DE1202540B - Geraet zur Bestimmung der Oberflaechengroesse feinteiliger Substanzen durch Gasadsorption - Google Patents

Geraet zur Bestimmung der Oberflaechengroesse feinteiliger Substanzen durch Gasadsorption

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DE1202540B
DE1202540B DEN21953A DEN0021953A DE1202540B DE 1202540 B DE1202540 B DE 1202540B DE N21953 A DEN21953 A DE N21953A DE N0021953 A DEN0021953 A DE N0021953A DE 1202540 B DE1202540 B DE 1202540B
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gas
pressure
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finely divided
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DEN21953A
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Dipl-Chem Dr Norbert Hansen
Walter Littmann
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Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
E Leybolds Nachfolger AG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/088Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
    • G01N15/0893Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry by measuring weight or volume of sorbed fluid, e.g. B.E.T. method
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour

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Description

  • Gerät zur Bestimmung der Oberflächengröße feinteiliger Substanzen durch Gasadsorption Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Bestimmung der Oberflächengröße feinteiliger Substanzen durch Gasadsorption. Das Gerät hat kleine Abmessungen (Tischgerät) und erfordert außer dem Einbringen der Probe keinen Bedienungsaufwand, da alle Vorgänge selbsttätig gesteuert werden.
  • Die Bestimmung der Obertlächengröße feinteiliger Substanzen gewinnt in der Industrie eine immer größere Bedeutung. Insbesondere bei Katalysatoren, Adsorbentien, Farbpigmenten, Erzen, Sinterwerkstoffen und Materialien der Silikat- und Bauindustrie ist die Oberilächengröße eine wichtige Kenngröße für die Eignung dieser Stoffe im Produktionsgang bzw. für ihre Eigenschaften.
  • Es gibt verschiedene Methoden, um sich über die Morphologie eines feinverteilten Pulvers zu informieren. Korngrößenmessungen sind in vielen Fällen wertvoll, können aber nur grobe Anhaltspunkte über die wahre Oberflächenentwicklung geben. Überdies sind sie in ihrem Meßbereich sehr beschränkt.
  • Die Kenntnis der gesamten »inneren« Oberflächengröße ist besonders wichtig bei pulverförmigen Feststoffen, die mit Gasen in Reaktion treten sollen. Für solche Stoffe am geeignetsten erscheint die Verwendung einer bekannten Gas-Festkörper-Reaktion, d. h. der Gasadsorption, für die Bestimmung der Oberfläche. Es handelt sich dabei meistens um die physikalische Adsorption, bei welcher Gase (z. B. Stickstoff) in der Nähe ihrer Kondensationstemperatur auf der vorher gut entgasten Oberfläche adsorbiert werden.
  • Für Argon ist die Temperatur des flüssigen Stickstoffes (77,30 K bei 760 Torr) sehr günstig. Läßt man portionsweise steigende Gasmengen (durch Druck und Volumen möglichst genau bestimmt) sich mit der im Vakuum gut entgasten Oberfläche des Adsorbens ins Gleichgewicht setzen, so beobachtet man eine charakteristische Abhängigkeit des Gleichgewichtsdruckes von der adsorbierten Gasmenge. Die adsorbierte Gasmenge Vads wird zweckmäßig in Milliliter bei Normaltemperatur (2730 K) und Normaldruck (760 Torr) angegeben: n ml, der Gleichgewichtsdruck in seinem Verhältnis zum Sättigungsdruck der kondensierten Phase plpO (PO von Argon ist je nach Meßtemperatur 185 bis 200 Torr).
  • Die so erhaltenen Isothermen haben in der Mehrzahl der Fälle den in Fig. 1 angegebenen charakteristischen S-förmigen Verlauf. Es wurde schon früher angenommen, daß diese Isothermen einer Mehrschichtenadsorption zuzuschreiben sind, wobei am Wendepunkt bzw. »Knie« der Isotherme die Ausbildung einer monomolekularen Schicht stattgefunden haben sollte. Für die Auswertung einer solchen Isotherme im Hinblick auf die Oberflächengröße braucht man eine Formel, die den Verlauf der Isotherme zumindest im Bereich um die Monoschichtbedeckung beschreibt und den Bedeckungsgrad bzw. die für die Monoschichtauffüllung notwendige Gasmenge Vm enthält.
