DIN 66138-2008 Isothermal measurement of the sorption of vapours at solids《固体蒸气吸附的等温测量》.pdf

1、September 2008DEUTSCHE NORM Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DINPreisgruppe 12DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 07.030; 91.100.01!$PE|“1453489www.din.deDDIN

2、66138Isotherme Messung der Sorption von Dmpfen an FeststoffenIsothermal measurement of the sorption of vapours at solidsMesure isotherme de sorption de vapeur aux solidesAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 24 SeitenDIN 66138:2008-09 2 Inhalt Seite

3、Vorwort . 3 1 Anwendungsbereich 3 2 Normative Verweisungen. 3 3 Begriffe, Symbole und Einheiten 4 4 Kurzbeschreibung 5 5 Probenvorbereitung 6 6 Herstellung und Zuleitung des Dampfes 6 7 Messverfahren. 6 7.1 Allgemeines. 6 7.2 Exsikkatorverfahren . 7 7.3 Gravimetrische Sorptionsmessung 7 7.4 Volumetr

4、ische Sorptionsmessung . 7 8 Auswertung . 8 9 Analysenbericht 10 Anhang A (informativ) Vorbehandlungsverfahren: Entfernung von Wasser und anderen flchtigen Bestandteilen aus der Probe. 11 Anhang B (informativ) Thermische Gasstrmungen 14 Anhang C (informativ) Auftriebskorrektur . 15 Anhang D (informa

5、tiv) Verkrzung der Messzeit 19 Anhang E (informativ) Stoffwerte fr Dmpfe . 21 Literaturhinweise . 23 Bilder Bild D.1 Messwerte der spezifischen adsorbierten Masse ma(t) und berechnete Kurve entsprechend Gleichung (D.4) 20 Tabellen Tabelle 1 Symbole und Einheiten 4 Tabelle E.1 Empfohlene Werte fr den

6、 Flchenbedarf eines Adsorbatmolekls.21 Tabelle E.2 Empfohlene Werte fr die Dichte des flssigen Adsorptivs (Flssigdichte)21 DIN 66138:2008-09 3 Vorwort Diese Norm wurde vom Arbeitsausschuss NA 005-11-43 AA Partikelmesstechnik; Porositts- und Ober-flchenmessverfahren“ des Normenausschusses Bauwesen er

7、arbeitet. 1 Anwendungsbereich Diese Norm gilt fr die Messung der isothermen Aufnahme und Abgabe eines aus einer Komponente bestehenden Dampfes an einem Feststoff. Dampf ist in dieser Norm die bei der jeweiligen Messtemperatur gasfrmige Phase einer im thermodynamischen Standardzustand (298 K, 101 325

8、 Pa) kondensierten Verbin-dung. Die Norm ist nicht anwendbar auf Feststoffe, die mit den flchtigen Bestandteilen eine Lsung bilden oder sich zersetzen. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur

9、die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 1343, Referenzzustand, Normzustand, Normvolumen Begriffe und Werte DIN 51005, Thermische Analyse (TA) Begriffe DIN 51006, Thermische Analyse (TA

10、) Thermogravimetrie (TG) Grundlagen DIN 51701-1, Prfung fester Brennstoffe Probenahme und Probenvorbereitung Teil 1: Begriffe DIN 51701-2, Prfung fester Brennstoffe Probenahme und Probenvorbereitung Teil 2: Durchfhrung der Probenahme DIN 53803-2, Probenahme Teil 2: Praktische Durchfhrung DIN 66134,

11、Bestimmung der Porengrenverteilung und der spezifischen Oberflche mesoporser Feststoffe durch Stickstoffsorption Verfahren nach Barrett, Joyner und Halenda (BJH) DIN 66137-1, Bestimmung der Dichte fester Stoffe Teil 1: Grundlagen DIN 66137-2, Bestimmung der Dichte fester Stoffe Teil 2: Gaspyknometri

12、e DIN 66137-3, Bestimmung der Dichte fester Stoffe Teil 3: Gasauftriebsverfahren DIN 66160, Messen disperser Systeme Begriffe DIN 66161, Partikelgrenanalyse Formelzeichen, Einheiten DIN ISO 9277:2003-05, Bestimmung der spezifischen Oberflche von Feststoffen durch Gasadsorption nach dem BET-Verfahren

13、 (ISO 9277:1995) DIN EN ISO 12571, Wrme- und feuchtetechnisches Verhalten von Baustoffen und Bauprodukten Bestimmung der hygroskopischen Sorptionseigenschaften ISO 8213, Chemical products for industrial use Sampling techniques Solid chemical products in the form of particles varying from powders to

