Определение удельной поверхности руд, продуктов обогащения и минералов

22.09.2020

Удельная поверхность минерального сырья — суммарная площадь поверхности частиц, отнесенная к единице объема или массы всего дисперсного твердого материала.

Удельная поверхность минералов изменяется в широких пределах и используется в качестве важнейшего показателя при оценке степени измельчения сырья, правильности формы частиц, шероховатости их поверхности, наличия пор, для расчета плотности сорбционного слоя флотационных реагентов и эффективности сепарации различными методами.

В практике исследования гранулометрического состава мелкодисперсного минерального сырья различают полную и внешнюю удельную поверхность. Внешняя удельная поверхность — суммарная поверхность, образованная ровными участками, выступами, извилинами и трещинами, глубина которых меньше их ширины. Полная удельная поверхность — суммарная поверхность, образованная внешней и внутренней, включающей глубокие трещины, сквозные и тупиковые поры, другие дефекты кристаллических структур и т.д.

Удельную поверхность определяют на сухом материале. Методом квадратования или квартования объединенной пробы подготавливают навески массой не менее 10 и 100 г для определения соответственно полной и внешней удельной поверхности.

Для определения удельной поверхности измельченных продуктов применяют в основном два метода: расчетно-графический (электронно-микроскопический, автоматический с применением телевизионной техники, по данным гранулометрического состава) и экспериментальный (по скорости фильтрации жидкости или воздуха через слой порошка, адсорбции газов или другим параметрам, зависящим от удельной поверхности материала, например, кондуктометрический, ртутной порометрии, рассеяния рентгеновских лучей, кинематический и другие).

Наиболее распространены методы, основанные на измерении гидравлического сопротивления, оказываемого слоем измельченного материала фильтрации жидкости или газа.

Д. Арси, изучая фильтрацию воды через песчаные грунты, установил, что расход воды, фильтрующейся через слой фунта, пропорционален полному сечению фильтра и гидравлическому градиенту

где Q — расход жидкости, то есть объем протекающей через фильтр в единицу времени жидкости; F— полное сечение жидкости; I — гидравлический градиент; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств грунта и называемый коэффициентом фильтрации.

Скорость фильтрации (то есть расход, приходящийся на единицу площади фильтра):

Следовательно,

то есть коэффициент фильтрации имеет размерность скорости и представляет скорость фильтрации на единицу гидравлического градиента. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что величина коэффициента фильтрации зависит от размеров частиц грунта, его пористости, вязкости фильтрующейся жидкости.

Концени, основываясь на законе Пуазейля о протекании жидкостей через капиллярные трубки и рассматривая песок как совокупность капилляров, вывел формулу:
Определение удельной поверхности руд, продуктов обогащения и минералов

где d — эффективный диаметр частиц; m — пористость; n — вязкость жидкости.

Кроме того, Концени вывел теоретически зависимость скорости фильтрации от величины поверхности частиц материала, содержащихся в единице объема фильтра:

где q — скорость фильтрации; AP — разность давлений по сторонам фильтра; L — толщина фильтра; g — ускорение; m — коэффициент пористости; n — вязкость жидкости; sоб — поверхность частиц, содержащихся в единице объема фильтра; k — константа Концени, величина которой равна 5.

Принимая во внимание, что между величиной поверхности частиц, содержащихся в единице объема фильтра, величиной удельной поверхности частиц, относящейся к единице истинного объема частиц, и коэффициентом пористости существует соотношение:

где sоб — удельная поверхность частиц, отнесенная к единице их истинного объема; S — поверхность частиц, содержащихся в единице объема фильтра; m — коэффициент пористости в долях единицы, Карман получил

Определив числовое значение выражения Vg/k (в котором величина константы k = 5) и подставив вместо q выражение (3.9), он получил конечную формулу:

Поверхность на единицу массы sm вычисляется по формуле:

где р — плотность материала.

Однако определение удельной поверхности тонкоизмельченных материалов при помощи фильтрации жидкостей имело ряд недостатков, а именно: а) возможность коагуляции вещества жидкостью; б) необходимость введения поправки на уменьшение диаметра пор вследствие наличия адсорбированного слоя жидкости на поверхности частиц; в) относительно большая продолжительность опыта. Указанные недостатки исключаются при замене жидкости газами (воздухом).