  • Eine derartige Gleichung ist von Brunauer, Emmett und Teller in einem Artikel in dem Journal of the American Chemical Society, 60, S. 309 (1938), gebracht. Sie hat in der Praxis der Oberflächenbestimmung mit Stickstoff als Adsorbat einen guten Erfolg gehabt, weil sie es bei einer einigermaßen kritischen Anwendung gestattete, genaue und reproduzierbare Bestimmungen der zur Monoschichtauffüllung notwendigen Menge Vm eines physikalisch adsorbierten Gases durchzuführen.
  • Diese sogenannte BET-Gleichung lautet: Hierin ist Vads die beim Gleichgewichtsdruck p adsorbierte Gasmenge in n ml und c eine Konstante, welche die Adsorptionsenergie enthält. Diese Gleichung gilt für normale Isothermen in einem Bereich des Relativdruckes von 0,05 bis 0,25, in dem auch die Monoschichtauffüllung stattfindet.
  • Die Oberflächengröße F ergibt sich aus der Monoschichtmenge Vm, wenn der Platzbedarf f eines Atoms oder einer Molekel in der adsorbierten Schicht in A2 bekannt ist: F = NL in Quadratmeter. (2) 224141020 NL ist die Loschmidsche Zahl 6023 1023.
  • Gewöhnlich wird diese Oberfiächengröße auf das Gewicht der Probe bezogen und als spezifische Oberflächengröße m2 g-t angegeben.
  • Die beschriebene Bestimmung von Oberflächengrößen mit der BET-Methode erfordert jedoch einen großen experimentellen Aufwand und Rechenarbeit, die nur wenige Bestimmungen pro Tag zulassen und ein geschultes Fachpersonal erfordern.
  • Um diese Nachteile zu überwinden, sind mehrere Wege beschrieben worden, die sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen lassen: In der einen wird das ursprüngliche BET-Verfahren durch halbautomatische Vorrichtungen in der Handhabung erleichtert und durch Registrierung der Drücke die Auswertung beschleunigt. Geräte dieser Art sind für eine volumetrische Gasbestimmung von Schlosser, Chemie-Ingenieur-Technik, 31, S. 799 (1959), und für eine gravimetrische Bestimmung des Adsorbats von Sandstede und Robens, Chemie-Ingenieur-Technik, 32, S. 413 (1960), beschrieben worden. Diese Geräte bedingen einen sehr großen apparativen Aufwand, weil ein vollständiges Isothermenteilstück aufgezeichnet werden muß, und lassen keine völlige Automatisierung zu.
  • In einer anderen Gruppe von Arbeiten wird versucht, das BET-Verfahren zu vereinfachen mittels einer sogenannten 1-Punkt-Methode. Hierbei wird mit vereinfachten experimentellen Anordnungen nur ein Punkt der Adsorptionsisotherme aufgenommen, und zwar möglichst der Punkt am »Knie« der Isotherme, der der Auffüllung der Monoschicht entspricht. Analytisch wird so verfahren, daß der Beginn des als linear idealisierten mittleren Teils der Isotherme zur Indizierung der Monoschichtmenge benutzt wird oder daß bei dem Relativdruck der mutmaßlichen Monoschichtauffüllung (z.B. plpO = 0,1) die adsorbierte Menge bestimmt wird. Die letztere Methode wird bei dem Verfahren von Innes (USA.-Patent 2729 969) benutzt.
  • Für eine automatische Oberflächenmessung ist aus apparativen und auswertungstechnischen Gründen nur eine 1-Punkt-Methode zu verwenden. Alle bekannten 1-Punkt-Methoden weisen aber als entscheidenden Nachteil eine relativ große Ungenauigkeit ihrer Resultate im Vergleich zu absoluten Messungen auf und werden daher nur für Relativ-und Übersichtsmessungen angewendet. Diese Probleme werden unter anderem in einem zusammenfassenden Artikel in Vacuum, Vol. III, Nr. 3, S. 254 (1953), behandelt. Die Ursache dieser Ungenauigkeit liegt darin, daß die Adsorptionsenergie im Bereich vor und um die Monoschichtauffüllung (p/p0 0,05 bis 0,25) stark abhängig ist vom Belegungsgrad der Oberfläche mit dem Adsorbat und von der stofflichen Natur der zu messenden Oberfläche. Hieraus resultiert ein von Probe zu Probe unterschiedlicher Isothermenverlauf gerade in diesem Bereich, der bisher zur Bestimmung der Oberflächengröße benutzt wurde.
  • In der F i g. 1 sind solche Isothermen gestrichelt angedeutet. Nur die aufwendige BET-Methode berücksichtigt dieses Verhalten.
