氣體吸附法測量比表面積的原理是基于氣體在固體表面的吸附特性。在一定壓力下,樣品顆粒(吸附劑)表面在超低溫下對氣體分子(吸附劑)有可逆的物理吸附,存在一定的平衡吸附量對應一定的壓力。通過測定平衡吸附量,用理論模型等效得到被測樣品的比表面積、孔容和孔徑分布。
高純氮氣環境以及通過液氮(冷卻劑)因其易獲得性和良好的可逆吸附技術特性,成為最常用的吸附質,廣泛研究用于比表面積的測定。對于這些孔道影響較小,擴散速度較慢的微孔樣品,如:分子篩及活性炭等樣品;以及比表面積相對較小的樣品,如:天然礦石,有機結合材料等,氮氣做吸附反應氣體之間存在一定局限性,可以自己選擇使用氬氣,二氧化碳氣,氪氣等做吸附氣體。
氬氣作為吸附氣體可以在87K液氬溫度或者77K的液氮溫度下在材料表面發生穩定吸附,在分子篩樣品微孔測試方面廣泛應用。主要存在以下三方面原因:
1.氮分子是極性分子且存在四極偶極距,加強了吸附質分子與分子篩不均勻孔壁之間的作用力,容易引起特征吸附,導致不同孔徑的分子篩難以識別;與氮分子相比,氬分子是球形非極性單原子分子,可以獲得更精確的微孔分布。
2.對于給定的孔隙寬度,氮比氬需要更低的P/P0。因此,選擇氬氣作為吸附氣體,可以在較高的p/P0點進行微孔吸附,有利于提高測試精度。
3.氬氣可以選在87K的液氬溫度吸附,提高冷浴的溫度,有利于縮短平衡時間,提高測試效率。
氬氣做吸附氣體通過測試其局限性主要在于孔徑大于12nm后毛細凝聚企業就會逐漸消失,所以,一般我們只能用于微孔測試。
對于微孔較多的活性炭,可選擇二氧化碳作為吸附劑,在冰點吸附,主要用于活性炭飽和吸附容量測試。二氧化碳吸附的凝固點(273K)遠高于氬和氮的吸附溫度(77K或87K),大大提高了氣體的擴散速率。因此,選擇在冰點吸附二氧化碳的活性炭樣本,具有吸附效率高、易于擴散、容易達到飽和吸附容量的特點,更適合測試活性炭的飽和吸附容量。然而,CO2凝固點的飽和蒸汽壓(3485.3 kpa)太高,除非使用高壓吸附劑,否則無法達到較高的p/p0壓力點。
對于比表面積小的金屬粉末、有機物和一些天然礦石,氪可以用作吸附氣體。