Способ определения характеристик сорбции газов материалами

 

Изобретение относится к области исследования физических и химических материалов, в частности к определению коэффициентов растворимости и концентраций газов в материалах. Сущность изобретения: в изолированные друг от друга камеры одновременно помещают и идентичные по начальной концентрации образцы газа, растворимость которого в материале подчиняется закону Гука, выполненные из идентичных материалов. Образцы выполняют разного веса и объема (). Камеры освобождают от воздуха, проводят газохроматографическим методом контроль содержания газов, выделяющихся из образцов. Измеряют равновесные количества выделившихся газов. По указанным в описании формулам определяют коэффициент растворимости и начальную концентрацию газа в материале. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования физических и химических свойств материалов и может быть использовано в контрольно-измерительной технике химических лабораторий для определения коэффициентов растворимости и концентраций газов в материалах, а также для прогнозирования уровней концентраций газов в герметичных объемах, в которых находятся материалы, содержащие эти газы.

Проблема оперативного определения состава газовой среды промышленных помещений и объектов актуальна в связи с существующей необходимостью предупреждения накопления токсичных, взрыво- и пожароопасных газовых смесей при длительном хранении материалов, содержащих растворенные газы и выделяющих их в свободное пространство герметичных объектов.

Известен способ определения характеристик сорбции газов материалами, заключающийся в размещении испытуемого образца в камере, герметично закрепленного так, что разделяет ее на рабочую и измерительную камеры, одновременном размещении аналогичным образом сравнительного образца в дополнительной камере, пропускании газа через первую камеру с исследуемым образцом, измерении перепада давлений посредством дифференциального манометра, соединяющего измерительные камеры, и вычислении газопроницаемости (а. с. СССР N 1291851, кл. G 01N 15/08, опубл. 23.02.87).

В известном способе повышена точность определения за счет устранения погрешности, связанной с выделением летучих веществ и адсорбцией. К недостаткам способа относится сложность проведения измерений, вычисления показателей и отсутствие возможности одновременного определения начальной концентрации и коэффициента растворимости газа в материале.

Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способ определения характеристик сорбции газов материалами, заключающийся в размещении исследуемого образца в камере, эвакуации из нее воздуха, пропускании газа в камеру и поддержании заданного давления, измерении равновесного количества выделившегося из образца газа и определении коэффициента растворимости газа хроматографическим методом (Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М., Химия, 1974 г., с.261).

К недостаткам прототипа относятся сложность процедуры измерения, необходимость проведения мероприятий по предварительному удалению газа из образца, что искажает первоначальную информацию о концентрации растворенного в образце газа и затрудняет ее определение, повышает погрешность определения и не обеспечивает возможность оперативного определения одновременно начальной концентрации и растворимости газа на серии образцов.

Техническая задача, решаемая авторами изобретения, заключается в разработке простого способа оперативного определения исходной концентрации растворенного в материале газа и коэффициента растворимости без проведения стандартизирующих предварительных мероприятий.

Новый технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в упрощении способа за счет исключения подготовительных мероприятий, обеспечении возможности одновременного определения коэффициента растворимости газа и начальной концентрации его в образце, а также оперативного определения этих показателей на серии образцов.

Указанные новый технический результат и техническая задача обеспечены тем, что в способе, включающем размещение испытуемого образца в камере, эвакуацию воздуха из нее, измерение равновесного количества выделившегося из образца газа, растворимость которого в материале подчиняется закону Генри, и вычисление коэффициента растворимости, согласно изобретению одновременно во вторую камеру помещают второй образец, идентичный первому по концентрации растворенного в нем газа и выполненный из такого же материала, при этом степень заполнения камер выбирают из условия , измеряют в ней равновесное количество газа, выделившегося из второго образца, и рассчитывают коэффициент растворимости и дополнительно концентрацию газа в материале по следующим зависимостям: где ε₁,ε₂ - степень заполнения первой и второй камер, равная отношению объема камеры к объему соответствующего образца; σ - коэффициент растворимости газа; C₁, C₂ - равновесное количество газа, выделившееся из образцов в единицу объема соответственно первой и второй камер; R - универсальная газовая постоянная; T - температура, K; U₀ - начальная концентрация газа в материале.

Для измерения характеристик сорбции используют две изолированные друг от друга камеры 1, 2 (см. чертеж), где размещены образцы 3, 4 из исследуемого материала, в которых растворены газы. Образцы идентичны по концентрации в них газа. Камеры изолируют от внешней среды и вакуумируют через трубопровод 7, после чего закрывают вентили 5 и 6.