Для определения удельной поверхности разработано много приборов. Следует выделить приборы, в основу принципа работы которых положен метод фильтрации воздуха при постоянном потоке (приборы Товарова, Фишера и др.), при изменяющемся потоке (приборы ПСХ-4, АДП-1, Блейна и др.), при молекулярном или кнудсеновском потоке (приборы Дерягина, УГП), адсорбции газов (объемные, динамические, хроматографические установки, «Акусорб 2100», «Дижисорб 2600» и др.).

Прибор Товарова (рис. 3.47) применяется для определения удельной поверхности грубодисперсных систем. Он состоит из гильзы 1, плунжера 2, аспиратора 12 и водяного манометра 14. Гильза представляет собой установленную на подставке трубку с внутренним диаметром 25,2+0,1 мм. Между подставкой и гильзой зажимается металлический диск 8 с отверстиями и кольцевая резиновая прокладка 9 (шириной 3 мм, толщиной 2 мм и диаметром 43 мм). При закреплении гильзы на подставке болтами необходимо следить, чтобы резиновая прокладка не попала между гильзой и диском 8. На последний кладется кружок фильтровальной бумаги. Затем в гильзу насыпается навеска анализируемого материала, предварительно подсушенного, охлажденного на воздухе и взвешенного с точностью до 0,1 г. Легкими ударами подставки о стол поверхность навески в гильзе выравнивают. Затем на нее кладут лист фильтровальной бумаги, диаметр которого должен быть точно равен внутреннему диаметру гильзы, после чего навеска прессуется плунжером 2 до соприкосновения упорного кольца плунжера с гильзой. Если упорное кольцо не доходит до гильзы, то массу навески следует уменьшить. Необходимая масса навески m2 определяется по формуле:

где m1 — предварительно взятая масса навески, г; L1 — высота слоя навески, соответствующая массе навески m1, мм.

Значение L1 определяется с помощью миллиметровой шкалы 4, нанесенной на гильзе, и шкалы нониуса 5, закрепленной на плунжере. Устанавливают нониус перемещением его на планке 3, а фиксируют с помощью болта 6. Если плунжер легко доходит до упора, то навеску следует увеличить.

Аспиратор действует по принципу сосуда Мариотта и обеспечивает постоянную скорость фильтрования воздуха через слой порошка. Перед проведением анализа из аспиратора вынимают пробку 13, наливают в него дистиллированную воду примерно до показанного уровня и вставляют пробку обратно. В манометр 14 наливают подкрашенную дистиллированную воду с двумя-тремя каплями концентрированной соляной кислоты и устанавливают его на нуль, передвигая при этом сосуд 10 в вертикальной плоскости. Открывают кран аспиратора 11, и по трубе 15 начинает течь вода в стакан, установленный под аспиратором. При достижении стабильного разрежения, измеряемого манометром, записывают показания прибора и измеряют расход воды. Для проверки герметичности соединений после заливки воды в аспиратор гильзу плотно закрывают пробкой и, открыв кран аспиратора, ожидают прекращения выхода воды. Если течение воды из аспиратора не прекращается, проверяют герметичность всех соединений. Температуру измеряют термометром 16.

Правильность показания прибора проверяется пяти-шестикратным контрольным измерением удельной поверхности эталонного порошка с известной удельной поверхностью при толщине его слоя 30 мм. Затем вычисляют поправочный коэффициент a = Sэ/So, где Sэ — удельная поверхность эталонного порошка; Sо — удельная поверхность, полученная в результате пяти-шестикратного измерения.

Если значение коэффициента а отличается от 1 на ±0,05 и более, то он вводится в расчетную формулу.

Удельную поверхность S (см2/г) материала рассчитывают по формуле:

где k — константа прибора; р — плотность материала, г/см3; H — разрежение по показаниям манометра, 102 Па; t — продолжительность опыта, с; m — коэффициент пористости материала, доли ед.; Vв — объем воздуха, прошедшего в процессе опыта через слой материала, равный объему воды в колбе, см3; n — вязкость воздуха при температуре опыта, 0,1 Па*с;

где d — внутренний диаметр гильзы, см; h2 — высота слоя материала в гильзе, см;

где рн — насыпная плотность материала в состоянии уплотнения, г/см3.