14、coarse lumps DIN 66138:2008-09 4 3 Begriffe, Symbole und Einheiten Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 66160 und DIN 51005. Tabelle 1 Symbole und Einheiten Symbol Benennung SI-Einheit amFlchenbedarf eines Adsorbatmolekls in einer vollstndigen Monoschicht m2asspezifische Ob

15、erflche m2kg1B(T) 2. Virialkoeffizient Pa1C(T) 3. Virialkoeffizient Pa2J(t) Jntti-Funktion kg NAAvogadro-Konstante (= 6,022 1023) Mol1M Molmasse kgmol1MaMolmasse des Adsorptivs kgmol1maadsorbierte Masse kg masAsymptotischer Gleichgewichtswert der adsorbierten Masse kg msProbenmasse kg ma/msspezifisc

16、he Adsorbatmasse 1 = kgkg1naspezifische Adsorbatmenge molkg1nmspezifische Monoschichtkapazitt des Adsorbats molkg1p Gasdruck Pa p0Sttigungsdampfdruck des Adsorptivs Pa pr= p/p0Relativdruck des Adsorptivs 1 = PaPa1pnNormdruck nach DIN 1343 (= 101 325) Pa R Universelle Gaskonstante (= 8,314) J K1mol1(

17、p) Dichte eines Gases in Abhngigkeit vom Gasdruck p kgm3*(pi) Inertgas-Dichte beim Druck pikgm3DIN 66138:2008-09 5 Tabelle 1 (fortgesetzt) Symbol Benennung SI-Einheit aDichte des Adsorbats (bei Messtemperatur) kgm3g(p) Dichte des gasfrmigen Adsorptivs beim Druck p kgm3G(T) Trgergasdichte in einer gr

18、avimetrischen Adsorptionsapparatur kgm3lDichte des flssigen Adsorptivs (bei Messtemperatur) kgm3sDichte der Feststoffprobe kgm3T Temperatur K TnNormtemperatur nach DIN 1343 (= 273,15) K t Zeit s V1dosiertes Dampfvolumen bei Temperatur T1und Druck p1m3Vaspezifisches adsorbiertes Gasvolumen m3kg1VP,ma

19、xspezifisches Porenvolumen nach Gurwitsch m3kg1VpAdsorbatvolumen m3VsProbenvolumen m3VnGasvolumen im Normzustand nach DIN 1343 (Normvolumen) m3VWVolumen des Probengefes und der Waagenbauteile m3W(0) Anzeige der Mikrowaage bei eingebauter vorbehandelter Probe im Vakuum kg W0(0) Anzeige der Mikrowaage

20、 ohne Probe im Vakuum kg W(pi) Anzeige der Mikrowaage mit eingebauter Probe beim Druck pides Messgases (Adsorptivs) kg W*(pi) Anzeige der Mikrowaage beim Inertgasdruck pi(Leermessung bzw. Auftriebsmessung mit Probe) kg Z(p,T) Realgasfaktor, auch als Kompressibilittsfaktor bezeichnet 1 ANMERKUNG Fr d

21、ie Angabe von Stoffdaten und Analysenergebnissen (siehe Abschnitt 9) ist auch die Verwendung von abgeleiteten SI-Einheiten wie z. B. g, cm3oder kPa zulssig. 4 Kurzbeschreibung Das Verfahren beruht auf der Bestimmung der Menge des von der Feststoffprobe bei konstanter Temperatur aufgenommenen oder ab

22、gegebenen Dampfes. Diese Dampfmenge wird mit einer Waage direkt gemessen oder aus Volumen, Druck und Temperatur im Probengef mit Hilfe einer Zustandsgleichung fr den verwendeten Dampf bestimmt. Es wird isotherm bei steigendem oder fallendem Adsorptivdruck gemessen. DIN 66138:2008-09 6 5 Probenvorber

23、eitung Die Probenahme erfolgt in Abhngigkeit vom Material nach DIN 51701-1 und DIN 51701-2, DIN 53803-2 oder ISO 8213. In Abhngigkeit von der konkreten Aufgabenstellung ist die Probe vor der Adsorptionsmessung zu trocknen, um sie von flchtigen Bestandteilen zu befreien oder in einen definierten Feuc

24、htezustand zu bringen. Als Probenfeuchte wird in dieser Norm die Menge des adsorbierten Dampfes unabhngig von seiner Art bezeichnet, d. h. unter Feuchte ist hier auch die Menge von adsorbierten organischen Dmpfen wie z. B. Methanol oder Hexan zu verstehen. Irreversible Vernderungen der Probe sind zu

