等温夹套自由空间控制原理(一)

时间:2018-02-14    浏览:152次

一、自由空间是什么?

在样品管安装在静态体积法仪器上时,样品管内除去样品体积外,剩余管内空间的体积称为自由空间体积。在测试过程中,需要精确地了解自由空间体积,并且必须维持自由空间体积恒定。一般情况下,会在常温状态下先测试一次自由空间,然后升起杜瓦瓶,在液体冷却剂(一般为液氮)温度下测试一次自由空间。后者称为冷自由空间。如果在分析过程中冷自由空间发生变化,会对样品管中气体量的计算带来相当大的误差。

 

美国麦克仪器公司在20世纪80年代中期首次引进了专利等温夹套技术用于进行冷自由空间温度控制。

 

 

二、美国麦克仪器公司1987等温夹套产品介绍

采用BET技术进行材料比表面积和孔径分布分析,需要通过低温气体吸附来完成。在这个过程中,需要精确地了解测试系统所有组件的压力、体积和温度,才能精确地计算出测试气体的量。由于气体吸附是发生在低温状态下的,而测试系统的其他组件都处于常温状态,所以在将低温样品连接在常温体系时,必须保证温度稳定。如果不能进行适当的控制,在这样一个互相连接且温度梯度极大的情况下,冷却剂的挥发将会引起冷却区域大小的变化,从而影响到气体量的测试和气体吸附测试结果。

 

如下图所示,将装载着样品的样品管浸没在液氮中,直接连接到仪器的其他组件上,温度梯度空间将随着液氮的挥发和液氮液面的降低而增加。增加了样品管的不确定温度体积。

目前有一种方法是通过调整杜瓦瓶的位置来维持冷却区间体积恒定,主要是通过随着液氮液面降低,不断地抬高杜瓦瓶来实现。这种方法的确能够有效的维持浸没在液氮内的样品管体积恒定,但是必须确保最初在常温下暴露的样品管的高度足够。但是即便采用这种方法,温度梯度依然存在,并且仅能获得部分的蒸发补偿。

20世纪80年代中期,美国麦克仪器公司采用了一种传统的方式来维持液氮液面,即使用一种转移工具,直接连接杜瓦瓶和液氮罐,随着液氮的挥发,不断向杜瓦瓶中加入新鲜的液氮。如下图所示。这种方法非常有效,但是需要准备以下这个转移设备:

1987美国麦克仪器公司引入了专利等温夹套技术,它能够为维持冷自由空间恒定提供极佳的稳定性。等温夹套由一种多孔材料制成,使用时直接套在样品管周围即可。只要等温夹套的最底端浸没在液氮中,多孔材料就能够确保液氮一直维持在样品管杆的周围,且高度不变。这样即便杜瓦瓶中仅剩少量液氮,也能够保持样品管冷自由空间维持不变。如果测试时间过长,可适时地补充新鲜的液氮。等温夹套在使用过程中没有任何损耗,是一个真正的长期解决方案,如下图所示:


选自“Application Note-The Principles and Theory of the Isothermal Jacket for Free Space Control in Gas Absorption”