Способ определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах

Изобретение относится к физической химии и электрохимии твердых электролитов и может быть использовано для определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах в атмосфере сухого водорода. Способ определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидах заключается в том, что образец оксида помещают в реактор, соединенный с газовым контуром, сушат при нагреве до температуры 900÷1000°C. Затем меняют газовую фазу на атмосферу, содержащую водород, регистрируют изменение во времени значения параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в оксиде, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании полученного равновесного значения параметра оксида производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде как количества вещества водорода в оксиде, отнесенного к одному молю оксида. При этом в качестве параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в протон-проводящем оксиде, используют значение давления водорода над оксидом в замкнутом газовом контуре постоянного объема, для этого образец помещают в реактор, вакуумплотно соединенный с газовым контуром, изолированным от атмосферы. Далее откачивают газовый контур с реактором на высокий вакуум и сушат образец, выдерживая его при температуре осушки до установления остаточного давления не более 10-7 Па. Затем перекрывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром, напускают в контур водород высокой чистоты до заданного давления, открывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром и после мгновенного установления общего давления водорода в системе «реактор-газовый контур» регистрируют изменение значения давления водорода над образцом во времени, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании разницы давления водорода, установившегося сразу после открытия вакуумплотного соединения, и полученного равновесного значения давления водорода над образцом производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде. Техническим результатом является повышение степени осушки исследуемых образцов, повышение точности измерения концентрации протонов в атмосфере сухого водорода, а также сокращение расхода водорода. 2 ил.

 

Изобретение относится к физической химии и электрохимии твердых электролитов и может быть использовано для определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах в атмосфере сухого водорода.

Известен способ определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах в атмосфере «вода-водород», то есть в атмосфере влажного водорода, включающий использование метода термогравиметрического анализа с генератором водяного пара (Kreuer, K.D. Proton-Conducting Oxides. Annual Review of Material Research (2003) 33: 333-359) [1]. Согласно этому способу, исследуемый образец оксидного протон-проводящего материала помещают в реактор, соединенный с газовым контуром термоанализатора, сообщающимся с атмосферой, до начала эксперимента по растворимости водорода образец исследуемого материала сушат, продувая воздух или кислород над образцом через трубку с каким-либо из адсорбентов водяного пара, например цеолитами, пентоксидом фосфора и др. Температура осушки составляет 900÷1000°C. После осушки посредством регуляторов расхода газов проточную систему «реактор-газовый контур» продувают газовой смесью, содержащей водород и водяные пары, создаваемые парогенератором. Задавая скорость движения газов с помощью регуляторов расхода газов, можно добиться получения смеси с необходимым соотношением концентраций водорода и паров воды.

В результате происходит растворение водорода в оксиде, что влечет за собой увеличение массы образца. С помощью весов регистрируют изменение массы образца во времени, дожидаясь состояния равновесия, а затем производят расчет концентрации протонов в оксиде, численно равной количеству вещества протонов в одном моле оксида. Использование в качестве осушителей адсорбентов водяного пара, таких как цеолиты, пентоксид фосфора и других, позволяет получить остаточное давление водяных паров не менее нескольких единиц, а то и десятков паскалей, что бывает крайне недостаточно для полной осушки образцов, особенно для тех, в которых растворимость водорода довольно низкая. Не досушенные таким образом образцы могут содержать растворенный водород, что может привести к существенному «занижению» результатов измерений.

Кроме того, проточная система «реактор-газовый контур» требует большого расхода газов для длительной продувки водородсодержащей смеси при организации эксперимента.

Описанный способ с использованием метода термогравиметрического анализа позволяет определять концентрацию протонов в атмосфере влажного водорода, однако не дает возможности провести измерения в атмосфере сухого водорода, т.е. не содержащего пары воды, поскольку технически невозможно в достаточной степени высушить газовый контур, термоанализатор, а также газовые магистрали. Таким образом, всегда остается слабо контролируемое количество воды, точное количество которой определить практически невозможно.

Задача настоящего изобретения заключается в создании возможности измерения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах в атмосфере сухого водорода при повышении точности измерения концентрации протонов за счет глубокой степени осушки образца, а также в снижении расхода водорода.