  • Grundlage des erfindungsgemäßen Gerätes, das in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, waren nun thermodynamische Untersuchungen der Edelgasadsorption, bei der sich herausstellte, daß für die Argonadsorption an beliebigen Stoffen im Bereich der Mehrschichtenadsorption, also oberhalb der Monoschichtauffüllung, im Druckbereich plp, = 0,3 bis 0,5 die Adsorptionsenergie nahezu konstant ist und in der Größe der Kondensationsenergie liegt und damit ein gleichmäßiger Isothermenverlauf auftritt.
  • Außerdem wurde eine einfache Formel gefunden, die den Isothermenverlauf in diesem Abschnitt beschreibt und die für eine 1-Punkt-Auswertung geeignet ist und damit die Konstruktion eines automatischen Gerätes ermöglicht. Die Verwendung von Argon gegenüber Stickstoff schließt auch eine störende Chemisorption an aktivem Metallpulver od. ä aus.
  • Für eine 1-Punkt-Methode im Bereich der Mehrschichtenadsorption ist eine Funktion der Form a= Vads(bPIPO) (3) geeignet, wenn a = Vm und b so gewählt wird, daß b - (PIP0)V,n = 1 wird, wenn (plp,)v, der Wert von plpO ist, bei dem Vads = m auf der durch die Funktion dargestellten llyperbd ist.
  • Die Gleichung Vrn = l'ads (1,03 -p/p0) nml (4) beschreibt die experimentellen Argonisothermen über den Druckbereichp/pO = 0,2 bis 0,5 sehr gut (Fig. 1).
  • Das durch diese Gleichung analytisch bestimmbare Monoschichtvolumen Vm ist gleich dem, welches durch eine thermodynamische Analyse physikalisch einwandfrei erhalten wird. Die Adsorptionswärmen und Entropien zeigen nach der Vollendung der Monoschicht eine charakteristische Änderung in ihrem Verlauf.
  • Bei einem bestimmten, festgelegten Druck im Bereich plpO = 0,2 bis 0,S ist also die Oberflächengröße direkt proportional der adsorbierten Gasmenge, F = l'ads X k, wobei sich die Konstante k aus den Gleichungen (2) und (4) ergibt.
  • Die Funktion des erfindungsgemäßen Gerätes beruht also auf folgendem: In einer Einzelmessung wird durch Zeitbestimmung die Gasmenge gemessen, die bis einem vorbestimmten Druck im Bereich pIp0 = 0,3 bis 0,5 adsorbiert wird. Das geschieht zweckmäßig durch eine derart dosierte Gaszufuhr, daß die pro Zeiteinheit zugeführte Menge konstant ist. Ein Zeitmesser dient dann als Zähler für die eingeströmte Gasmenge. Mit einer eingebauten Korrektion für die im Totraum des Probengefäßes verbleibende Menge gewinnt man die adsorbierte Gasmenge und damit die Oberflächengröße. Der Zeitmesser, der vorzugsweise einen Synchronmotor mit Impulsgeber enthält und einen Zähler zur Zählung der Impulse, kann somit unmittelbar in Quadratmetern geeicht sein. Das Zählwerk wird am Beginn der Messung in Tätigkeit gesetzt und am Ende, wenn ein bestimmter Druck erreicht ist, wieder stillgesetzt.
  • Die Gasdosierung erfolgt am zweckmäßigsten, indem man aus einem Vorratsbehälter das Gas durch eine Kapillare in den Meßraum einströmen läßt.
  • Die durchströmende Menge ist im Fall der viskosen Strömung bei höheren Drücken bestimmt durch die Differenz der Druckquadrate: dn r4 =c(p12-p . (5) dt 1 Hierin ist r der Radius der Kapillare und I deren Länge. Wenn der Drucks, im Meßraum während der Meßzeit hinreichend klein gegenüber dem Druck im Vorratsbehälter ist, so kann die Abweichung von einer Linearität sehr viel kleiner als 10/o sein, d. h., die durchströmende Gasmenge ist direkt proportional der Zeit.
  • Eine wichtige Forderung ist, daß zur Zeit der Messung sich auch bei sehr porösen Proben mit einer langsamen Gasaufnahme immer das physikalische Gleichgewicht eingestellt hat. Ein elektronischer Zeitschalter sorgt dafür, daß die Messung erst beendet wird, wenn kein Druckabfall am Meßpunkt nach Abschalten der Gaszufuhr mehr auftritt.
  • Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gerätes nach der Erfindung. Die Probe 1, deren Gewicht genau bekannt ist, befindet sich in einem Glasgefäß, das mittels flüssigen Stickstoffs auf einer konstanten niedrigen Temperatur gehalten wird. Das Gefäß steht mit einem Schenkel eines Kontaktmanometers 2 in Verbindung, der mit Quecksilber gefüllt ist. Sobald der Druck im Gefäß einen bestimmten Wert erreicht hat, kommt das Quecksilber im anderen Schenkel mit einem Kontakt7 in Berührung, wodurch ein nicht dargestellter elektrischer Stromkreis geschlossen wird, wodurch das Ende der Messung eingeleitet wird, indem eine weitere Zufuhr des Gases zu der Probe beendet wird. Das Gas, z. B.
