麥克:氣體吸附實驗樣品處理注意事項
1,進行物理吸附分析前,為什么要對樣品進行脫氣處理?
在進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行處理。下圖展示了預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,系統溫度越高,分子擴散運動越快,因此系統溫度越高,樣品的脫氣效果越好。
通常儀器配備的不同廠家生產的脫氣站加熱溫度可達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構,在不破壞樣品結構的前提下,脫氣溫度越高越好。一般來說,Al2O3、SiO2這一類氧化物性質穩定,安全脫氣溫度可達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。對于有機化合物,也可以通過脫氣站進行預處理,但是大部分有機化合物的軟化溫度和玻璃化溫度較低,因此進行脫氣處理之前,必須加以確認。例如在醫藥領域常用的硬脂酸鎂,美國藥典(USP)標準規定的脫氣溫度為40 ℃。
如果脫氣溫度設置過高,會導致樣品結構的不可逆變化,例如燒結和分解。其中燒結會降低樣品的BET,分解會提高樣品的BET。但是如果僅僅為了保險,不破壞樣品結構,脫氣溫度設置過低,就可能會使樣品表面處理不完全,表面處理不干凈則會導致分析結果偏小。
因此在不確定脫氣溫度的情況下,建議使用化學手冊,例如 theHandbook of Chemistry andPhysics(CRC,BocaRaton,Florida),以及各標準組織發布的標準方法,如ASTM,作為相關參考。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,脫氣溫度應當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選擇的是脫氣時間。脫氣時間越長,樣品預處理效果越好。脫氣時間的選擇與樣品孔道的復雜程度有關。一般來說,孔道越復雜,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。可以通過在相同脫氣溫度下,分析樣品的比表面積結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,需要根據自身樣品情況進行決定,例如作為特例,美國藥典(USP)規定硬脂酸鎂的脫氣時間就僅為2 小時。總而言之,脫氣時間需要結合樣品選擇的脫氣溫度進行選擇。
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,所以 BET 結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行相對比較。與文獻值比較時,也要注意文獻上的樣品預處理和分析條件。
4,樣品脫氣時,應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合的吸附水非常好,但對在樣品的孔道中吸附的水,只有經長時間吹掃使之擴散至表面,才能被帶出。真空脫氣對于除去表面大量弱結合的吸附水是不好的, 因為水會在泵中擴散,導致泵的抽力下降,長時間下去會影響真空泵的使用。但對孔中吸附的水,不需要經很長時間就能擴散至表面,繼而被帶出。所以,對于含水量較高的樣品,應先在烘箱中烘烤過夜,再上真空脫氣站,以保護真空泵。
(責任編輯:金利儀器lyh)