Средний диаметр зерна сферической формы d (мкм) определяется по формуле

Наиболее удобным, не требующим предварительных опытов по выбору навески материала, является прибор Соминского и Ходакова для определения удельной поверхности порошков методом воздухопроницаемости при атмосферном давлении (рис. 3.48). Кювета 5 прибора представляет собой цилиндрическую камеру, перегороженную на определенной высоте перфорированным диском б. На внешней поверхности кюветы нанесена миллиметровая шкала. Материал уплотняется плунжером 4, который подогнан к кювете с просветом 0,15 мм. К плунжеру прикреплена планка с нониусом, которая вместе со шкалой на внешней поверхности кюветы позволяет измерять толщину слоя. Разрежение под слоем материала создается резиновой грушей 2 с клапанами. Воздухопроницаемость определяют по скорости уменьшения разрежения под слоем с помощью манометра 1 и секундомера. Удельная поверхность определяется следующим образом. Навеску предварительно высушенного при температуре 105—110 °C материала массой m = 10р/3 (р — плотность материала, г/см3) высыпают на кружок фильтровальной бумаги, вырезанной по внутреннему диаметру кюветы. Слой выравнивают, покрывают сверху вторым кружком фильтровальной бумаги и уплотняют плунжером, который после измерения высоты слоя выводят из кюветы. Открывают кран 3 и грушей создают разрежение. Затем кран закрывают и измеряют время t(с) опускания жидкости между двумя рисками (при быстром оседании — между верхней и нижней, при медленном — между верхней и средней).

Удельная поверхность (см2/г) вычисляется по формуле:

где К — постоянная прибора;

где h и m— соответственно высота слоя минерала и его масса; о — площадь поперечного сечения кюветы; K — вязкость воздуха.

Постоянную прибора К определяют градуировкой по порошку с известной удельной поверхностью. Для средней и нижней рисок постоянная прибора различна. После градуировки нельзя изменять длину резиновых трубок или заменять их на трубки другого диаметра. Другие детали прибора также заменять не рекомендуется. В противном случае необходимо снова отградуировать прибор.

Для исследования материалов с удельной поверхностью менее 1500 см2/г с целью повышения точности следует брать навеску (q10), численно равную удесятеренной плотности, и измерять время падения столба манометра между нижними рисками. Величину M в этом случае находят для 1/3 измеренной высоты слоя. Удельную поверхность рассчитывают по формуле:

Для изучения исследуемого материала с удельной поверхностью менее 500 см2/г применяются приборы (рис. 3.49) с пористой перегородкой 5, у которых разрежение создается аспиратором (сосудом Мариотга) 1. Кюветы 4 у этих приборов более высокие, так как требуются большие навески минералов. Воздухопроницаемость определяют по скорости вытекания жидкости из аспиратора и измерению разрежения под слоем по манометру 2. Приборы, основанные на фильтрации газа, необходимо периодически проверять на герметичность. Для этого в кювету вставляют пробку и создают разрежение грушей или аспиратором. При хорошей герметизации приборов разрежение остается постоянным длительное время.

Прибор АДП-1 предназначен для определения внешней удельной поверхности дисперсных материалов от 50 до 15000 м2/кг (рис. 3.50). Он состоит из металлической кюветы 1 для размещения испытываемого образца, на внешней поверхности которой нанесена миллиметровая шкала, плунжера 2 с нониусом для уплотнения пробы и определения ее высоты, стеклянного манометра 3 с метками, крана 4, резиновой груши 5 для создания разрежения воздуха под образцом, соединительных трубок.

Пробу, подготовленную для испытаний, высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы при (105+5) °С. Из высушенной и охлажденной пробы подготавливают 2 навески для определения плотности и 2 для определения удельной поверхности.

Масса т (кг) навески:

где р — истинная плотность сырья, кг/м3; n — коэффициент, характеризующий насыпную плотность и дисперсность сырья.

Для большинства высокодисперсных материалов n = 1. Для грубодисперсных материалов n > 1 (рекомендуется n = 3, тогда m = 10р). При анализе материалов с большой пористостью (навеска может не разместиться в кювете или затруднит пользование нониусом) следует принимать n = 0,5—0,8 (рекомендуется 0,5).

