分布等。儀器要求的真空度很高，因此，必須經(jīng)常查看室內溫濕度及真空泵系統(tǒng)運行情況。另外，預處理目的是是除去樣品中可揮發(fā)有機模板劑、水及空氣等，以得到有效的分析數(shù)據(jù)。

全自動比表面儀 比表面積 孔徑分布

全自動比表面儀[1-3]ASAP2020(圖1)可以用來檢測比表面積以及孔徑分布等，比表面積測定原理是利用物質表面(包括外表面及內部孔道表面)的低溫下發(fā)生物理吸附，因為低溫可以避免化學吸附因此，因此，吸附法測得的表面積實質上是吸附質分子所能達到的材料的外表面和內部孔道總表面積之和。

測試比表面積時，相對壓力(P/P0)要控制在0.05～0.35之間，因為低于0.05時，氮氣分子很難形成多層吸附，不易建立平衡，而高于0.35時，會發(fā)生毛細凝聚現(xiàn)象，妨礙多層物理吸附，這樣就使得測試結果中喪失了內部孔道表面積。

測試孔徑分布時，相對壓力(P/P0)要控制在0.35～0.95之間，因為氣體吸附法測定孔徑分布是利用毛細凝聚現(xiàn)象以及體積等效交換原理，即將被測孔中充滿的氮氣等效為孔的體積。對于一定的P/P0值，存在一臨界孔半徑，半徑小于臨界孔半徑的所有孔都發(fā)生毛細冷凝，使得氮氣填充其中，也可以理解為對于已經(jīng)發(fā)生毛細冷凝的孔，當壓力低于一定的P/P0時，半徑大于臨界孔半徑的孔中凝聚液化的氮氣氣化并托付出來，通過測定樣品在不同P/P0下凝聚氮氣量，繪制出其等溫脫附曲線。

1 日常測試

高純氮氣是全自動比表面儀ASAP2020最常用的吸附質氣體，日常測試時鋼瓶壓力保持在0.1MPa左右為宜，同時在測試之前應該讓儀器抽真空一段時間，脫氣站真空為0mmHg以及分析站真空為2μmHg時說明儀器真空正常。

1.1 脫氣預處理

準確稱量好樣品后，就可以對樣品進行預處理，預處理涉及到高溫加熱及抽真空，目的是除去樣品中可揮發(fā)有機模板劑、水及空氣等，因此，學生送樣時必須要注明樣品處理溫度，在這個預處理溫度下，樣品不能揮發(fā)及分解，否則會對真空泵及儀器造成損壞，影響科研測試，預處理過程以真空度為標準，一般當真空度低于20μmHg時就可以進行分析操作，但是在分析之前需要用氮氣回填到一個標準大氣壓，否則拆不下來樣品管。

圖1 全自動比表面分析儀

1.2 分析實驗

分析實驗是在脫氣預處理完成后，將樣品管戴上保溫夾套并轉移到分析站上、P0管與分析樣品管靠在一起，以及分析站的液氮保溫套中加滿液氮，然后觀察分析軟件上測試之前儀器管道壓力，如果是2μmHg則正常，可以進行分析，否則要找到真空度不足的原因方可進行分析操作，分析實驗結束后，儀器會自動關閉相應閥門并將樣品管真空度回填到一個大氣壓，同時自動開始抽真空至2μmHg。

1.3 拆洗冷肼管

冷肼管有兩根，左邊一根是與脫氣相連，右邊一根是與分析站相連，冷肼管外面有液氮保溫套，冷肼主要作用就是在脫氣及分析時樣品中被真空抽出來的水汽或有機小分子在液氮環(huán)境下冷凝下來，這樣真空度就能夠在短時間內達到要求。

拆洗冷肼管之前，先要關閉干泵及油泵，然后將脫氣站及分析站相連的冷肼管用高純氮氣回填到一個大氣壓，關閉軟件，最后關閉儀器電源，拆下冷肼管，洗干凈并烘干，同時將脫氣和分析站保溫套里面的冰用溫水融化并晾干，一切準備就緒后將冷肼管裝上，脫氣保溫套加好液氮放到冷肼管中，開機打開軟件，當脫氣站真空抽至0mmHg及分析站真空抽至2μmHg時再穩(wěn)定兩小時左右，即可進行脫氣及分析實驗。