Для решения поставленной задачи в способе определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах образец исследуемого оксида помещают в реактор, соединенный с газовым контуром, сушат при нагреве до температуры 900÷1000°C, затем меняют газовую фазу на атмосферу, содержащую водород, регистрируют изменение во времени значения параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в оксиде, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании полученного равновесного значения параметра оксида производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде как количества вещества водорода в оксиде, отнесенного к одному молю оксида, отличающийся тем, что в качестве параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в протон-проводящем оксиде, используют значение давления водорода над оксидом в замкнутом газовом контуре постоянного объема, для этого образец помещают в реактор, вакуумплотно соединенный с газовым контуром, изолированным от атмосферы, откачивают газовый контур с реактором на высокий вакуум и сушат образец, выдерживая его при температуре осушки до установления остаточного давления не более 10 Па, затем перекрывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром, напускают в контур водород высокой чистоты до заданного давления, открывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром и после мгновенного установления общего давления водорода в системе «реактор-газовый контур» регистрируют изменение значения давления водорода над образцом во времени, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании разницы давления водорода, установившегося сразу после открытия вакуумплотного соединения, и полученного равновесного значения давления водорода над образцом производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде.

В отличие от способа по прототипу с применением метода термогравиметрического анализа, где в качестве параметра, напрямую указывающего на изменение концентрации протонов в протон-проводящем оксиде, используется изменение массы образца во времени, добиваясь состояния равновесия образца с газовой фазой, в заявленном способе в качестве такого параметра используется величина давления водорода над образцом в замкнутом газовом контуре постоянного объема. Метод релаксации давления водорода заключается в том, что вначале проводят глубокую осушку образца протон-проводящего оксида, для этого образец нагревают до температуры 900÷1100°C и выдерживают при постоянной откачке на высокий вакуум, оставляя открытым вакуумплотное соединение, добиваясь установления остаточного давления не более 10-7 Па. Затем вакуумплотное соединение перекрывают и в оставшуюся часть контура напускают водород высокой чистоты до заданного давления, после чего вакуумплотное соединение открывают. Величина давления, которую задают для проведения измерений, может быть любой в диапазоне от 10-1 до 105 Па.

В результате после мгновенного установления общего давления водорода в системе «реактор-газовый контур» происходит медленное растворение водорода в протон-проводящем оксиде, при этом водород проникает в образец оксида, а давление водорода уменьшается.

Таким образом, с помощью метода релаксации давления водорода регистрируют изменение во времени значения давления водорода, напрямую связанного с изменением количества протонов в оксиде, так как образец находится в замкнутом газовом контуре постоянного объема. Однако, в отличие от метода термогравиметрического анализа, где используют проточную систему для продувки водородсодержащей газовой смеси, метод релаксации давления водорода реализуют с использованием реактора, вакуумплотно соединенного с газовым контуром, изолированным от атмосферы, в котором можно создать высокий вакуум и любое давление водорода в диапазоне от 10-1 до 105 Па. Откачка газового контура с реактором на высокий вакуум при открытом вакуумплотном соединении реактора с газовым контуром позволяет произвести осушку образца протон-проводящего оксида при температуре 900÷1100°C до остаточного давления 10 Па, что существенно ниже по сравнению с сушкой в проточной системе в атмосфере воздуха над адсорбентами водяного пара, такими как цеолиты, пентоксид фосфора и др. Это предотвращает искажение результатов измерений, обусловливаемое недостаточной осушкой образцов, что важно особенно для образцов с низкой растворимостью водорода.

Вакуумплотно перекрывая сообщение реактора с газовым контуром и напуская в контур водород высокой чистоты, задают необходимое давление водорода над образцом после открытия вакуумплотного соединения.

Использование водорода высокой чистоты вместо водородсодержащей смеси, применяемой в термогравиметрическом методе анализа, позволяет проводить измерение в атмосфере сухого водорода. В методе релаксации давления парциальное давление водорода равно абсолютному, поэтому в заявленном способе применим датчик общего давления, работающий с абсолютными давлениями при комнатной температуре. Это позволяет регистрировать изменения давления водорода в атмосфере сухого водорода. Использование для реализации метода релаксации замкнутого газового контура, изолированного от атмосферы с возможностью его откачивания на высокий вакуум, позволяет экономно расходовать водород.

Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении степени осушки исследуемых образцов, повышении точности измерения концентрации протонов в атмосфере сухого водорода, сокращении расхода водорода.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная схема экспериментальной установки для реализации способа; на фиг.2 приведена кривая зависимости давления от времени, иллюстрирующая метод релаксации давления.

