幾種組合吸附劑的吸氫等溫線的測定及分析

　　真空絕熱儲罐中吸附劑對于獲得并保持夾層在低溫下的真空度具有重要的作用。夾層的真空壽命很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量及其作用能否充分發(fā)揮 。國內(nèi)外的大量測試表明 ,金屬材料及多層絕熱材料在100℃以上熱環(huán)境中真空放氣一段時間后,其放氣組份中H2占70%以上。低溫絕熱容器常用5A分子篩或活性碳作為夾層的吸附劑。但是在液氮溫度下它們對氫氣的吸附量很小,不能滿足實際應(yīng)用的需要。因此,H₂氣是引起真空絕熱儲罐夾層真空度下降的主要原因。若不使用專門的吸氣劑吸氫的話,設(shè)計的真空壽命無法滿足。而且單獨使用物理吸附劑還存在以下的問題:

　　(1) 真空解析除濕時至少需要加溫至150℃～200℃,額外消耗能量;

　　(2) 低溫容器經(jīng)常在常溫與低溫交變中使用,因此吸附劑也常處在常溫及低溫的變化狀態(tài)。吸附劑在降溫時吸附氣體,放出吸附熱,低溫液體的蒸發(fā)損失增大;相反,升溫時,吸收能量而使氣體脫附,造成額外的能量損失。

　　另外,基于鋯的非蒸散型吸氣劑廣泛應(yīng)用于高真空的場合,但是由于它受限制的吸附能力和需要加熱到300℃以上的高溫活化,這些吸氣劑不能應(yīng)用到高真空多層絕熱儲罐中 。為此,真空技術(shù)網(wǎng)的另外篇文章提出了用組合化學(xué)吸氣劑代替物理吸附劑,以解決上面的問題,同時也提到液氧容器不能用活性碳作為吸附劑,液氫容器不能用一氧化鈀作為吸氣劑,否則會存在爆炸的危險。關(guān)于對H2的吸附,過渡金屬氧化物在這方面具有獨特的優(yōu)點。很多學(xué)者提出了用PdO來吸附。它是一種優(yōu)質(zhì)的吸氣劑,其吸氫過程較復(fù)雜,既有化學(xué)反應(yīng)又存在吸附。但是他們只是簡單地提了一下,與之配套的吸附劑的選用、PdO的用量等大多采用經(jīng)驗,半經(jīng)驗的設(shè)計方法。

　　經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),有的公司在175l的氣瓶中使用了1g吸氣劑,而另一公司在相同的瓶子中卻僅僅使用了0.75g的吸氣劑。盡管使用量減少了,但是也能達到同樣的效果,節(jié)省了開支。表征吸氣劑吸氣性能的特征參數(shù)主要有吸氣速率和吸氣量 。吸氫等溫線全面反映了組合吸附劑在真空夾層條件下的吸氫特性,利用它可以對吸附劑在真空夾層中的吸附作用進行定量分析與計算。因此,測定組合吸附劑在低壓常溫下的吸氫等溫線,并總結(jié)出各種組合吸附劑在一定應(yīng)用范圍內(nèi)的吸氫等溫方程式,尋找新型組合吸附劑,為我國低溫吸附的設(shè)計應(yīng)用提供依據(jù),具有十分重要的意義。

　　本文使用的組合吸附劑是由5A分子篩和不同比例的PdO和Ag2O組成的。測定了它們在低壓常溫下的吸氫等溫線,并對不同的放置方式進行了比較。對所測吸氫等溫線進行了詳細的分析,擬合出一定應(yīng)用范圍內(nèi)的吸氫等溫方程式。

1、實驗裝置及步驟

1.1、實驗裝置

　　測試采用定容法,實驗裝置如圖1所示,主要由下面幾部分組成:1-吸氣劑,2-托盤,3-5A分子篩,4-復(fù)合真空計,5-絕熱材料,6-真空夾層,7-儲罐,8-電阻規(guī),9-電離規(guī),10-真空閥,11-標(biāo)定容器,12-真空機組,13-氫氣瓶,14-氫氣減壓器,15-計算機

　　(1) 真空多層絕熱儲罐:用于貯存被測試的組合吸附劑,它由內(nèi)外筒體構(gòu)成,筒體材料是0Cr18Ni9,外筒體的尺寸是Ф300 ×2mm, 內(nèi)筒體是Ф200×2mm ,內(nèi)筒體的直筒段長度是750mm,上下都是EHA橢圓形封頭;外筒體直筒段長度是1041mm ,它的下封頭也是EHA 橢圓形的,上封頭卻是平板形的。

　　(2) 氫氣瓶:含氫量≥99.999 %的高純氫氣,氫氣質(zhì)量符合GB/ T74552-995 的規(guī)定。

　　(3) 標(biāo)定容器:它有三個端口,分別連接真空機組、氫氣瓶和儲罐,用于測定被吸附的氣體量。

　　(4) 真空機組:包括前級泵和分子泵,主要用來對儲罐和標(biāo)定容器進行抽真空。另外,控制標(biāo)定容器的真空度數(shù)值。

　　(5) 測量系統(tǒng):包括一個智能大氣壓力計和兩個復(fù)合真空計ZDF-5227。

1.2、實驗步驟

　　實驗前,將5A分子篩和吸氣劑放到儲罐夾層空間的指定位置處,并對5A分子篩進行加熱干燥處理。加熱溫度≤150℃, 連續(xù)加熱時間不少于24h,以除去分子篩在放置過程中所吸附的H₂O。在分子篩加熱干燥處理的同時,儲罐夾層空間由真空機組抽真空,在常溫下真空度抽到大約1 ×10^{- 2}Pa 。然后用氦質(zhì)譜儀進行檢漏,確認整個實驗系統(tǒng)漏率在許可的范圍之內(nèi)進行實驗。實驗的具體步驟如下:

　　(1) 利用智能大氣壓力計記錄環(huán)境溫度和壓力;

　　(2) 對標(biāo)定容器抽真空,抽好真空后,使氫氣通過減壓器進入標(biāo)定容器,當(dāng)標(biāo)定容器的壓力值達到規(guī)定的壓力后,關(guān)閉減壓器的閥門,記下此時標(biāo)定容器的壓力;

　　(3) 使標(biāo)定容器與儲罐連通,開始進行吸附。連通前記下儲罐的本底真空度。當(dāng)儲罐達到指定的壓力后,關(guān)閉標(biāo)定容器與儲罐之間的真空閥門,記下壓力值;

　　(4) 測定和記錄儲罐夾層空間壓力的變化,直至吸附平衡時間達到2h為止。取這2h達到的壓力為平衡壓力;

　　(5) 在室溫下,通過不斷向儲罐夾層空間通入不同壓力的氫氣來研究組合吸附劑的吸氫性能。重復(fù)步驟(2)、(3)和(4),即可得到室溫下的吸氫等溫線。