  • Argon unter einem Druck von 763 Torr, strömt über ein Ventil und ein Kapillare 5, die einen Durchmesser von beispielsweise 0,1 mm und eine Länge von 6000 mm hat, zu. Der Druck im Ausgleichsbehälter wird mittels eines Manometers 3 gemessen und während der Messung konstant gehalten. Die Zeit zwischen der Öffnung der Ventile und dem Schließen des Stromkreises wird gemessen. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise ein Synchronmotor vorhanden, der einen Pulsgeber antreibt, und es werden die Impulse im erwähnten Zeitintervall in einem Zähler gezählt, wodurch eine digitale Ablesung ermöglicht wird. Sämtliche anderen erforderlichen Schaltvorgänge vor und während der Messung und das Schließen und Öffnen der Ventile zum Auspumpen, Ausheizen und das Einfüllen des Kältebades können vom gleichen Synchronmotor abgeleitet werden.
  • Die Gasleitungen werden über Magnetventile betätigt, und es sind Drosselstellen für die Gaszufuhr vorhanden, damit sich die Drücke langsam und genau einstellen können.
  • Das Gerät konnte so völlig automatisiert werden, zur Bedienung ist nur das Einfüllen der Probe erforderlich. Dieser Automatisierungsgrad ist bei keinem vorbekannten Gerät erreicht worden.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Gerät zur Bestimmung der Oberflächengröße feinteiliger Substanzen durch Adsorption von Edelgasen, bei dem die Probe der Substanz in einem evakuierten und auf eine bestimmte Temperatur gekühlten Gefäß untergebracht ist, zu dem eine der Zeit proportionale Menge eines Edelgases, vorzugsweise Argon, zugelassen wird; dadurch gekennzeichnet, daß ein Zählwerk vorhanden ist zur Messung der Gasmenge, die bis zur Einstellung eines Gleichgewichtsdruckes p/pOzwischen 0,3 bis 0,5 eingeströmt und adsorbiert worden ist und direkt die Oberflächengröße anzeigt.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Zeitschaltwerk und elektromagnetische Gasventile verwendet werden, derartig, daß das Auspumpen und Ausheizen der Probe, das Einfüllen des Kältebades und dessen Niveaukontrolle und der Ablauf der Messung selbsttätig nacheinander ablaufen.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mit einem elektronischen Zeitschalter ausgestattet ist, der, wenn der Druck innerhalb einer vorgegebenen Zeit nach Beendigung der Messung wieder absinkt, den Meßvorgang wieder einschaltet und dieses so lange wiederholt, bis in der vorgegebenen Zeit kein Druckabfall mehr auftritt.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2729 696; Vakuum, Vol. III, Nr. 3 (1953), S. 254 bis 278; Analytical Chemistry, 32, Nr.4 (1960), S.532/533.
DEN21953A 1962-08-11 1962-08-11 Geraet zur Bestimmung der Oberflaechengroesse feinteiliger Substanzen durch Gasadsorption Pending DE1202540B (de)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3732736A (en) * 1969-12-10 1973-05-15 Euratom System for adsorption measurement
US4566326A (en) * 1984-07-09 1986-01-28 Quantachrome Corporation Automatic volumetric sorption analyzer
US4762010A (en) * 1987-04-02 1988-08-09 Mobil Oil Corporation Apparatus and method for adsorption and desorption studies, particularly for characterization of catalysts
US5058442A (en) * 1989-02-15 1991-10-22 Gas Research Institute Apparatus for measuring liquid vapor adsorption and desorption characteristics of a sample

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2729696A (en) * 1955-06-29 1956-01-03 Gen Electric Three conductor rip cord

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2729696A (en) * 1955-06-29 1956-01-03 Gen Electric Three conductor rip cord

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3732736A (en) * 1969-12-10 1973-05-15 Euratom System for adsorption measurement
US4566326A (en) * 1984-07-09 1986-01-28 Quantachrome Corporation Automatic volumetric sorption analyzer
US4762010A (en) * 1987-04-02 1988-08-09 Mobil Oil Corporation Apparatus and method for adsorption and desorption studies, particularly for characterization of catalysts
US5058442A (en) * 1989-02-15 1991-10-22 Gas Research Institute Apparatus for measuring liquid vapor adsorption and desorption characteristics of a sample

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