Экспериментальная установка состоит из двух частей: газовый контур 1, который посредством вакуумного крана 2 вакуумплотно соединен с кварцевым реактором 3. В реактор 3 помещают образец 4. Реактор помещен в печь (не показана). Газовый контур 1 имеет трехступенчатую систему откачки. Откачку на форвакуум осуществляют с помощью диафрагменного насоса 5, остаточное давление при этом составляет порядка 10-1 Па. Вторую ступень откачки осуществляют с помощью турбомолекулярного насоса 6, остаточное давление при этом составляет порядка 10-5 Па. Третью ступень откачки осуществляют с помощью высоковакуумного магниторазрядного насоса 7, при этом достигается остаточное давление порядка 10-8 Па. Установка содержит датчики давления Баярда-Альперта Пирани 8, систему напуска водорода 9, баллон с кислородом высокой чистоты 10.

Давление газа в контуре 1 измеряли с помощью датчиков Баярда-Альперта Пирани 8, откалиброванных на диапазон давлений от 10-8 до 105 Па. Напуск водорода в контур 1 осуществляли с помощью системы напуска 9 из баллона 10. Для вакуумплотного соединения реактора с газовым контуром использовали вакуумные краны типа All-Metal UHV Valves с натеканием по гелию не более чем 10-4 Па·см3/с. Работу печи реактора 3 обеспечивали с помощью терморегулятора Термодат-19Е5. Тип использованной термопары - ТПП.

В ходе эксперимента использовали водород высокой чистоты. После размещения исследуемого образца в реакторе при комнатной температуре проводили откачку газового контура на высокий вакуум.

До начала эксперимента по реализации метода релаксации давления водорода проводили глубокую осушку образца протон-проводящего оксида. Для этого образец нагревали до температуры 900°C и выдерживали в течение трех-четырех суток при постоянной откачке на высокий вакуум, оставляя открытым вакуумплотное соединение, добиваясь остаточного давления не более 10-7 Па. Затем вакуумплотное соединение перекрывали и в оставшуюся часть контура напускали водород высокой чистоты до нужного давления. После этого вакуумплотное соединение открывали и регистрировали изменение во времени значения давления водорода (фиг. 2), добиваясь состояния равновесия образца оксида с газовой фазой. Критерием установившегося состояния равновесия служило значение стандартного отклонения давления для 1000 последних записанных точек от их среднего значения, которое не превышало 1 Па. На основании разницы давления водорода, установившегося сразу после открытия вакуумплотного соединения, и полученного равновесного значения давления водорода над образцом, производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде, как количества вещества водорода в оксиде, отнесенного к одному молю оксида.

Момент открытия реактора считается началом эксперимента с применением метода релаксации давления водорода.

Заявленный способ позволяет расширить диапазон средств для измерения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах в атмосфере сухого водорода, повысить точность измерения концентрации протонов за счет глубокой степени осушки образца, сократить расход водорода.

Способ определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидах, в котором образец исследуемого оксида помещают в реактор, соединенный с газовым контуром, сушат при нагреве до температуры 900÷1000°C, затем меняют газовую фазу на атмосферу, содержащую водород, регистрируют изменение во времени значения параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в оксиде, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании полученного равновесного значения параметра оксида производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде как количества вещества водорода в оксиде, отнесенного к одному молю оксида, отличающийся тем, что в качестве параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в протон-проводящем оксиде, используют значение давления водорода над оксидом в замкнутом газовом контуре постоянного объема, для этого образец помещают в реактор, вакуумплотно соединенный с газовым контуром, изолированным от атмосферы, откачивают газовый контур с реактором на высокий вакуум и сушат образец, выдерживая его при температуре осушки до установления остаточного давления не более 10-7 Па, затем перекрывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром, напускают в контур водород высокой чистоты до заданного давления, открывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром и после мгновенного установления общего давления водорода в системе «реактор-газовый контур» регистрируют изменение значения давления водорода над образцом во времени, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании разницы давления водорода, установившегося сразу после открытия вакуумплотного соединения, и полученного равновесного значения давления водорода над образцом производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физической химии и электрохимии твердых электролитов и может быть использовано для определения химического коэффициента обмена и химического коэффициента диффузии кислорода в оксидных материалах со смешанной электронной и кислород-ионной проводимостью.

Изобретение относится к методам определения свойств микросфер и может быть использовано для измерения газосодержания в индивидуальных микросферах, изучения динамики истечения газа из микросфер и определения разброса давления в партии микросфер.

Изобретение относится к устройствам для определения количества газов в жидкости, которые, в частности, используются при прямых геохимических методах поисков нефти и газа.

