全 文 ：低温泵用吸附剂吸附特性的实验研究
一 GH 一 O型椰子壳活性炭吸放气特性
东南大学 电子工程系 任家生
摘 要
木文通过低温 ( 18~ 2 2 K )、 低压 ( 0 1尸 “一 10 一 “ p a )下 H : 在 GH 一 O型椰子壳活性
炭上吸附等温线 、 吸附动力学特性和常温放气特性的实验研究 , 分析了吸附热随覆盖度
的变化 , 解得吸附平衡时间和扩散系数随低温表面 温度的变化 , 发现吸附等温线符合弗
利德利臀方程 .
引 言
低温抽气是 目前获得洁净高真空和超高
真空环境的一种快速而有效的抽气方法 。 随
着 20 K 时制冷量近 ` 1 0 瓦小型制冷机的发
展 , 制冷机低温泵得到迅速发展 , 近年来御
冷机低温泵在中小型真空系统中得到越来越
广泛的应用 。
众所周知 , 制冷机低温泵通常选用多孔
性活性炭作为吸附剂 , 用以提高泵对非凝性
气体的抽气能力 , 增加抽气容量 , 延长抽气
时间 , 降低极限压强 。 因此 , 研究非凝性气
体在活性炭上的吸附等温线 , 一 吸附动力学特
性和常温放气特性 , 以此来分析 、 研究在高
真空和超高真空条件下低温物理吸附的规律
及其影响这种吸附的种种 因素 , 特别是氢 。
因为氢是不锈钢系统在高真空与超高真空条
件下的主要出气成份 , 从而确定活性炭的选
用及在不同温度与压强范围内的使用条件 ,
这对制冷机低温泵的完善与发展都有重要的
意 义 。
活性炭的吸附机理
活性炭是一种无定形物质 , 它没有均匀
的结构 , 是一种多孔固态吸附剂 。 按照孔径
的大小 , 它可分为三类 : 即大孔 、 过渡孔及
微孔 。 大孔和过渡孔的曲率半径很大 , 它只
有在相对压力 ( P /尸: )超过 l 时 , 才会由于毛
细凝聚机理而发生容积充填 。 在低温 、 低压
下 , 活性炭的大孔和过渡孔只具有运输渠道
作用 , 使气体分子进人微孔 。 微孔的孔径小
于 15 入 , 吸附作用势的迭加现象较明显 。
活性炭对气体分子的吸附主要是物理吸
附 。 对于微孔发达的 G H一O 型活性炭来
说 , 起吸附作用的主要是大量的微孔表面 ,
所以活性炭对气体的吸附速率在很大程度上
决定于吸附分子在微孔中的扩散 。 在微孔内
气体分子与孔壁的碰撞频率超过分子间的碰
撞频率 , 这样气体分子与低温活性炭表面碰
撞后立即弹性反射到气相的分子数很少 。 相
反地分子通过扩散移动 , 使分子在活性炭表
面停留一定时间后 , 又从对各个方向都具有
相同几率返回气相 , 这意味着分子沿气流方
向的移动受到很大的抑制 , 因此 , 在细微孔
内吸附分子的表面扩散就变得十分重要 。 它
或则表现为分子在吸附表面上的二维移动 ,
或则表现为被能垒隔开的吸附中心之间的一
系列连续跃迁 。 在 20 K 左右 , H : 分子在
一 4 2 一
DOI : 10. 13385 /j . cnki . vacuum. 1988. 06. 008
GH 一 O活性炭 _卜的表面扩散率是较高的 ,
所以它对 H : 的抽速较大 。
比表面积 为 1 3 0 0 0 厘米 ” /克 。 压强为
一 1 0 一 3 P a 。
实验原理与方法
当一个中性粒子撞击吸附剂表面时 , 一
部分粒子被滞留在表面一定时间 , 另一部分
粒子立即反射进人气相 , 吸附平衡时 , 吸附
剂所吸附的气体量 n 。 与吸附剂上方的气相
压强 尸 及吸附剂所具有的温度 T , 这三者之
间是相互影响 , 相互制约的 。 它们的函数关
系为 :
n 。 = 了( p · T ) ( l )
式中 , J 为每克吸附剂所吸附的标准状态的
气体体积 (厘米 ” ·标准状态 /克 ) , 尸为气相
压强 ( P a) , 望 为低温表面的温度 ( K ) 。
为研究测量的方便 ,通常控制温度不变 ,
而测量吸附量 。 。 与压强 p 及平衡时间 t 的
关系 , 吸附等温方程为 :
n 。 = f( p ) ,
= 常数
物理吸附速率为
T > 30K
、
1 0
一 。
1 2 14 1右 1 7 f s 2 8 2 9
( a )
( a ) 低温表面温度对非凝性气体抽气的影响
熙引
a
n 。
= 3
.
5 火 1 0 2, K 刀 P ( 。 T ) 一 2 5 一 ’ c m 一 2
图 1 ( )I ) 低温表面温度对非凝性气体抽气 的影响
( 2 )
式中 K , 为凝聚系数 , 饥 为气体的分子量 ,
T 为表面温度 ( K ) 。
当选用的吸附剂表面温度在被抽气体的
沸点温度附近时 , 所产生的抽气 作 用 称 为
“ 吸附抽气 , 。 实验证明 , 当低温表面温度
低于 30 K 时 , G H一O 活性炭对非凝性气
体的 H : 和 H e 都具有一定的吸气能力如图
1 所示 。 因此 , 我们研究 H : 在 G H一O 型
活性炭上的吸附作用时 , 将吸附平衡温度选
在 H : 的沸点温度 ( 20 . 4 K ) 左右 , 即 1 8 ~
2 2 K
。 事实证明 , H : 在 20 K 左右的椰壳活
性炭上具有较大的迁移率 , 吸附过程在较短
的时间内达到平衡 。 实验方法采用小孔流量
法 。 测温用进 口温度计 , 吸附剂为北京光华
木材厂生产的 G H一O 型椰壳活性炭 , 它的
实验结果与分析
1
. 吸附等温线
图 2表明 , 当温度从 18 K 到 2 2K , 压
强为 10 “ “ ~ 1 0 “ 3 P a 时 , H Z 在 G H一 O 型
椰子壳活性炭上的吸附等温线较好地符合弗
利德利胃方程 , 即
感’ · ”
. 22 K
一 。 .呈
7
.
6 一 7
.
0
图 2
一
.6 0
一 5 .0
’ 珊汤
L O G P
L O G V一 L O G P 曲线图
一 4 3 一
1 09 几 。 二 o lg K 十
一二一 1 09 尸 (3 )
式中 n和 K 是与压强 、 温度 、 吸附质及吸附
剂有关的两个常数 , 其余同前 。
在上述条件下 , 测得 H : 的吸附容量为
7] 0( 舰 “ 标准气压 )/ 克 。
2
. 吸附热
为了确定低温吸附抽气设备的制冷量 ,
必须了解吸附热的大小 。 众所周知 , 在吸附过
程中 , . 吸附体系所放出的热量 一 d母 等于该体
系的焙变 d H ,根据克劳修斯一克拉贝龙方程
” 。 二 ” “ 一 2 · 30 3 “资给; 比 (会 )
( 4 )
式中 R 为气体普适常数 , 尸 : 与 尸 : 是温度
对应为 T : , T : 时的平衡压强 。
吸附热如图 3 所示 , 吸附热随吸附量的
增加而呈指数规律下降 。
式中 K ` : 二 N 。 P /甲 2二 m K 望 , N 。 为阿佛加
德罗数 , O 为覆盖度 , P 为压强 , K ` = N `
xe p ( 一 d H / R T ), N
, 为单位表面吸附的分
子总数 。 积分得
0 二 0 。 ( l 一 e
一 K `
) ( 6 )
式中 K = 3 . 5 2 x 1 0 2 , P ( N : , T犷 `
十 e x P ( 一 J H / R T )
从式 ( 6 )可以看出 , 要达到吸附平衡 ,
所需的时间是无限长的 。 但在实际工作中 ,
通常认为达到吸附平衡 l 肠时 , 就算达到了
真正的吸附平衡 , 此假定所造成 的 误 差极
小 , 此时 K t 二 6 . 9 , 因此 , 建立吸附平衡所
需时间 (用 几 表示 ) 为
6
.
9
_ 、 _ 二 。 , 。 尸
· ” 乙 x 工。 一 ~面石而面十
_ _ 了 J H 、
e x p气一 , 石万子 ,、 左杏上 l
在 10 一 “ ~ 10 一 ” P a 压强范围内测得 几 的平
均值列于表 1 。
裹 1
T ( K ) } 2 2 2 0 } 1 8
t . (分 ) } 2 1 6 . 7 } 2 3 2 . 9 } 2 4 1 . 1 } 2 6 0 . 7
1召
2 8 5
0芝勺工
从表 1可知 , G H 一O 活性炭对 H : 的
吸附平衡时间随着表面温度的降低 , 吸附平
衡时间增加 。
吕月10切加工
(踌斑、平àǎ公, Iè口!
20 60 l e 0 14 0 1即
V (互米 . 标准状态 /克 )
吸附热 (吸附 烩 ) 与吸附盆的曲 ·线 扩散系数 D
3
. 吸附平衡时间
根据吸附理论得知 : 低温表面的抽气速
率主要取决于吸附剂表面对气体的吸附 (或
冷凝 ) 速率和气体在吸附剂表面的迁移速率
以及向吸附剂内部的扩散速率 (表面扩散和
内部扩散 ) 。 对于非凝性气体 ( H : 、 H e 、 N e ) ,
其抽速取决于该气体在吸附剂孔隙中的扩散
速率 , 其净吸附速率为
一今严一 K al( 一 。卜 K刃 ( 5 )
活性炭内的吸附动力学平衡是相当复杂
的向题 。 平衡压强的建立主要取决于两个条
件 : 一是吸附剂表面的吸附速率 ; 二是吸附
质在活性炭微孔中的扩散速率 , 后者是最主
要的因素 。
计算吸附速率和建立吸附平 衡 所 需 时
间 , 均依赖于扩散系数 D 。 扩散系数 刀能反
映气体在吸附剂内的活跃程度 , 该值的大小
取决于吸附剂类型和表面温度 。 根据扩散方
程及其边界条件 ,解得滞留时间 t ` 二 ` 2 / 6 D 。
一 4 4 一
由前讨论得知 , 气体分子在活性炭微孔
壁上的漫反射与迁移都是随机的 , 即向微孔
内部或外部扩散的机会相 同 , 这又属于二维
运动情况 , 所以滞留时间 t ` 二 t . / 2 , 即 t 。 / 2
= d Z / 6 D
,
D = d Z / 3 t
二 。
另外 , 根据 1 9 6 2 年 T im o f e y e v 所著
一书中提到 刀 = K 。 d 2 1.矛 ’丽 - K , 为吸附齐蜘粒的形状系数 , 我们取 K , = 0 . 96 , d为
活性炭颗粒直径 , .0t 。 = t co / 2 。 我们用上述两
种方法解得扩散系数 D 均在 l 。 ’ 7 cm Z s/ 量
级 。 且随着低温表面温度的升高而增大 。
G H一O 型活性炭的常温放气特性
众所周知 ,低温吸附泵的极限压强 尸 。 =
/ T
。
_ 一 、 , 一 · · · ~ , , 一 , 一 一一 · . 一 一 ”、
/斋红尸 。 。 , p 。 , 为吸附剂在 T ,温度下的吸附丫 T 。 一 ` “ ’ 一 “ “ ` 砂 ~ ’ “ 了 , 资 一冲 ` 甘~ ~ , 川 ~ 一 I’ J
平衡压 , 但 P 。 , 的大小与活性炭及低温胶结
剂的饱和蒸汽压有关 。 通过常温测试 G H一
0 型活性炭胶结在无氧铜板上的放气速率均
在 l 。 “ 7 T o r .r L s/ . c m Z 量级范围内 。
几点结论
1
. 低温 ( 18一 2 2 K ) 、 低压 ( 1 0 一 “ ~
1 0 “ ” P a) 下 , H : 在 G H一 O 型椰子壳活性
炭的吸附是单分子吸附 , 吸附等温线符合弗
利德利晋方程 。 相应的吸附热最大约为 14 4。
卡 /靡尔 , 比 Z X 一 15 活性炭的最大吸附热
1 10 0 卡 /摩尔稍大 。 但对 H : 的最大吸附容
量几乎大一倍 , 达 ` 170 cm 3 (标准 ) / go
2
. 从吸附等温线可知 , 活性炭表面温
度越低 , 吸附容量越大 , 泵的工作温度一般
应低于 20 K , 最好工作在 15 K 左右 。
3
. 吸附平衡时 间 几 在 3 ~ 5 小时左
右 , 扩散系数 刀 = 10 一 7cm Z / 。 数量级 。
4
. 制冷机低温泵的最高工作温度不应
升·高到超过 30 K ,实验证明 , 当低温泵冷头温
度超过 3 0 K时 , 原来抽吸的非凝性气体分子
会大量解吸 , 使压强上升 , 破坏泵的工作 。
参 考 资 料
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新华化工厂翻译
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P u m p i n g o f H y d r o g e n a n d
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H e l i u m o f 2 0 K
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( 196 5 )
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〔10〕 V o l e h k a v i e h A . 1 . 壬I I G I-I
V A C U U M A D S O R P T I O N
P U M P S
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