粉体测试技术及仪器解析.docx

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粉体测试技术及仪器解析

第六章  粉体测试技术及仪器

内容 :

6.1  粉体浓度测试方法;6.2  粉体粒度测试技术及其应用 ;6.3  比表面积测量   

6.1  粉体浓度测试方法 

粉体浓度通常是指在流体流动过程中一定的容积下粉体的质量。

  气体含尘量的基本测量就是在悬浮气流中取得颗粒物试样进行称量。

  “等速取样”就是满足在等速条件下气流没有扰动而且所有颗粒并且只有这些颗粒进入取样嘴的准则。

取样点应选在节流部位的下游6倍直径以上的地方或上游3倍直径以上的地方。

取样点应选择在沉降室、收尘器以及可能沉集大颗粒的长水平管道的出口端，  否则应测定这些收尘装置中收到的粉尘并从测定值中扣除。

一、等速取样

二、滤纸光散射法 

通过抽滤烟气中飘尘，测量清洁滤纸变脏或变黑引起的透光度改变，求得粉体浓度。

三、粉体浓度测量的其他方法 

1.电容探头浓度测量技术

2. 光纤探头浓度测量技术

3.光透射法浓度测量 

 6.2   粉体粒度测试技术及其应用 

1. 显微镜法（microscopic method）  

是将粒子放在显微镜下，根据投影像测得粒径的方法，主要测定几何粒径。

 光学显微镜可以测定微米级的粒径，电子显微镜可以测定纳米级的粒径。

测定时应避免粒子间的重叠，以免产生测定的误差。

 主要测定以个数、面积为基准的粒度分布。

2. 库尔特计数法（coulter counter method） 

将粒子群混悬于电解质溶液中，隔壁上设有一个细孔，孔两侧各有电极，电极间有一定电压，当粒子通过细孔时，粒子容积排除孔内电解质而电阻发生改变。

 利用电阻与粒子的体积成正比的关系将电信号换算成粒径，以测定粒径与其分布。

测得的是等体积球当量径，粒径分布以个数或体积为基准。

 混悬剂、乳剂、脂质体、粉末药物等可以用本法测定。

3. 沉降法（sedimentation  method） 

是液相中混悬的粒子在重力场中恒速沉降时，根据Stocks方程求出粒径的方法。

Stocks方程适用于100μm以下的粒径的测定，常用Andreasen吸管法。

测得的粒径分布是以重量为基准的。

Stocks径的测定方法还有离心法、比浊法、沉淀天平法、光扫描快速粒度测定法等。

4. 比表面积法（specific surface area method） 

是利用粉体的比表面积随粒径的减少而迅速增加的原理，通过粉体层中比表面积的信息与粒径的关系求得平均粒径的方法。

可测定100μm的粒子，但不能测定粒度分布。

5. 筛分法（sieving  method） 

应用最广的测量方法。

常用的测定范围在45μm以上。

方法：

将筛子由粗到细按筛号顺序上下排列，将一定量粉体样品置于最上层中，振动一定时间，称量各个筛号上的粉体重量，求得各筛号上的不同粒径重量百分数，获得以重量为基准的筛分粒径分布及平均粒径。