При подготовке прибора к работе его проверяют на герметичность. Для этого закрывают кювету резиновой пробкой и создают с помощью груши разрежение. Когда уровень воды в стеклянной трубке достигнет верхней метки I, кран закрывают. При герметичности прибора вода в стеклянной трубке остается на том же уровне. Затем в кювету помещают два бумажных фильтра, вставляют плунжер и проверяют совпадение нулевых меток нониуса и шкалы на кювете.

При проведении испытаний на дно кюветы помещают бумажный фильтр, высыпают приготовленную навеску и разравнивают ее легким постукиванием по кювете. Сверху помещают второй фильтр и вручную с помощью плунжера уплотняют навеску. Определяют высоту слоя уплотненной навески по нониусу и шкале на кювете. Удаляют плунжер из кюветы, открывают кран и создают разрежение под слоем навески в кювете. Когда уровень воды в стеклянной трубке достигнет нижнего края верхнего резервуара, кран закрывают и определяют по секундомеру время прохождения мениска воды в трубке между двумя верхними или нижними метками в зависимости от скорости движения мениска. При быстром (< 5—6 с) опускании столба жидкости между рисками I—II следует проводить измерение между рисками III—IV или увеличить навеску в соответствии с формулой (3.11). Записывают температуру воздуха в помещении по термометру прибора.

Внешняя удельная поверхность S (м2/кг) материала:

где k — постоянная прибора для той пары меток на трубке, между которыми наблюдалось прохождение мениска, кг|/2 м-2*с-1; M — коэффициент, зависящий от высоты H слоя навески и температуры T воздуха и определяемый по таблице в инструкции к прибору, кг-1/2*м4*c1/2; t — время прохождения мениска между двумя метками, с; m — масса навески, кг.

Необходимо учитывать, что таблица к прибору составлена только для опытов с навеской массой m = 3,33р. В тех случаях, когда удельную поверхность определяют на уменьшенной или увеличенной навеске, высота (H1) слоя материала для нахождения коэффициента M берется равной

Удельную поверхность определяют на двух параллельных навесках. Разница между результатами должна быть < 5 м2/кг, в противном случае испытание повторяют еще на двух навесках и за окончательный результат принимают среднее арифметическое двух ближайших значений.

Время проведения измерения 5—10 мин. Погрешность измерения 4 %.

Прибор Фишера (модель 95) предназначен для измерения средней крупности частиц в диапазоне 0,2—50 мкм и внешней удельной поверхности (рис. 3.51). Он состоит из трубчатой кюветы 3 для размещения навески испытуемого материала, воздушного насоса и регулятора постоянного давления 1, осушителя воздуха 2, двух калибровочных вентилей 4, водяного манометра 5, логарифмической диаграммы для определения среднего диаметра частиц 6 и устройства 7 для уплотнения пробы при определенном заданном давлении. Прибор проградуирован таким образом, что по перепаду давления манометра 5 определяют средний диаметр частиц и рассчитывают удельную поверхность.

Масса навески материала (в граммах) для анализа равна истинной плотности материала. Время выполнения одного анализа 10—15 мин.

УГГТ — устройство для определения газопроницаемости слоя порошка в молекулярном режиме течения (рис. 3.52). Устройство обеспечивает определение внешней удельной поверхности порошков в диапазоне 200—50000 м2/кг. Измерительная система устройства состоит из дифференциального манометра 9 с краном 7 и преобразователя манометрического 8 термопарного типа ПМТ-2 или ПМТ-4М. Исполнительная система состоит из трубки измерительной с испытуемой пробой 1, малого сосуда 6, большого сосуда 11, дозировочного крана 3, вибратора 12, фильтров 2, крана 5, подключающего большой сосуд к системе, кранов 4 и крана 10 для подключения вакуумного насоса.

В основу метода положена теория течения разреженного газа через уплотненный слой твердых частиц, когда длина пробега молекул газа намного больше расстояния между частицами.