Изобретение относится к способам измерения количественного содержания растворенного газа в нефтепромысловой жидкости и может быть использовано при поиске, добыче, подготовке и транспортировке нефти и воды.

Изобретение относится к лабораторной измерительной технике, более конкретно - к приборам и методам контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, и может использоваться в пищевой промышленности.

Изобретение относится к области испытания материалов в условиях вакуума применительно к определению скорости обезгаживания испытуемых материалов. .

Изобретение относится к проведению геохимической разведки перспективных месторождений, например, нефтегазового сырья и может быть использовано для определения газонасыщенности грунта и донных осадков.

Изобретение относится к аналитической химии, точнее к методам количественного определения водорода. .

Изобретение относится к установкам для исследования нефти и может применяться, в частности, в установках для исследования свойств нефти и газа в пластовых условиях.

Изобретение направлено на создание возможности определения скорости межфазного обмена кислорода и скоростей трех типов обмена кислорода с оксидными материалами. Образец исследуемого материала помещают в проточный реактор, пропускают смесь инертного газа с кислородом заданного парциального давления кислорода и после установления равновесия между образцом и газовой фазой при выбранных значениях парциального давления кислорода и температуры. Далее в проточный реактор последовательно подают два и/или более импульсов изотопно-обогащенной смеси разного объема, после прохождения двух и/или более импульсов изотопно-обогащенной смеси разного объема получают две и/или более пары значений изотопного состава импульса изотопно-обогащенной смеси до и после прохождения над образцом при различных временах экспозиции. Затем полученные значения используют для расчета скорости межфазного обмена кислорода и скоростей трех типов обмена кислорода по теории о трех типах обмена кислорода. Техническим результатом является обеспечение возможности получения информации о содержании изотопа в импульсе до и после прохождения импульса, на основании которой становится возможным с большей точностью рассчитать скорость межфазного обмена кислорода и создается принципиальная возможность рассчитать скорости трех типов обмена кислорода. 3 ил.

Изобретение относится к способам измерения количественного содержания растворенного газа, в частности сероводорода, в нефтепромысловой жидкости, находящейся под давлением в выкидной линии скважины, нефтесборном трубопроводе, емкостном оборудовании или водоводе. Способ определения концентрации сероводорода в трубопроводной нефти под давлением заключается в отборе пробы нефти при снижении давления до атмосферного, барботировании этой пробы или ее части с фиксацией выделенного сероводорода химическим методом. Выделяющийся при отборе жидкости ПНГ направляется в газосборную камеру с измерением объема. Массовое количество сероводорода в собранном объеме ПНГ определяется любым приемлемым способом, например колориметрическим способом, пропуская часть ПНГ через индикаторную трубку H2S - 0,0066 по ТУ 12.43.01.166-86. Концентрация сероводорода в отбираемой пробе нефти или иной сероводородсодержащей жидкости определяется по математической формуле путем суммирования массы H2S в жидкой и газообразной фазах пробы и отнесения полученной суммы к объему отобранной пробы жидкости в атмосферных условиях. Техническим результатом является повышение точности измерений количественного присутствия сероводорода в промысловой нефти или воде. 2 ил., 1 табл.