筛号与筛号尺寸：

筛号常用“目”表示。

“目”系指在筛面的25.4mm（1英寸）长度上开有的孔数。

如开有30个孔，称30目筛，孔径大小是24.5mm/30再减去筛绳的直径。

所用筛绳的直径不同，筛孔大小也不同。

因此必须注明筛孔尺寸。

各国的标准筛号及筛孔尺寸有所不同，中国药典在R40/3系列规定了药筛的九个筛号。

一、筛分粒度测试 

套筛 

目：

是孔距直径及数目的意思，是指每平方英吋筛网上的空眼数目  颗粒形状很复杂，通常有筛分粒度、沉降粒度、等效体积粒度、等效表面积粒度等表示方法。

筛分粒度就是颗粒可以通过筛网的筛孔尺寸，以1英寸（25.4mm）宽度的筛网内的筛孔数表示，因而称之为“目数”。

目前国际上用等效体积颗粒的计算直径来表示粒径。

以μm或mm表示。

二、沉降粒度测试

基本沉降分析依据斯托克斯沉降定律进行定量测量，所测颗粒粒径为与颗粒具有相同沉降速度，同种材质球形颗粒的直径，又称为斯托克斯直径或等效阻力直径。

重力沉降分析  

离心沉降分析  

2.  光透法 

6.3  比表面积测量 

一、比表面积 

所有颗粒的总表面积与其质量或体积之比，称为颗粒的比表面积S。

可以根据S值的大小来比较同一种颗粒或粉料的大小程度。

 颗粒比表面积测定方法的原理是基于以下关系：

S与近于常压下的空气或高真空的负压空气通过粉料层时空气渗透量的关系； S与粉料粒子表面吸附气体单分子层的关系； S与粉料粒度的换算关系。

二、气体透过法测量比表面积 

用流体透过粉体层的流通速度或压差来测量定量粉体的表面积，根据理论模型计算出颗粒的比表面积。

Blaine（勃氏）定容透气测定 

通过测定一定容积的气体通过粉末层的时间来测定颗粒的比表面积。

三、 氮吸附法测量比表面积 

低温氮吸附法是比表面积测量的标准方法  

气体分子进入固体表面力场，由于相互作用而被吸附。

  吸附量与压强间关系称为吸附等温线，有五种类型 

（Ⅰ）在2.5nm以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。

例如78K时N2在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。

（Ⅱ）常称为S型等温线。

吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸附。

在比压接近1时，发生毛细管和孔凝现象。

（Ⅲ）这种类型较少见。

当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线  

（Ⅳ）多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种等温线。

在比压较高时，有毛细凝聚现象。

（Ⅴ）发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。

 1. 吸附函数BET（Brunauer，Emmett，Teller）公式 任何气体与固体间都能发生物理吸附  范德华引力  

越易液化的气体越容易被吸附  

固体表面吸附了一个分子后，由于表面引力场的影响以及被吸附分子与气体分子间也有引力，其上面仍可再吸附一个吸附质分子 ---多分子层吸附  

从测量的角度看，测量表面积需要测量出颗粒表面吸附的单层吸附剂的数量即可。

最常用的是BET公式，它描述了一定状态下吸附总量与单层吸附量的关系。

Basic assumption  

Adsorption is multilayer. 

Surface is uniform and there is not interacting force among the molecules adsorbed.   adsorption heat above the first layer are the same and equal to the condensed heat of gas. 

BET吸附二常数公式  

式中两个常数为c和Vm，c是与吸附热有关的常数，Vm为铺满单分子层所需气体的体积。

p和V分别为吸附时的压力和体积，ps是实验温度下吸附质的饱和蒸汽压。

为了使用方便，将二常数公式改写为：

 测出多个吸附点V-p，用实验数据 

  得一条直线 

从直线的斜率和截距可计算两个常数值c和Vm，从Vm可以计算吸附剂的比表面 

Am是吸附质分子的截面积  L--阿伏伽得罗常数  

比压一般控制在0.05-0.35之间 比压太低，建立不起多分子层物理吸附 比压过高，容易发生毛细凝聚，使结果偏高 

如果吸附层不是无限的，而是有一定的限制，例如在吸附剂孔道内，至多只能吸附n层，则BET公式修正为三常数公式：

比压在0.35-0.60 

若n =1，为单分子层吸附,上式可以简化为 Langmuir公式 若n =∞，（p/ps）∞→0，上式可转化为二常数公式。

凡孔截面尺寸约大于50nm的称为大孔（macropore）；约在9～50nm范围的称为中孔（mesopore）；约小于2nm的称为微孔（mlcropore）。

2.  吸附法比表面积测量 

测量比表面的气体吸附法绝大多数是测量吸附等温线  

对通常在液氮浴沸点温度即77.K进行的氮气吸附，Am取16.2×10-20m2。

当

Vm取cm3时，上式写为 S＝4.35 Vm    （m2） 

比表面积测量中最常用的方法为单点BET静态容量法和流动色谱法。

 使用BET公式测量表面积，测出多个吸附点V～p， 

其直线区就是符合BET公式的范围。

由斜率a与截距 b可算出b

（1）BET单点法 

BET图的直线截距很小，可忽略不计   b

只需测量一个吸附点V和p  

（1）单点及多点BET比表面积测定，并可测定吸附常数C 值 

（2）直接对比法比表面积快速测定  

（3）Langmuir比表面积测定 

α实际上是氮在室温、压力为p2条件下的压缩因子与其在低温浴温度、同样压力下的压缩因子之比。

（2）动态色谱法 

吸附平衡时相对压强p/p0，数值可由混合气流速u1 

与吸附气流速Un的流速比确定：

 由相对压强各点得到的V和p/p0

作BET图，即可求出样品的比表面积。

常用脱附峰和标定降的面积比较，以计算吸附量

与静态气体吸附法比较，热解析色谱法的优点是明显的：

①比表面积测量范围宽。

②测量快速，如单点测量仅需半小时。

③系统不再需要高真空；不再使用易碎和复杂的玻璃管系统；不再接触有毒物质汞。

④参数自动记录，操作简单。