Объем навески для анализа составляет 2,5—10 см3. Время выполнения одного анализа ~ 1 ч. Б.В. Дерягин, М. Фриндлянд и В.И. Крылова сконструировали прибор для более точного определения поверхности порошков. Прибор Б.В. Дерягина показан на рис. 3.53. Он состоит из стеклянного цилиндра 9 с фильтром. Верхняя часть цилиндра соединена через трубку 4 с реометром 18, через который во время опыта воздух поступает в цилиндр. С другой стороны к трубке 4 присоединены через трехходовый кран 3 дифференциальные манометры: масляный 17 и ртутный 16, а через трехходовые краны 13 и 7 — вакуумметры 15 и 14. Пространство под фильтром в нижней части цилиндра с одной стороны через трубку также соединяется с вакуумметром и дифференциальными манометрами, а с другой — через краны 11 и 12 с форвакуумным насосом РВН-20 или другим аналогичным по мощности.

Удельная поверхность определяется следующим образом. Высушенную пробу порошка загружают в цилиндр на фильтр 10 на высоту от 1,5 до 10 см в зависимости от крупности порошка (чем зернистее порошок, тем больше навеска) и слегка уплотняют. Затем закрывают кран 7, отключив реометр, открывают все остальные краны, кроме кранов 11 и 12, пускают вакуум-насос и открывают кран 12, а затем микрокран 11 и удаляют из системы воздух, измеряя давление вакуумметрами 14, а затем 15. После откачки воздуха закрывают краны 5 и 13, краном 3 включают манометр 16, отключив манометр 17, а краном 7 включают вакуумметр 14, отключив вакуумметр 15, и микрокраном 11 осторожно впускают воздух до определенной скорости по реометру. Если перепад давления в ртутном манометре мал, включают масляный.

Все наблюдения записываются в таблицу.

Открыв микрокран 11, измеряют разрежение h1 под фильтром, снова наблюдают перепад давления ho по дифференциальному манометру, показывающему потерю давления в образце. При правильном режиме ho не изменяется при изменении h1. Перед определением поверхности порошка и после него таким же образом надо определить потери давления в фильтре и системе hф. После опытов фильтр необходимо промыть спиртом.

Поверхность испытуемого порошка S (см2/г) определяется по формуле:

где а — постоянная прибора; b — постоянная во время опыта;

где E — сечение цилиндра, см2; d — плотность жидкости манометра, г/см3; Т— абсолютная температура, К; bo — постоянная реометра, л/см с; 5 — коэффициент пористости, рассчитываемой по выражению d = 1—(G/p1V1) (где G — навеска анализируемого порошка, г; V1 — объем порошка в цилиндре, см3); р — атмосферное давление во время опыта, см. рт. ст.; l — высота слоя порошка, см; р2 — объемная масса образца в цилиндре, г/см3 (р2 = G/ V1, V1 = El); р1 — плотность порошка, г/см3; ho — перепад давления по манометру во время опыта; hp — перепад давления на том же манометре в опыте без порошка.

В некоторых случаях на описанной установке не удается создать необходимые условия для определения поверхности, так как ho изменяется с изменением hp, то есть меняется скорость фильтрации. И.Н. Плаксин и другие усовершенствовали прибор Дерягина, заменив вакуумметр 14 двумя манометрами Мак-Леода: один контролирует разрежение hp в пределах до 0,236, а другой — до 1,8 мм рт. ст. Кроме того, для более точного определения масляный манометр 77 заменен наклонным манометром с углом наклона а, для которого sina = 0,11. Это позволяет повысить точность отсчета в 10 раз. Капилляры реометра 3 имеют меньший диаметр, что уменьшает скорость течения воздуха в приборе.

Полная поверхность минералов измеряется адсорбционными методами. Они основаны на определении количества адсорбированного вещества в монослое. Зная размер посадочной площадки адсорбирующегося вещества и его количество, вычисляют поверхность. Количество адсорбирующихся газов или паров (Г) обычно определяют объемным методом, а количество газа, адсорбирующегося монослоем на поверхности (Гm), рассчитывают по полуэмпирическому уравнению Бренауэра, Эммета и Теллера (БЭТ), описывающему полислойную физическую адсорбцию:

где р и p1 — давление соответственно равновесное и насыщенных паров или газа при температуре опыта; с — постоянная.

В координатах p/p1/Г(1-р/р2) и р/р2 имеет вид прямой линии, по тангенсу угла наклона которой и отрезку, отсекаемому на оси ординат, определяют Гm. Удельную поверхность 5 рассчитывают по формуле:

где Sf*10в-16 — размер посадочной площадки адсорбирующихся молекул, см2.

