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Adsorbentien

Dynamische Methode zur Oberflächenbestimmung

Eine einfach zu detektierende Größe ist die Gaskonzentration. Wenn zum Zeitpunkt null ein Gasstrom, der einen bestimmten Partialdruck des zu adsorbierenden Gases enthält, über eine Probe geleitet wird, wird die Konzentration dieses Gases am Detektor kontinuierlich ansteigen, bis am Detektor die gleiche Konzentration gemessen wird, wie am Eingang. Die fehlende Menge des adsorbierbaren Gases ist die adsorbierte Menge. Diese berechnet sich als Integral der zeitlichen Konzentration multipliziert mit der Gasgeschwindigkeit. Indem der Versuch bei verschiedenen Partialdrücken durchgeführt wird, enthält man die BET-Isotherme. Die Oberfläche wird dann analog zur Gasadsorptionsmethode bestimmt.

Abb.1
Apparatur zur dynamischen Bestimmung der spezifischen Oberfläche

Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung der Messapparatur. Als Adsorptiv dient Stickstoff, als Trägergas Helium (Edelgase werden von den meisten Feststoffen kaum adsorbiert). Die Stickstoffkonzentration wird mittels eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors (WLD) aufgezeichnet.

Die Probe wird vor dem Einbringen in den Probenbehälter sorgfältig entgast und durch ein Kältebad auf 77 K temperiert. Der Adsorptivstrom wird durch das Durchströmen einer Kühlfalle gründlich getrocknet.

Das Adsorptivgas durchströmt zunächst die Referenzzelle des WLD. Nach dem Durchströmen der Probe wird die Wärmeleitfähigkeit des austretenden Gases in der Messzelle des WLD bestimmt. Aus dem Vergleich zwischen Referenz- und Messzelle ergibt sich die Abnahme der Stickstoffkonzentration im Gasstrom, die durch Adsorption hervorgerufen wird.

Es ergibt sich ein negatives Messsignal.

Die Fläche des Peaks ist proportional zur adsorbierten Menge an Stickstoff bei dem Partialdruck des Stickstoffs in dem Stickstoff-Helium-Gemisch. Der Stickstoff-Partialdruck kann durch die Wahl eines entsprechenden Stickstoff-Helium-Gemischs verändert werden.

Abb.2
Messsignal der Adsorption bzw. Desorption

Die Kalibrierung der Peakflächen kann durch die Verwendung einer Reihe verschiedener genau bekannter Stickstoffvolumina leicht durchgeführt werden. Hierzu wird jeweils unter Umgehung der Probe eine bestimmte Menge Stickstoff in den Gasstrom eingespeist und das resultierende Signal aufgezeichnet.

Nach Entfernung des Stickstoff-Kältebads kann in analoger Weise die Desorption aufgezeichnet werden, wobei diesmal ein positives Signal resultiert.

Durch die Wiederholung dieser Adsorptions-Desorptionssequenz bei verschiedenen Stickstoff-Partialdrücken erhält man in kurzer Zeit die notwendigen Daten zum Erstellen einer Adsorptionsisotherme und damit zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche der Probe.

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