Группа изобретений может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности, в которых процесс протекает при высоком давлении и высокой температуре. Способ определения газонасыщения жидкости может быть использован для контроля гетерогенно-каталитических реакций, протекающих при высоком давлении и температуре, таких, например, - реакции гидрирования, окисления. Способ определения газонасыщения реализуется с помощью устройства, состоящего из пробоотборника и измерительного прибора. Пробоотборник включает в себя входной вентиль 1 точной регулировки, капилляр 2, калибровочную микроемкость 3 и выходной вентиль 4 точной регулировки. Измерительный прибор включает в себя мерную бюретку 5, внутреннюю трубку 6, измерительную трубку 7, вспомогательную емкость 8. Входной вентиль 1 точной регулировки плавно открывают, при этом жидкость, насыщенная газом, через капилляр 2 заполняет калибровочную микроемкость 3. Входной вентиль закрывают и плавно открывают выходной вентиль точной регулировки, жидкость под собственным давлением вытекает и попадает в мерную бюретку 5 измерительного прибора. При дросселировании жидкости происходит разделение пробы на газовую и жидкую составляющие и снижение температуры пробы до комнатной. Выделившийся из жидкости газ поступает через внутреннюю трубку 6 в верхнюю часть измерительной трубки 7 и выдавливает запорную жидкость из кольцевого пространства во вспомогательную емкость 8. По разности исходного и конечного уровней запорной жидкости определяют объем газовой составляющей, а объем жидкости измеряют в мерной бюретке. Обеспечивается упрощение конструкции устройства и способа отбора проб, повышение точности определения количества растворенного газового компонента в жидком реагенте, находящемся под высоким давлением, точности определения жидкой компоненты пробы, возможность контроля скорости протекания реакции. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оперативного контроля в технологии испытания электрогидромеханических систем и их агрегатов. Предложенный способ предусматривает вакуумирование пробы исследуемой жидкости, перемещение газа через газопроницаемую мембрану в газосборную полость с последующим измерением его объема и давления. Устройство определения содержания свободного газа в жидкости представляет собой систему двух взаимосвязанных полостей, разделенных газопроницаемой мембраной. Изменение объемов полостей достигается взаимоувязанным движением поршней. Расчет содержания свободного газа в жидкости производится по известным зависимостям. Технический результат - снижение трудоемкости процесса контроля пробы, технического обслуживания устройства, а также исключение применения дополнительных реагентов в процессе контроля. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области методов и средств регулирования и контроля газовой среды и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. Предложен способ регулирования газовой среды в контейнере, содержащем горючее или токсичное газообразное вещество, включающий создание инертной атмосферы с использованием инертного газа, согласно изобретению в контейнере с газовой средой, снабженном вентилем для заполнения и опустошения. Согласно заявленному способу проводят измерение концентрации горючего или токсичного газообразного вещества. При установлении факта превышения концентрации горючего или токсичного газообразного вещества над его безопасным значением создают избыточное давление путем подачи через вентиль инертного газа. Закрывают вентиль, выдерживают контейнер с газовой средой в течение времени, достаточного для выравнивания концентраций газообразных веществ внутри контейнера, открывают вентиль и выпускают газовую смесь до момента выравнивания давления внутри контейнера и давления окружающей среды. Затем циклы создания избыточного давления газовой среды в контейнере, выдержки для выравнивания концентраций газообразных веществ внутри контейнера, выравнивания давления внутри контейнера и давления окружающей среды повторяют с кратностью, определяемой по следующей формуле: где n - количество повторений операции заполнения контейнера инертным газом; [св] - допустимая (безопасная) концентрация горючего или токсичного газа в контейнере; - концентрация горючего или токсичного газа в контейнере; ΔР - создаваемое в контейнере избыточное давление инертного газа; Р0 - начальное давление в контейнере. Технический результат - обеспечение максимально достоверного установления состояния исследуемой газовой среды и своевременное и оперативное предупреждение или предотвращение возникновения опасной ситуации. 1 ил.

Изобретение относится к физической химии и электрохимии твердых электролитов и может быть использовано для определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидных материалах в атмосфере сухого водорода. Способ определения концентрации протонов в протон-проводящих оксидах заключается в том, что образец оксида помещают в реактор, соединенный с газовым контуром, сушат при нагреве до температуры 900÷1000°C. Затем меняют газовую фазу на атмосферу, содержащую водород, регистрируют изменение во времени значения параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в оксиде, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании полученного равновесного значения параметра оксида производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде как количества вещества водорода в оксиде, отнесенного к одному молю оксида. При этом в качестве параметра оксида, напрямую связанного с изменением количества протонов в протон-проводящем оксиде, используют значение давления водорода над оксидом в замкнутом газовом контуре постоянного объема, для этого образец помещают в реактор, вакуумплотно соединенный с газовым контуром, изолированным от атмосферы. Далее откачивают газовый контур с реактором на высокий вакуум и сушат образец, выдерживая его при температуре осушки до установления остаточного давления не более 10-7 Па. Затем перекрывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром, напускают в контур водород высокой чистоты до заданного давления, открывают вакуумплотное соединение реактора с газовым контуром и после мгновенного установления общего давления водорода в системе «реактор-газовый контур» регистрируют изменение значения давления водорода над образцом во времени, достигая состояния равновесия оксида с газовой фазой, и на основании разницы давления водорода, установившегося сразу после открытия вакуумплотного соединения, и полученного равновесного значения давления водорода над образцом производят расчет концентрации протонов в протон-проводящем оксиде. Техническим результатом является повышение степени осушки исследуемых образцов, повышение точности измерения концентрации протонов в атмосфере сухого водорода, а также сокращение расхода водорода. 2 ил.

Наверх