Снятие изотерм БЭТ требует много времени, так как измерения проводятся при высоком вакууме порядка 5—10 мм рт. ст., для получения которого требуется не менее 2—3 ч, а одно определение поверхности занимает 6—7 ч.

Установку, собранную по схеме рис. 3.54 и подготовленную к работе, проверяют на герметичность. Из высушенной до постоянной массы при (105±5)°С пробы выделяют по две навески массой 0,1—2,5 г каждая (в зависимости от крупности и пористости сырья) и помещают их в предварительно взвешенные адсорберы. С помощью редуктора и вентиля тонкого регулирования устанавливают расход гелия 0,015 л/мин. Ловушку для вымораживания влаги заполняют жидким азотом. Под адсорберы с навесками устанавливают электропечь на 50—60 мин при (105±5) °C. Затем адсорберы с навесками охлаждают на воздухе до комнатной температуры и переводят установку на режим испытания.

При проведении испытания устанавливают расход гелия 0,05—0,055 л/мин, аргона 0,03—0,06 л/мин, что соответствует содержанию аргона в смеси 2—8 %. Общий расход смеси должен быть в пределах 45—60 л/мин. Смесь газов подают в адсорбер со стандартным образцом. Образец на 10—15 с погружают в сосуд Дьюара с жидким азотом. При охлаждении происходит адсорбция аргона на поверхности стандартного образца, окончание которой фиксируют по возвращению пера самописца в исходное «нулевое» положение. Удаляют сосуд Дьюара с жидким азотом и согревают стандартный образец до комнатной температуры на воздухе. Происходит десорбция аргона с поверхности стандартного образца, которую записывают на диаграммной ленте самописца газового хроматографа.

Так поочередно записывают процесс адсорбции — десорбции каждого подготовленного образца. Если при записи пика произойдет зашкаливание прибора, то навеску уменьшают вдвое и испытание повторяют. По окончании испытаний хроматограф выключают, газовые вентили закрывают. Снимают диаграммную ленту и вырезают записанные на ней пики десорбции по контуру описывающих их линий; основание пиков — по прямой, совпадающей с нулевой линией записи. Взвешивают полученные пики десорбции с погрешностью не более ±0,0001 г и адсорберы с навесками с погрешностью +0,001 г.

Полная удельная поверхность:

где S1 — удельная поверхность стандартного образца, м2Д; m1 — масса стандартного образца, г; m2 — масса пика испытываемой навески, г; m3 — масса пика стандартного образца, г; m4 — масса испытываемой навески, г.

Результаты подсчитывают с точностью до третьего десятичного знака. Отклонение AS результатов двух определений не должно превышать AS = 0,03 S +0,04, где S — среднее арифметическое результатов двух определений. Если расхождение между результатами двух определений превышает это значение, то испытание повторяют еще на двух навесках и за окончательный результат принимают среднее арифметическое двух ближайших значений.

Аргон — прибор для определения полной удельной поверхности дисперсных материалов методом низкотемпературной десорбции газов. Он состоит из газового хроматографа, работающего по принципу теплопроводности, газометра для измерения расхода газа по скорости движения мыльной пленки, адсорберов стеклянных U-образных, фанов трехходовых, ловушки для вымораживания влаги из газов, трехходового крана, реометров, фильтров со стекловатой для очистки газов от механических примесей, игольчатых вентилей для тонкой регулировки скорости газов, редукторов и баллонов с газами. Количество адсорбировавшегося газа на поверхности испытываемого образца регистрируется при помощи детектора и самописца, а затем вычисляется при обработке результатов. Масса навески для анализа до 5 г. Время выполнения анализа одной пробы < 1 ч. Погрешность измерения до 5 %.

«Акусор6 2100» — анализатор удельной поверхности и пористой структуры, позволяет определить полные или частичные изотермы адсорбции — десорбции газов, использует любые некорродирующие адсорбаты, не требуя ни калибровки, ни дополнений к прибору. Прибор снабжен двумя датчиками переменной емкости с непрерывным цифровым показанием давления. Дегазация проводится на четырех образцах одновременно. Анализ одной пробы идет вслед за дегазацией без перемещения ячейки с образцом.

