定容法测定两种非蒸散型吸气剂吸气性能

刘强 唐元明 龚有进 张勤英

摘 要：采用定容法测定了Zr-Al及Zr-V-Fe两种非蒸散型吸气剂对单组份活性气体及多组分混合气体的吸气性能，并考察了激活温度、工作温度、工作压力等因素对其吸气效率的影响。实验表明，Zr-V-Fe吸附剂在更低的激活温度及工作温度下对活性气体仍有较良好的抽速，在消耗性实验中也表现出更优的吸气容量。

关键词：定容法；非蒸散型吸气剂；吸气容量

在含有放射性气体样品的制备色谱流程中，通常只关心Ar、Kr、Xe等惰性气体，因而需要对复杂气体组分进行预处理，以去除其中活性气体组分（CO、CO2、CH4等）。通常采用的方法为冷阱法和变压吸附法，操作程序繁琐，除杂效率低，为后续色谱分析流程带来较大压力。长久以来，吸气剂由于其优良的吸气除杂及维持真空特性被广泛应用于电真空器件、原子能工业等传统领域。随着科学技术不断发展，吸气剂也开始被应用到越来越多的科研和生产领域。例如表面科学、半导体工业以及分析化学。在制备色谱流程中引入吸气剂，利用其吸气除杂特性，可以大大减少活性气体组分，并简化操作流程。文章选定了Zr-Al及Zr-V-Fe两种非蒸散型吸气剂，采用定容法分别测定了其对单组份活性气体及多组分混合气体的吸气性能，并探讨了激活温度、工作温度、工作压力等对其吸气效率的影响。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

测试采用定容法，实验装置如图1所示，主要由反应容器、加热炉、压力表、储气瓶、真空计、真空泵及连接各组件的阀门管道组成。

1.2 实验方法

进行实验前，先采用PVT法标定反应容器及系统主管路体积。将吸气剂装填于反应容器中，设定加热炉加热温度为150℃，连续加热时间不少于10h，对吸附材料进行热处理，以除去放置过程中吸附在吸气剂上的H2O。在热处理的同时，打开真空泵及所有阀门对系统进行预抽空。通过真空计观察系统真空度抽到小于0.1Pa。用氦质谱仪进行检漏，确保实验系统漏率在许可范围内。实验的具体步骤如下：

（1）设置加热炉于不同温度对反应容器中吸气材料进行激活活化，同时打开真空泵对系统进行抽真空；

（2）关闭V1、V3，打开V2释放储气瓶中一定量的活性气体至主管路后关闭V2，记录压力表读数后再打开V1，观察并记录压力随时间变化情况。

（3）压力表读数降至0后，重复步骤（2），直至压力基本不再变化。

2 实验结果与讨论

2.1 Zr-Al吸气剂实验数据

按图1所示流程首先采用Zr-Al吸气剂进行了吸气实验。考察不同激活温度对吸气效率的影响，实验结果如图2所示。

由图2可见，在600℃及700℃的激活温度下对吸气剂进行长时间的充分烘烤激活后，其与加入到反应容器内的活性气体几乎未产生任何反应，具体表现为反应容器的压力表读数几乎未发生变化。当将激活温度提升至800℃并对其充分激活后，Zr-Al吸气剂才开始与活性气体组分发生反应。将激活温度进一步提升至900℃时，发现压力变化情况与800℃时变化不大，由此可认为800℃即为Zr-Al吸气剂的激活温度，而即使在更高的温度下激活，只要工作温度一样（图中800℃及900℃两条压力时间变化曲线均为在750℃的工作温度下进行的实验），其反应速率可认为是相同的。考虑到高温所带来的安全隐患等因素，在确定了 800℃的激活温度后，我们又进行了不同工作温度下的吸气实验。实验结果如图3所示。

由图3可知，尽管Zr-Al吸气剂已充分激活，但在较低的工作温度下（700℃），反应容器内的压力变化仍非常缓慢。证明其与活性气体的反应仍然存在一个温度阈值。当工作温度大于该阈值时，其反应速率也随着工作温度的升高而加快。

按照相同流程，我们又对CH4及CO两种纯气体进行了吸气实验，得到的现象与CO2基本类似。由此，在充分考虑了高温安全等因素的前提下，我们确定了Zr-Al吸气剂的最佳使用条件为：（1）激活温度：800℃；（2）使用温度：750℃。

在此最优条件下，使用模拟混合气体样品对Zr-Al吸气剂进行了消耗性实验，具体实验过程为：称取一定量的Zr-Al吸气剂置于反应容器中，于800℃下充分活化，再降至750℃最优工作温度。不断往反应容器中充入模拟混合气体样品，观察其反应速率变化。当反应容器中压力基本不变化时（参照之前单组份气体吸气实验），停止实验。计算得出在此条件下Zr-Al吸气剂的吸气容量为8.33mL/g。

2.2 Zr-V-Fe吸气剂实验数据

采用与2.1中所述相同实验流程，我们又对Zr-V-Fe吸气剂进行了吸气实验。

图4所示为不同激活温度下Zr-V-Fe吸气剂与CO2反应的的压力时间变化曲线。由图4可见，在400℃条件下，Zr-V-Fe基本未被激活，反应容器压力稳定不变；在500℃激活时，Zr-V-Fe开始与CO2发生反应，但效率较低，共耗时34min才将反应容器内的活性气体完全反应；在600℃激活时，Zr-V-Fe获得最佳性能，由此可确定其激活温度为600℃。

在确立了600℃的激活温度前提下，又进行了不同工作温度的吸气实验得到曲线如图5所示。

由图5可见，在600℃的激活温度，550℃的工作温度条件下，Zr-V-Fe吸气剂可快速将反应容器内的CO2反应完全。由此，我们确定了Zr-V-Fe吸气剂的最佳使用条件为：（1）激活温度：600℃；（2）使用温度：550℃。

在此最优条件下，又分别进行了Zr-V-Fe吸气剂与CH4及CO的吸气实验，其压力时间变化曲线与图5类似。

在确定的最优条件下采用与Zr-Al吸附剂相同流程对Zr-V-Fe吸气剂进行消耗性实验，计算得出在此条件下Zr-V-Fe吸气剂的吸气容量为12.64mL/g。

3 结束语

在两种吸气剂实验数据基础上，我们得出结论：Zr-V-Fe吸气剂可以在相对较低的激活温度（600℃）及工作温度（550℃）下较好的完成对杂质气体的去除；而使用Zr-Al吸气剂则需要较高的激活温度（800℃）与工作温度（750℃），且其反应容量也小于Zr-V-Fe吸气剂。

参考文献

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[2]庄寿全.现代吸气材料及其应用技术[J].真空电子技术，1994（5）：42-49.

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[4]顾为，熊玉华，杜军，等.ZrVFe吸气剂激活过程研究[J].稀有金属，2007，31（4）：501-505.

作者简介：刘强（1982-），男，四川成都人，毕业于哈尔滨工业大学，学士学位，主要从事放射化学与色谱分析方向研究工作。