1.4 后處理

分析測試結束后，將樣品回收，洗凈樣品管并烘干供后續(xù)預處理及分析用。

2 測試常見問題

2.1 分析時間過長

某些樣品的分析時間太長，達到十個小時甚至更長時間。這可能是由于樣品預處理時間及溫度不夠，或者是由于冷肼液氮保溫套及分析保溫套中沒有加滿液氮，從而導致在分析時達到每一個分壓時間過長，最終導致分析時間過長。

2.2 測出的比表面積很小

某些樣品測出的BET比表面很小，幾乎為零。這可能是由于樣品本身就沒有孔道、孔道被雜質填滿導致真空下不易抽出來、樣品在反應或處理過程中孔道崩塌，這樣情況需要科研人員仔細分析產(chǎn)品合成過程，找出可能原因來解決問題。

2.3 遲滯環(huán)不閉合

圖2 遲滯環(huán)閉合與不閉合

某些樣品測出的遲滯環(huán)不閉合(圖2)。這種情況比較常見，需要結合吸收量及孔徑分布進行分析。可能是因為樣品在分析時孔道部分坍塌，造成部分孔道內的氮氣分子脫附時未能脫附出來；可能樣品在實驗過程中未處理干凈，造成部分雜質留在孔道中，形成類似于墨水瓶狀的的小孔孔道，這樣造成脫附曲線不能和吸附曲線重合；反應后的催化劑上面吸附了容易在真空下分解的東西，有物質分解的話，遲滯環(huán)不閉合。

但如果孔徑分布曲線走勢相同，而吸附量減少明顯，這種情況說明孔的數(shù)量明顯減少，也就是說，孔還那樣的分布，但是數(shù)量減少了。

3 日常維護

儀器維護主要是針對真空系統(tǒng)的維護。油泵潤滑油液下降到最低刻度(正?？潭葹?/2～2/3)時應加油(由于消耗少，幾乎不用加油，一到兩年加一次)；油泵的油氣阱中氧化鋁球定期更換，以氧化鋁球變顏色為準(超過一半以上變色需更換)，新氧化鋁球使用前要烘干(350℃下烘4小時)，不要使用已用過的氧化鋁球；儀器管理人員應該定期擦拭儀器保持儀器表面潔凈；配備抽濕機及空調來保證儀器室溫濕度；定期加液氮及清洗烘干冷肼管和液氮保溫桶。另外，如果儀器短期不用則不用關機，使儀器始終處于抽真空狀態(tài)；但如果長時間不用則需要按照順序關機，以保證儀器正常使用壽命。

4 結論

全自動比表面儀可以用來測定微孔、介孔及大孔樣品比表面積以及孔徑分布等。儀器要求的真空度很高，因此，必須保證干泵、油泵及分子泵的正常運行，及時查看室內溫濕度、真空泵油液及氧化鋁球干燥劑，另外，測試分為預處理和分析兩步，預處理目的是是除去樣品中可揮發(fā)有機模板劑、水及空氣等，并最終節(jié)約分析時間、保護分析泵及得到準確結果，最大限度地為科研提供幫助。

[1] 彭少華, 馬泓冰. 全自動比表面與孔隙度分析儀真空故障的排查與維護[J]. 分析測試技術與儀器, 2013,2(19): 118-121.

[2] 高濤, 王銳, 王耿媛. 全自動比表面積分析儀校準方法及其不確定度評定研究[J].計量與測試技術, 2016, 43(1): 71-72.

[3] 劉時鑄. 比表面積儀的維護與故障處理[J]. 實驗室科學, 2013, 13(4): 156-158.

Discussion on test and maintenance of automatic specific surface area analyzer.

Yu Lei, Peng Shaohua, Shu Jie

(Testing and Analysis Center, Soochow University, Suzhou 215123, China)

Automatic surface area analyzer can measure specific surface area and pore-size distribution of micropore, mesoporous and macroporous samples.It is necessary to check temperature, humidity and operating conditions of vacuum pumps system.

automatic surface area analyzer; specific surface area; pore-size distribution

國家自然科學基金面上項目(21673148)

余磊，男，1982年出生，碩士研究生，中級實驗師，從事儀器測試及管理工作，E-mail：yulei198415@163.com。

舒婕，女，1982年出生，博士研究生，副研究員，主要研究方向為固體核磁共振技術及應用，E-mail：jie_sh@yeah.net。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.020

2016-11-28