После помещения в камеры каждого образца растворенные в них газы начинают десорбировать и, в конечном итоге, по истечении определенного времени анализа устанавливается равновесное состояние, о наступлении которого судят по результатам измерений количества газа в камерах.

В условиях прототипа использование одной камеры с размещенным внутри образцом сочетается с предварительной выдержкой образца при повышенном давлении дополнительно пропускаемого газа до достижения равновесного состояния, что вносит погрешность определения величина соответствующего равновесному состоянию давления и искажает информацию об исходном состоянии образца, в связи с чем определение начальной концентрации газа в образце проблематично.

Предлагаемый способ позволяет определить начальную концентрацию газа в образце за счет исключения предварительной процедуры воздействия избыточного давления газа, что позволяет сохранить первичную информацию, обеспечивает более простое по сравнению с прототипом выполнение.

Проблема одновременного определения начальной концентрации газа и коэффициента растворимости газа в материале разрешается в условиях, когда равновесные количества выделившихся из исследуемых образцов газов, измеренные с минимальными погрешностями, различны. Это условие обеспечивается использованием двух изолированных одна от другой камер, в которых размещены два идентичных по концентрации растворенного в них газа образца, но при различной степени заполнения каждой из камер, когда , характеризующих отношение объема камеры к объему соответствующего образца. Соблюдение условия идентичности исследуемых образцов по концентрации растворенного в них газа существенно для исключения погрешности за счет выделения летучих и обеспечения равенства исходных условий.

Выполнение указанных условий, последующее измерение равновесных количеств газа в единице объема каждой из камер позволяют определить одновременно начальную концентрацию растворенных в образцах газов и коэффициент растворимости при более простом выполнении за счет меньшего числа мероприятий по сравнению с прототипом.

К другим преимуществам способа относится возможность оперативного проведения определений для серии образцов в более короткие сроки.

Возможность промышленного применения предлагаемого способа подтверждается следующим примером.

В изолированные друг от друга камеры 1 и 2 (см. чертеж) одновременно помещают через 72 ч после изготовления идентичные по концентрации газа образцы 3 и 4 из компаунда виксинт Л-18 ОСТ В95 2379-83, полученные из одного исходного образца путем деления его на две части. Объем образцов равен 1,786·10^-7 м³ и 4,464·10^-7 м³ соответственно. Свободный объем камер 1 и 2 составил 0,331·10^-3 м³ и 0,334·10^-3 м³ соответственно. При этом величины степени заполнения были равны ε₁= 1853, ε₂= 748. Далее эвакуируют воздух из камер и проводят газохроматографическим методом контроль содержания этанола, выделившегося из материала. Равновесные величины количества паров этанола в единице объема первой и второй камер составили: C₁ = 0,195 моль/м³, C₂ = 0,469 моль/м³.

При величине универсальной газовой постоянной R = 8,314 Па·м³/моль·K после расчета по формулам получены следующие значения:
коэффициент растворимости паров этанола
σ = 1,6·10^-2моль/м³·Па,
концентрация паров этанола в образцах
U₀ = 3,7·10² моль/м³.

Как видно из примера конкретного выполнения предлагаемого способа, были одновременно определены коэффициент растворимости и концентрация газа в материале при более простом по сравнению с прототипом выполнении способа.

На чертеже представлена схема реализации изобретения, где 1 - первая камера, 2 - вторая камера, 3, 4 - испытываемые образцы, 5, 6 - вентили, 7 - магистраль.

Формула изобретения

Способ определения характеристик сорбции газов материалами, заключающийся в размещении испытуемого образца в камере, эвакуации воздуха из нее, измерении равновесного количества выделившегося из образца газа, растворимость которого в материале подчиняется закону Генри, и вычислении коэффициента растворимости, отличающийся тем, что одновременно помещают второй образец, идентичный первому по концентрации в нем газа и выполненный из такого же материала, во вторую изолированную от первой камеру, при этом степень заполнения камер выбирают из условия эвакуируют воздух из второй камеры, измеряют в ней равновесное количество газа, выделившегося из второго образца, и рассчитывают коэффициент растворимости и начальную концентрацию газа в материале по следующим зависимостям:

где ε₁,ε₂ - степень заполнения первой и второй камер, равная отношению объема камеры к объему образца, находящегося в ней;
σ - коэффициент растворимости газа;
C₁, C₂ равновесное количество газа, выделившегося из образца в единице объема первой и второй камер;
R универсальная газовая постоянная;
T температура;
U₀ начальная концентрация газа в материале.

РИСУНКИ

Рисунок 1