[发明专利]零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置及方法

权利要求书

1.一种零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，包括气室系统、吸脱附系统和数据采集和处理系统，其特征在于，所述的吸脱附系统在载气流动方向上依次包括汽化室(11)、吸附脱附室(15、16)和检测室(17)，其中汽化室(11)为吸附质装料室，吸附脱附室(15、16)由并联的空白室(15)和测量室(16)组成，其中空白室(15)不装填吸附剂用于进行空白实验，测量室(16)装填多孔材料进行晶内扩散系数测量；所述的吸附脱附室(15、16)包括同轴的变径圆柱形腔体，载气沿轴向流动，腔体内包含两片叠合的圆形载片(31)，所述的载片(31)为多孔材料，载片(31)之间填充吸附剂层，载片(31)直径略小于大圆柱形腔体，装入大圆柱形腔体至变径处，另一端旋入内螺母(32)以螺纹方式紧固。

2.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的吸附脱附室(15、16)腔体两端通过外螺纹和螺母与输气管相连。

3.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的载片由直径较小的平面圆形底载片(42)和直径较大的平面圆盘状盖载片(41)组成，吸附剂装在底载片(42)表面，盖载片(41)与底载片(42)紧密相扣。

4.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述载片(31)采用多孔金属材料。

5.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的气室系统包括氮气源(1)，供应载气和吹扫气；载气和吹扫气通过三通阀(10)进行切换。

6.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的检测室(17)装有氢火焰离子检测器。

7.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的数据采集和处理系统包括放大器(19)和记录仪(20)，记录仪(20)采用计算机安装的数据采集在/离线工作站。

8.一种采用权利要求1所述的装置测定多孔材料晶内扩散系数的方法，包括如下步骤：(1).将准确称量的多孔材料平铺在载片(31)之间装入测量室(17)，紧固后形成薄层，并往汽化室(11)中装入吸附质；(2).打开气室系统气源，接通吸脱附系统以及数据采集和处理系统电源；(3).调节吸脱附系统设定温度至待测温度，打开检测室，将装置调节至吸附状态，依次对空白室(15)和测量室(16)测量，并开始数据采集；(4).待吸附稳定后，测量载气流速；(5).达到完全吸附后，将装置调节至脱附状态，待时间响应曲线纵坐标归零或趋于零且为稳定直线即表示脱附完全；(6).在数据采集和处理系统上得到时间-电压响应数据，将时间-电压响应数据进行归一化处理，并利用MATLAB建立数学模型求出测得的晶内扩散系数值。

9.根据权利要求8所述的测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的步骤(6)的方法包括以下具体步骤：

(1)对时间-电压响应数据归一化处理：以脱附分离突变点时间点为0时刻点，将电压数据进行归一化处理，处理公式如下：

其中X₀为0时刻点时的电压值，X₁为脱附结束时刻的电压值，X_m为每一时刻点的电压值，上述电压值单位均为mV；

(2)归一化完成后，选取30-50组数据导入MATLAB程序中，采用非线性最小二乘拟合对式(1)-式(3)进行参数拟合；

其中流出物相对浓度，即步骤(1)中的X；D为晶内扩散系数；

β_n由下列方程所确定：

β_ncotβ_n+L-1＝0#(2)

L则由下式确定：

其中F为载气流速，mL/min；K为亨利系数，无量纲；V_s为吸附剂体积，m³；R为吸附剂粒径，m；

将扩散时间系数和L作为拟合参数，给定和L的初值，将L代入式(2)求得一系列的β₁、β₂、…、βn，再将实验数据t及L和β₁、β₂、…、βn代入式(1)，利用lsqcurvefit函数进行参数拟合，得到扩散时间常数和L值；

(3)将所得扩散时间常数和L值以及实验数据t回代入式(1)中求出相对浓度的拟合值，分别作出相对浓度实验值和拟合值对时间t的曲线图，检验拟合曲线对实验曲线的拟合程度，直到满足设定的标准。