25、 vermeiden. Die Entgasung der Probe kann bei erhhter Temperatur in einem trockenen Gasstrom oder im Vakuum erfolgen. Zur Entgasung im Vakuum reicht in der Regel ein Enddruck von 1 Pa aus. Die hchste Temperatur, bei der sich das Probenmaterial nicht verndert, kann thermogravimetrisch nach DIN 51006 o

26、der durch wiederholtes Messen nach vorheriger Probenvorbereitung bei unterschiedlichen Entgasungstemperaturen und -zeiten ermittelt werden. Eine definierte Probenfeuchte kann statisch durch die Lagerung unter vorgegebenen und konstanten Feuchtebedingungen (Atmosphre mit konstanter relativer Feuchte)

27、 oder dynamisch mittels eines befeuchteten Gasstromes konstanter und genau bekannter relativer Feuchte erzeugt werden. Durch die Vorbehandlung muss ein Zustand der Probe erreicht werden, der im Rahmen der zur Verfgung stehenden Messgenauigkeit als Gleichgewicht angesehen werden kann. 6 Herstellung u

28、nd Zuleitung des Dampfes Strende Fremdgase in der Apparatur sind durch Evakuieren oder Splen mit Inertgasen wie z. B. Argon oder Stickstoff zu entfernen. Die Einstellung des Dampfdrucks im Probenraum kann auf verschiedene Weise erfolgen: Eine Mglichkeit ist die Verbindung des zunchst evakuierten Pro

29、benraums mit einer regelbaren Dampfquelle. Dies kann ein temperaturgeregeltes Reservoir sein, in dem sich die Messflssigkeit bzw. das entsprechende Eis befinden. Fremdgase sind zuvor aus der Messflssigkeit durch Evakuieren zu entfernen, sodass der berstehende Dampf rein ist. Eine weitere experimente

30、lle Variante besteht in der Zufuhr von befeuchtetem Trgergas. Die Einstellung der relativen Feuchte erfolgt vorzugsweise ber die Mischung eines trockenen Trgergasstromes mit einem gesttigten Dampfstrom, gesteuert ber Massenflussregler. Im Falle der Adsorption von Wasserdampf knnen definierte Dampfdr

31、cke ber gesttigten Salzlsungen eingestellt werden (siehe 1 und 2). Es knnen auch ungesttigte Salzlsungen eingesetzt werden 3, bei denen aber die Konzentrationsnderung whrend des Adsorptionsvorganges bercksichtigt werden muss. Definierte Wasserdampfdrcke lassen sich auch ber Schwefelsure unterschiedl

32、icher Konzentra-tion einstellen 3. Hierbei ist die korrosive Wirkung der Schwefelsure zu beachten. 7 Messverfahren 7.1 Allgemeines Der Dampfdruck ber der Feststoffprobe wird bei konstanter Temperatur schrittweise oder kontinuierlich verndert. Die Zeit bis zur Gleichgewichtseinstellung kann mehrere M

33、inuten bis mehrere Wochen betragen. Die Sorbatmenge wird gravimetrisch oder volumetrisch ermittelt. DIN 66138:2008-09 7 7.2 Exsikkatorverfahren Die Proben werden in geeignete Wgegefe (Glser, Schalen, Drahtkrbchen) eingewogen und in einen Exsikkator oder eine Klimakammer eingebracht. Nur Proben mit g

34、leicher Vorbehandlung knnen gleichzeitig gemessen werden. Der Exsikkator ist auf konstanter Temperatur zu halten, und es wird ein konstanter Dampfpartialdruck, z. B. eine bestimmte relative Feuchte, eingestellt. Die Masse des sorbierten Dampfes wird gravimetrisch bestimmt. Dazu werden die Proben per

35、iodisch dem Exsikkator entnommen, abgedeckt und gewogen. Bei Erreichen einer konstanten Masse oder einer festgeleg-ten Massenderung je Wgeperiode wird der Versuch fr diese relative Feuchte beendet. Beim Intervallver-fahren wird eine Probe schrittweise zunehmenden oder abnehmenden Dampfpartialdrcken

36、im Exsikkator ausgesetzt. Beim Integralverfahren werden mehrere Teilmengen ein- und derselben Probe zeitgleich verschiedenen Dampfpartialdrcken ausgesetzt. 7.3 Gravimetrische Sorptionsmessung Eine gravimetrische Sorptionsapparatur besteht aus einer Waage, einer thermostatisierten Probenkammer zur Ei

37、nstellung einer konstanten Temperatur der Probe und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines kontrolliert vernderbaren Dampfdrucks. Die Adsorbatmasse wird durch kontinuierliche Wgung in Abhngigkeit vom Dampfpartialdruck ermittelt. Um zu verhindern, dass Kondensation an den beweglichen Teilen der Waage

38、(Waagebalken, Aufhngung der Wgeschlchen usw.) auftritt, sind diese Teile auf gleicher oder hherer Temperatur als der Messtemperatur zu halten oder mit einem trockenen Gasstrom zu splen. Durch Wgung kann nur die Summe aus Masse bzw. Massenderung und Auftrieb gemessen werden. Vor der Messung ist desha

39、lb ein Messvorgang ohne Probe oder mit einer nichtadsorbierenden Probe zur Ermittlung der Auftriebskorrektur des Wgesystems durchzufhren. Zur rechnerischen Bercksichtigung des Auftriebs durch das Probenmaterial wird das Volumen der Probe bentigt, das aus der Probenmasse und der Feststoffdichte des P

40、robenmaterials (siehe DIN 66137) berechnet werden kann. Bei stark adsorbierendem Material kommt der durch das Adsorbat verursachte Auftrieb hinzu. Dieser ergibt sich aus der Menge und der Dichte des Adsorbats. Eine Mglichkeit zur Auftriebskorrektur unter Bercksichtigung der genannten Anteile ist im

41、Anhang C beschrieben. Zur Vermeidung der Adsorption des Dampfes an Verunreinigungen auf der Oberflche der Wgeschlchen und der Waage (z. B. Fingerabdrcke) ist eine sorgfltige Reinigung der beweglichen Teile der Waage und der Wgegefe mit Wasser und Lsungsmitteln, z. B. Aceton, Ethanol oder Isopropanol

42、, vorzunehmen. Die Probentemperatur ist in unmittelbarer Nhe der Probe zu messen. 7.4 Volumetrische Sorptionsmessung Die volumetrische Sorptionsapparatur besteht aus einem bekannten Dosiervolumen mit Druckmessein-richtung sowie einer thermostatisierten Probenkammer zur Einstellung einer konstanten P

43、robentemperatur. Das Dosiervolumen sowie der Probenbehlter mssen evakuierbar sein. Die Temperatur des Dosiervolumens ist zu erfassen und in die Berechnung der Dosiermengen einzubeziehen. Die dosierte Gasmenge wird durch Druckmessung im Dosiervolumen unter Verwendung der Zustandsgleichung des Dampfes

44、 ermittelt. Das Volumen des leeren Probenbehlters und der Totraum des mit der Probe gefllten Probenbehlters werden mit einem nichtadsorbierenden Gas (z. B. Helium) ermittelt. Dies entfllt beim Differenzverfahren mit einer Vergleichsmesszelle, wenn die Vergleichszelle mit einem nichtadsorbierenden Ma

45、terial gleichen Volumens gefllt wird. Mglich ist auch die Subtraktion einer Leermessung bei Messtemperatur der Probe (Kalibrierung der Messzelle). Zur Messung wird der Probenbehlter mit Probe auf Solltemperatur gebracht. Das Dosiervolumen ist auf hherer Temperatur zu halten, damit dort keine Kondens

46、ation auftritt. Es ist insbesondere darauf zu achten, dass in der Nhe des Sttigungsdampfdruckes der Flssigkeit bei der Messung keine Kondensation von Dampf im Messsystem auftritt. DIN 66138:2008-09 8 Die Nichtidealitt des Messdampfes bei Soll- und Dosiertemperatur ist zu bercksichtigen. Der Sttigung

47、s-dampfdruck des Messdampfes kann entweder temperaturabhngig der Literatur entnommen, berechnet oder gemessen werden. Zur Messung der Adsorptionsisotherme sind schrittweise definierte Dampfvolumina in den geschlossenen Probenraum zu dosieren bzw. bei der Desorption aus dem Gasraum zu entfernen. Die

48、Drucknderung bei Fllung mit einer nichtadsorbierenden Probe lsst sich berechnen. Infolge der Adsorption ndert sich der Druck davon abweichend. Die Druckdifferenz zwischen adsorbiertem und nichtadsorbiertem Zustand wird berechnet, woraus sich die adsorbierte Menge in Abhngigkeit vom Relativdruck ergi

49、bt. 8 Auswertung Fr die Darstellung der Messwerte in Form einer Isotherme gibt es mehrere Mglichkeiten. In jedem Fall sind der adsorbierten Menge proportionale spezifische Gren als Funktion des Adsorptivdrucks p oder des entsprechenden Relativdrucks p/p0aufzutragen. Fr Physisorptionsmessungen wird die Verwendung des Relativdr