«Дижисорб 26001» — автоматический анализатор удельной поверхности и пористой структуры порошков или твердых тел, с помощью которого определяют изотермы адсорбции или десорбции манометрическим методом, удельную поверхность по методу БЭТ или Ленгмюра, а также измеряют объем, размер и площадь пор в пределах капиллярной конденсации. Прибор работает до 4 суток без оператора с десятью пробами: пять на анализ и пять на дегазацию. Используют любые некорродирующие газы. Стандартные программы для азота и криптона записаны на гибких дисках.

Сорбтометр «Перкин Элмер» (США) измеряет удельную поверхность одного образца за 15 мин в диапазоне 0,1—1000 м2/г. Прибор работает по принципу динамической адсорбции (газовой хроматографии). Для определения рекомендуется такая навеска, при которой общая площадь поверхности порошка в приборе составляла бы 25—30 м2. Поток гелиево-азотной смеси заданного состава непрерывно подается в U-образную трубку с образцом, которая помещена в сосуд Дьюара с жидким азотом. Объемная скорость газа поддерживается от 20 до 100 см3/мин. На образце адсорбируется определенное количество азота, пропорциональное поверхности. Затем производят десорбцию азота с поверхности минерала нагреванием образца до комнатной температуры при удалении U-образной трубки из сосуда Дьюара.

Концентрацию десорбируемого азота определяют измерением теплопроводности потока. Измерение концентрации азота записывается автоматически. По площади пика десорбции рассчитываются количество адсорбированного азота и удельная поверхность минерала. Для расчета поверхности не требуется снимать полную изотерму и применять изотерму БЭТ. Поверхность рассчитывается из количества газа, адсорбируемого в среднем единицей поверхности адсорбента, при заданном равновесном давлении по формуле:

где V — измеренное количество адсорбируемого газа; Vo — количество газа, адсорбируемое единицей поверхности адсорбента, определяемое экспериментально; q — масса адсорбента.

Многочисленные исследования показали, что при давлении p/pa = 0,05 абсолютные значения адсорбции близки между собой и соответствуют заполнению первого монослоя на поверхности твердого тела. При сорбции азота давлению p/p3 = 0,05 соответствует 5 %-ное содержание азота в гелиевой или водородной смеси.

Бетограф фирмы «Атлас Верке» (ФРГ) производит одно измерение удельной поверхности образца в диапазоне 0,1—2000 м2/г с точностью ±2 % за 25—300 мин. Прибор основан на дифференциальном методе измерения адсорбции аргона. Аргон одновременно поступает по двум капиллярам в две одинаковые колбы, которые предварительно вакуумируются. Одна из них содержит минерал, а другая — стеклянные шарики равного объема. Обе колбы погружены в жидкий азот, уровень которого поддерживается постоянным. Так как объем систем одинаковый, то вследствие адсорбции аргона на поверхности минерала в измерительной колбе по сравнению с контрольной давление понижается. Возникающая разница давлений служит мерой адсорбированного количества газа. При комбинации постепенного подъема давления с методом компенсации можно снять всю изотерму адсорбции. Перепад давлений фиксируется мембранными микроманометрами и записывается автоматически.

Полную удельную поверхность непористых материалов, у которых отсутствует капиллярная конденсация в зазорах между частицами, можно определить по те плотам смачивания. Этот метод называют абсолютным, так как при расчете поверхности не нужно знать величину посадочной площадки адсорбирующегося вещества. Это происходит потому, что поверхности твердого тела смачивают после установления адсорбционного равновесия с парами жидкости. Следовательно, измеренная теплота смачивания не зависит от адсорбционных свойств минералов.

Поверхность минерала при полном смачивании его жидкостью рассчитывается по формуле:

где H — измеренная теплота смачивания минерала, покрытого адсорбционной пленкой, равновесной с насыщенным паром той же жидкости; Ho — полная удельная теплота смачивания поверхности жидкости (находится по таблицам).

Теплоты смачивания определяют в калориметрах высокой точности. Перед погружением в жидкость порошок долго выдерживают в калориметре для достижения одинаковой температуры и равновесного состояния. Работа с калориметрами требует кропотливого и длительного труда.

Результаты, полученные при различных методах определения удельной поверхности образца, нельзя непосредственно сравнивать, так как по-разному учитывается пористость или шероховатость поверхности.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна