氮气吸附定义
氮气吸附法在测定材料比表面积和孑L径分布方面的应用原理
氮气吸附法在测定材料比表面积和孑L径分布方面的应用原理1. 引言1.1 氮气吸附法的概述氮气吸附法是一种常用的表面性质测试技术，广泛应用于材料科学领域。
该方法通过吸附氮气分子到材料表面，从而确定材料的比表面积和孔径分布。
氮气吸附法的原理是基于氮气分子与材料表面发生吸附反应，通过测量吸附了氮气分子的体积和压力来推算出材料的表面性质。
这种方法具有操作简单、测试速度快、结果准确等优点，因此被广泛应用于各类材料的研究和开发中。
通过氮气吸附法可以深入了解材料的微观结构，为材料设计和改进提供重要参考。
在材料科学领域，氮气吸附法已成为不可或缺的分析手段之一，为研究人员提供了丰富的信息和指导。
1.2 应用原理氮气吸附法的应用原理主要基于氮气在材料表面的吸附和脱附过程。
氮气分子在低温下与材料表面发生物理吸附，通过测量氮气分子在不同压力下吸附量来确定材料的比表面积。
根据Brunauer-Emmett-Teller（BET）理论，可以通过构建等温吸附线和计算相应的比表面积来分析材料的吸附性能。
氮气吸附法还可以用于测定材料的孔径分布。
根据巴拉德方程，在不同相对压力下测量氮气吸附量，并结合Kelvin方程和BJH理论，可以得出材料的孔径大小和分布情况。
通过分析比表面积和孔径分布的结果，可以深入了解材料的孔结构特征和表面性质，为材料研究提供重要参考。
氮气吸附法的应用原理不仅在表面测量领域具有重要意义，还在材料科学领域有着广泛的应用前景。
2. 正文2.1 氮气吸附法测定材料比表面积的步骤氮气吸附法是一种常见的表面分析技术，用于测定材料的比表面积。
其原理是通过让氮气在固体表面上吸附并脱附，从而测量表面的吸附量，进而计算出比表面积。
以下是氮气吸附法测定材料比表面积的步骤：1. 准备样品：首先需要将待测样品充分干燥，以去除表面的水分和其他杂质。
然后粉碎样品至适当粒度，并在真空中去除任何气体残留。
2. 测定参数设定：在实验仪器中设置合适的测定参数，包括温度、压力、吸附时间等。
n2吸附脱附等温线
n2吸附脱附等温线N2吸附脱附等温线是一种非常重要的表征物质吸附性能的方法，它可以揭示吸附剂和被吸附物质之间的相互作用和特性，为材料科学和化学领域的研究提供有力的支持。
下面我们来详细了解一下N2吸附脱附等温线的含义和应用。
一、N2吸附脱附等温线的基本概念N2吸附脱附等温线是指在一定温度下，将氮气吸附在样品表面并测量其吸附量和压力的变化，绘制出的吸附等温线图，也称为氮气吸附等温线。
其中，吸附等温线的坐标轴分别表示吸附剂(N2)的相对压力和吸附剂占据吸附剂和被吸附物质之间孔隙体积的百分比，即孔隙率。
通过N2吸附脱附等温线，我们可以获得吸附材料的许多物理性质，如孔径分布、比表面积、介孔体积、孔隙体积分布等等。
此外，它还可以用于评估吸附材料的性能，如吸附机理、吸附剂敏感性、吸附剂稳定性等等。
二、N2吸附脱附等温线的类型N2吸附脱附等温线通常可以分为五种类型，分别是：1.类型I等温线：由于大孔单一，吸附剂分子直接填充孔隙，通常见于膨胀型和树脂类物质。
2.类型II等温线：在低相对压力下出现很平缓的区域，表示大孔口发生准孔道狭窄，通常见于有孔型结构物质。
3.类型III等温线：表明孔径分布主要集中在介孔范围内，峰值很明显，通常见于沸石类、硅铝酸盐和金属有机骨架类材料等。
4.类型IV等温线：表示孔径分布主要在微孔范围内，吸附值随着相对压力增加快速上升，并达到饱和。
该类型等温线通常见于炭类和氧化钨等材料。
5.类型V等温线：由于孔径很小，需要强烈的吸附力才能使吸附剂进入其孔内。
该类型等温线通常见于碳分子筛和介孔硅材料等。
三、N2吸附脱附等温线的应用N2吸附脱附等温线在科学研究和工业应用中具有广泛的应用。
以下为具体应用：1. 材料表征：N2吸附脱附等温线可以揭示材料的孔径分布、比表面积、孔隙体积分布等，为材料表征提供了重要的信息。
2. 催化剂研究：N2吸附脱附等温线可以对催化剂进行活性研究，评估催化剂的比表面积和孔隙结构等性质，进而优化催化剂性能。
氮气吸附技术在气体纯化中的应用
工艺与设备化 工 设 计 通 讯Technology and EquipmentChemical Engineering Design Communications·86·第46卷第1期2020年1月整个企业的管理水平。
最后，技术部门与维护部门可以采取交互分配的措施，共同来检测化工设备，解决实际的机械问题。
同时，加强巡查的工作量，完善工作模式，创新维修方式，确保生产人员的安全。
5 利用智能化技术，保障生产的稳定运行信息化技术的快速变革，为化工机械设备发展提供了机遇。
在化工生产行业，企业可以利用智能化技术手段，对存在问题的设备实施跟踪观测，在每个设备中安放一个远程监控，实时监察设备的运行情况，这样不仅可以排除机械故障，还可以降低机械故障发生的频率。
或者，可以引入人工智能，代替传统的人工维修，通过电脑远程操控，这样可以降低维修的成本，达到双倍的发展效果。
6 结语综上所述，化工设备是化工企业生产的重要支撑，机械设备的运行效果影响着整个生产链的效能与质量。
为了提高生产效率，技术部门需要定期维修与检测仪器，严格把控设备的进出，从而奠定坚实的基础条件。
同时，也必须加强设备管理，做好日常的检测工作，推动生产的进度。
基于目前的发展环境，各大企业要合理地安排维护任务，避免安全事故，为企业发展打下基石。
参考文献[1] 郭伟龙，刘延鹤，司海涛，等.汽轮机组轴振值增高的原因分析与在线动平衡方法应用探究[J].石油化工设备技术，2019（3）.[2] 冯学刚.岷江犍为航电枢纽船闸检修闸门及吊装设备选型研究[J].中国水运：下半月，2019（6）：76-77.[3] 韦枫燕.双母线GIS 设备后期扩建与检修时的问题分析及解决方案[J].企业科技与发展，2019（8）.利用吸附技术对气体进行纯化，采用适当的工艺以及选取相应的吸附剂，去除气体制备过程中掺杂的少量氮气，对于工业生产有十分重要的作用。
而且也能够利用这种技术制备高纯度的氮气，这一研究方向得到了广泛的关注。
氮气吸附-2
(Ⅴ)发生多分子层
吸附，有毛细凝聚
现象。例如373K时，
水汽在活性炭上的
吸附属于这种类型。
滞 后 环
7.6.3 LANGMUIR朗格缪尔单分子层吸附等温式
Langmuir吸附等温式描述了吸附量与被吸附蒸 汽压力之间的定量关系。他在推导该公式的过程引 入了两个重要假设： (1) 吸附是单分子层的； (2) 固体表面是均匀的，被吸附分子之间无相互作用。 设：表面覆盖度q
这公式称为 Langmuir吸附等温式，式中 b称为吸附系数，它的大小代表了固体表面吸 附气体能力的强弱程度。
以q 对p 作图， 得：
1.当p很小，或吸附很弱时，bp<<1，q = bp， q 与 p 成线性关系。 2.当p很大或吸附很 强时，bp>>1，q =1， q 与 p无关，吸附已 铺满单分子层。 3.当压力适中， q pm，m介于0 与1之间。
氮气吸附
表面积分析测试方法有多种，其中气体吸附法因 其测试原理的科学性，测试过程的可靠性，测试结 果的一致性，在国内外各行各业中被广泛采用，并 逐渐取代了其它比表面积测试方法，成为公认的最 权威测试方法。许多国际标准组织都已将气体吸附 法列为比表面积测试标准，如美国ASTM的D3037， 国际ISO标准组织的ISO-9277。我国比表面积测试有 许多行业标准，其中最具代表性的是国标 GB/T19587-2004 《气体吸附BET法测定固体物质比 表面积》。
吸附量
V a(q ) m
x a q m
保持温度不变，显示吸附
量与比压之间的关系曲线称为
吸附等温线。
纵坐标是吸附量，横 坐标是比压p/ps，p是吸附
质蒸汽的平衡压力， ps是
吸附知识
氮气吸附理论上到500nm，但是压力传感器的分辨率和准确度一般到100nm还行，100nm 以上即使可以达到，也不可能详细分布了，在氮气分压达到0.96的时候是50nm的孔直径凝聚，到0.98是98nm的孔凝聚，到0.99就是195nm了，楼主自己可以判断了吧，50-100nm 只有0.02的分压变化区间，很难做详细的分布，所以最好用压汞法康塔公司介绍过说，微孔最好用Ar吸附，介孔用N2吸附，大孔还是压汞目的：是让大家对氮气等温吸脱附有一个基本的理解和概念，不会讲太多源头理论，内容不多，力求简明实用。
本人有幸接触吸脱附知识的理论和实践，做个总结一是长久以来的心愿，二则更希望能和大家共同学习、探讨和提高。
由于内容是自己的总结和认识，很可能会有部分错误，希望大家能给予建议、批评和指导，好对内容做进一步的完善。
★★注意★★我们拿到的数据，只有吸脱附曲线是真实的，比表面积、孔径分布、孔容之类的都是带有主观人为色彩的数据。
经常听到有同学说去做个BET，其实做的不是BET，是氮气等温吸脱附曲线，BET（Brunauer-Emmet-Teller）只是对N2-Sorption isotherm中p/p0=0.05~0.35之间的一小段用传说中的BET公式处理了一下，得到单层吸附量数据Vm，然后据此算出比表面积，如此而已。
◆六类吸附等温线类型几乎每本类似参考书都会提到，前五种是BDDT(Brunauer-Deming-Deming-Teller)分类，先由此四人将大量等温线归为五类，阶梯状的第六类为Sing增加。
每一种类型都会有一套说法，其实可以这么理解，以相对压力为X轴，氮气吸附量为Y轴，再将X轴相对压力粗略地分为低压（0.0-0.1）、中压(0.3-0.8)、高压（0.90-1.0）三段。
那么吸附曲线在：低压端偏Y轴则说明材料与氮有较强作用力(І型，ІІ型，Ⅳ型)，较多微孔存在时由于微孔内强吸附势，吸附曲线起始时呈І型；低压端偏X轴说明与材料作用力弱(ІІІ型，Ⅴ型)。
氮气吸附法
氮气吸附法
2.吸附理论
I型等温线：Langmuir型等温线
❖ 微孔材料（包括多数沸石 和类沸石分子筛）
❖ 由于吸附质与孔壁之间的 强相互作用，吸附开始在 很低的相对压力下。
❖ 由于吸附的分子之间的相 互作用，完全填满孔穴需 要提高相对压力
❖ 在较低的相对压力下（ <0.3，氮气吸附）微孔填 充不会观察到毛细管凝聚 现象。
❖ 在低压区吸附量少且不出 现B点，表明吸附剂和吸 附质之间的作用力相当弱
❖ 相对压力越高，吸附量越 多，表现出有孔填充
2.吸附理论
IV型等温线
❖ 介孔材料 ❖ 较低的相对压力下，单分
子层吸附 ❖ 较高的相对压力下，吸附
质发生毛细管凝聚 ❖ 所有孔发生凝聚后，吸附
只在远小于表面积的外表 面上发生，曲线平坦 ❖ 在相对压力接近1时，在大 孔上吸附，曲线上升
❖多孔固体因毛细凝结（capillary condensation）而 引起的吸着作用也称为吸附作用
1.吸附现象
按吸附作用力性质的不同，可将吸附分为物 理吸附和化学吸附。
❖ 物理吸附：是由范得华力引起 的气体分子在固体表面及孔隙 中的冷凝过程。
❖ – 可发生单层吸附,多层吸附
❖ – 非选择性吸附
❖ – 有可逆性
的直线范围一般是在p/p0 0.05-0.35之间。 *C常数与吸附质和表面之间作用力场的强弱有关。给定不同 的C值，并以v/vm对p/p0作图，就得到下图的一组曲线。
BET法
常数c作参数，以吸附重量或 吸附体积（W/Wm或V/Vm） 对x=P/P0作图。 a)c﹥2 ， II型吸附等温线; b)c﹤2， III型吸附等温线 BET公式适用比压范围: 0.05≤x≤0.35
氮气吸附
θ = bp
1 + bp
3.当压力适
中，θ ∝pm，
m介于0与1之 间。
θ = bp 或者V = Vmbp
1 + bp
1 + bp
重排后可得： p = 1 + p V Vmb Vm
这是Langmuir吸附公式的又一表示形式。 用实验数据，以p/V~p作图得一直线，从斜率和 截距求出吸附系数b和铺满单分子层的气体体积 Vm。 习题:P353,7-10 要求使用坐标纸或者计算器程序.
(Ⅴ)发生多分子层 吸附，有毛细凝聚 现象。例如373K 时，水汽在活性炭 上的吸附属于这种 类型。
滞 后 环
7.6.3 LANGMUIR朗格缪尔单分子层吸附等温式
Langmuir吸附等温式描述了吸附量与被吸附蒸 汽压力之间的定量关系。他在推导该公式的过程引 入了两个重要假设：
(1) 吸附是单分子层的； (2) 固体表面是均匀的，被吸附分子之间无相互作用。
Sg: 被测样品比表面积 (m2/g) Vm: 标准状态下氮气分子单层饱和吸附量 （ml） Am: 氮分子等效最大横截面积（密排六方理 论值Am = 0.162 nm2） W: 被测样品质量（g） N: 阿佛加德罗常数 （6.02x1023） 代入上述数据，得到氮吸附法计算比表面积 的基本公式：
由上式可看出，准确测定样品表面单层饱和 吸附量Vm是比表面积测定的关键。
这时氢没有解离，两原 子核间距等于Ni和H的原子 半径加上两者的范德华半径。
放出的能量ea等于物理 吸附热Qp，这数值相当于氢 气的液化热。
如果氢 分子通过a点 要进一步靠 近Ni表面， 由于核间的 排斥作用， 使位能的吸附称为化学吸附：
1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的 化学键力，一般较强。
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气体吸附(氮气吸附法)比表面积测定
比表面积分析测试方法有多种，其中气体吸附法因其测试原理的科学性，测试过程的可靠性，测试结果的一致性，在国内外各行各业中被广泛采用，并逐渐取代了其它比表面积测试方法，成为公认的最权威测试方法。
许多国际标准组织都已将气体吸附法列为比表面积测试标准，如美国ASTM的D3037，国际ISO标准组织的ISO-9277。
我国比表面积测试有许多行业标准，其中最具代表性的是国标GB/T19587-2004 《气体吸附BET法测定固体物质比表面积》。
气体吸附法测定比表面积原理，是依据气体在固体表面的吸附特
性，在一定的压力下，被测样品颗粒（吸附剂）表面在超低温下
对气体分子（吸附质）具有可逆物理吸附作用，并对应一定压力
存在确定的平衡吸附量。
通过测定出该平衡吸附量，利用理论模
型来等效求出被测样品的比表面积。
由于实际颗粒外表面的不规
则性，严格来讲，该方法测定的是吸附质分子所能到达的颗粒外
表面和内部通孔总表面积之和，如图所示意位置。
氮气因其易获得性和良好的可逆吸附特性，成为最常用的吸附质。
通过这种方法测定的比表面积我们称之为“等效”比表面积，所谓“等效”的概念是指：样品的比表面积是通过其表面密排包覆（吸附）的氮气分子数量和分子最大横截面积来表征。
实际测定出氮气分子在样品表面平衡饱和吸附量（V），通过不同理论模型计算出单层饱和吸附量（Vm），进而得出分子个数，采用表面密排六方模型计算出氮气分子等效最大横截面积(Am)，即可求出被测样品的比表面积。
计算公式如下：
sg: 被测样品比表面积(m2/g)
Vm: 标准状态下氮气分子单层饱和吸附量（ml）
Am: 氮分子等效最大横截面积（密排六方理论值Am = 0.162 nm2）
W:被测样品质量（g）
N:阿佛加德罗常数（6.02x1023）
代入上述数据，得到氮吸附法计算比表面积的基本公式：
由上式可看出，准确测定样品表面单层饱和吸附量Vm是
比表面积测定的关键。
测试方法分类
比表面积测试方法有两种分类标准。
一是根据测定样
品吸附气体量多少方法的不同，可分为：连续流动法、容
量法及重量法，重量法现在基本上很少采用；再者是根据
计算比表面积理论方法不同可分为：直接对比法比表面积
分析测定、Langmuir法比表面积分析测定和BET法比表面
积分析测定等。
同时这两种分类标准又有着一定的联系，直接对比法只能采用连续流动法来
测定吸附气体量的多少，而BET法既可以采用连续流动法，也可以采用容量法来测定吸附气体量。
其关系如图所示。
连续流动法
连续流动法是相对于静态法而言，整个测试过程是在常压下进行，吸附剂是在处于连续流动的状态下被吸附。
连续流动法是在气相色谱原理的基础
上发展而来，藉由热导检测器来测定样品吸附气体量的多少。
连续动态氮吸附是以氮气为吸附气，以氦气或氢气为载气,
两种气体按一定比例混合，使氮气达到指定的相对压力，流
经样品颗粒表面。
当样品管置于液氮环境下时，粉体材料对
混合气中的氮气发生物理吸附，而载气不会被吸附，造成混
合气体成分比例变化，从而导致热导系数变化，这时就能从热导检测器中检测到信号电压，即出现吸附峰。
吸附饱和后让样品重新回到室温，被吸附的氮气就会脱附出来，形成与吸附峰相反的脱附峰。
吸附峰或脱附峰的面积大小正比于样品表面吸附的氮气量的多少，可通过定量气体来标定峰面积所代表的氮气量。
通过测定一系列氮气分压P/P0下样品吸附氮气量，可绘制出氮等温吸附或脱附曲线，进而求出比表面积。
通常利用脱附峰来计算比表面积。
特点：连续流动法测试过程操作简单，消除系统误差能力强，同时具有可采用直接对比法和BET方法进行比表面积理论计算。
容量法
容量法中，测定样品吸附气体量多少是利用气态方程来计算。
在预抽真空的密闭系统中导入一定量的吸附气体，通过测定出样品吸脱附导致的密闭系统中气体压力变化，利用气态方程P*V/T=nR换算出被吸附气体摩尔数变化。
直接对比法
直接对比法比表面积分析测试是利用连续流
动法来测定吸附气体量，测定过程中需要选用标
准样品（经严格标定比表面积的稳定物质）。
并联
到与被测样品完全相同的测试气路中，通过与被
测样品同时进行吸附，分别进行脱附，测定出各
自的脱附峰。
在相同的吸附和脱附条件下，被测
样品和标准样品的比表面积正比于其峰面积大小。
计算公式如下：
Sx：被测样品比表面积S0：标准样品比表面积，
Ax：被测样品脱附峰面积A0：标准样品脱附峰面积
Wx：被测样品质量W0：标准样品质量
优点：无需实际标定吸附氮气量体积和进行复杂的理论计算即可求得比表面积；测试操作简单，测试速度快，效率高
缺点：当标样和被测样品的表面吸附特性相差很大时，如吸附层数不同，测试结果误差会较大。
直接对比法仅适用于与标准样品吸附特性相接近的样品测量，由于BET法具有更可靠的理论依据，目前国内外更普遍认可BET法比表面积测定。
BET比表面积测定法
BET理论计算是建立在Brunauer、Emmett和Teller三人从经典统计理论推导出的多分子层吸附公式基础上，即著名的BET方程：
P: 吸附质分压P0: 吸附剂饱和蒸汽压
V: 样品实际吸附量Vm: 单层饱和吸附量
C：与样品吸附能力相关的常数
由上式可以看出，BET方程建立了单层饱和吸附量Vm与多层吸附量V之间的数量关系，为比表面积测定提供了很好的理论基础。
BET方程是建立在多层吸附的理论基础之上，与许多物质
的实际吸附过程更接近，因此测试结果可靠性更高。
实际
测试过程中，通常实测3-5组被测样品在不同气体分压下
多层吸附量V，以P/P0为X轴，为Y轴，由BET
方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求
得Vm值计算出被测样品比表面积。
理论和实践表明，当
P/P0取点在0.05-0.35范围内时，BET方程与实际吸附过程相吻合，图形线性也很好，因此实际测试过程中选点需在此范围内。
由于选取了3-5组P/P0进行测定，通常我们称之为多点BET。
当被测样品的吸附能力很强，即C值很大时，直线的截距接近于零，可近似认为直线通过原点，此时可只测定一组P/P0数据与原点相连求出比表面积，我们称之为单点BET。
与多点BET相比，单点BET结果误差会大一些。
若采用流动法来进行BET测定，测量系统需具备能精确调节气体分压P/P0的装置，以实现不同P/P0下吸附量测定。
对于每一点P/P0下BET吸脱附过程与直接对比法相近似，不同的是BET法需标定样品实际吸附气体量的体积大小，而直接对比法则不需要。
特点：BET理论与物质实际吸附过程更接近，可测定样品范围广，测试结果准确性和可信度高，特别适合科研及生产单位使用。
孔径（孔隙度）分布测定
气体吸附法孔径(孔隙度)分布测定利用的是毛细凝聚现象和体积等效代换的原理，即以被测孔中充满的液氮量等效为孔的体积。
吸附理论假设孔的形状为圆柱形管状，从而建立毛细凝聚模型。
由毛细凝聚理论可知，在不同的P/P0下，能够发生毛细凝聚的孔径范围是不一样的，随着P/P0值增大，能够发生凝聚的孔半径也随之增大。
对应于一定的P/P0值，存在一临界孔半径Rk，半径小于Rk的所有孔皆发生毛细凝聚，液氮在其中填充，大于Rk的孔皆不会发生毛细凝聚，液氮不会在其中填充。
临界半径可由凯尔文方程给出了：
Rk称为凯尔文半径，它完全取决于相对压力P/P0。
凯尔文公式也可以理解为对于已发生凝聚的孔，当压力低于一定的P/P0时，半径大于Rk的孔中凝聚液将气化并脱附出来。
理论和实践表明，当P/P0大于0.4时，毛细凝聚现象才会发生，通过测定出样品在不同P/P0下凝聚氮气量，可绘制出其等温吸脱附曲线，通过不同的理论方法可得出
其孔容积和孔径分布曲线。
最常用的计算方法是利用BJH理论，通常称之为BJH孔容积和孔径分布。