比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積

1概述

學(xué)科：固體礦產(chǎn)工業(yè)要求

釋文：比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積。分外表面積、內(nèi)表面積兩類。國標(biāo)單位㎡/g.理想的非孔性物料只具有外表面積，如硅酸鹽水泥、一些粘土礦物粉粒等；有孔和多孔物料具有外表面積和內(nèi)表面積，如石棉纖維、巖（礦）棉、硅藻土等。測定方法有容積吸附法、重量吸附法、流動(dòng)吸附法、透氣法、氣體附著法等。比表面積是評價(jià)催化劑、吸附劑及其他多孔物質(zhì)如石棉、礦棉、硅藻土及粘土類礦物工業(yè)利用的重要指標(biāo)之一。石棉比表面積的大小，對它的熱學(xué)性質(zhì)、吸附能力、化學(xué)穩(wěn)定性、開棉程度等均有明顯的影響。

測量：固體有一定的幾何外形，借通常的儀器和計(jì)算可求得其表面積。但粉末或多孔性物質(zhì)表面積的測定較困難，它們不僅具有不規(guī)則的外表面，還有復(fù)雜的內(nèi)表面。通常稱1g固體所占有的總表面積為該物質(zhì)的比表面積S(specificsurfacearea,㎡/g)。多孔物比表面積的測量，無論在科研還是工業(yè)生產(chǎn)中都具有十分重要的意義。一般比表面積大、活性大的多孔物，吸附能力強(qiáng)。測定比表面積方法有氣體吸附法和溶液吸附法兩類。

2測試方法

方法提要：比表面積測試方法主要分連續(xù)流動(dòng)法（即動(dòng)態(tài)法）和靜態(tài)容量法。

動(dòng)態(tài)法

動(dòng)態(tài)法是將待測粉體樣品裝在U型的樣品管內(nèi)，使含有一定比例吸附質(zhì)的混合氣體流過樣品，根據(jù)吸附前后氣體濃度變化來確定被測樣品對吸附質(zhì)分子（N2）的吸附量；靜態(tài)法根據(jù)確定吸附吸附量方法的不同分為重量法和容量法；重量法是根據(jù)吸附前后樣品重量變化來確定被測樣品對吸附質(zhì)分子（N2）的吸附量，由于分辨率低、準(zhǔn)確度差、對設(shè)備要求很高等缺陷已很少使用；容量法是將待測粉體樣品裝在一定體積的一段封閉的試管狀樣品管內(nèi)，向樣品管內(nèi)注入一定壓力的吸附質(zhì)氣體，根據(jù)吸附前后的壓力或重量變化來確定被測樣品對吸附質(zhì)分子（N2）的吸附量；

動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法的目的都是確定吸附質(zhì)氣體的吸附量。吸附質(zhì)氣體的吸附量確定后，就可以由該吸附質(zhì)分子的吸附量來計(jì)算待測粉體的比表面了。

由吸附量來計(jì)算比表面的理論很多，如朗格繆爾吸附理論、BET吸附理論、統(tǒng)計(jì)吸附層厚度法吸附理論等。其中BET理論在比表面計(jì)算方面在大多數(shù)情況下與實(shí)際值吻合較好，被比較廣泛的應(yīng)用于比表面測試，通過BET理論計(jì)算得到的比表面又叫BET比表面。統(tǒng)計(jì)吸附層厚度法主要用于計(jì)算外比表面；

動(dòng)態(tài)法儀器中有種常用的原理有直接對比法和多點(diǎn)BET法；

直接對比法

直接對比法，國外此種方法的儀器叫做直讀比表面儀。該方法測試的原理是用已知比表面的標(biāo)準(zhǔn)樣品作為參照，來確定未知待測樣品相對標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸附量，從而通過比例運(yùn)算求得待測樣品比表面積。以使用氮吸附BET比表面標(biāo)準(zhǔn)樣品為例，該方法的依據(jù)是有2個(gè)：一、BET理論的假設(shè)之一在吸附一層之后的吸附過程中的能量變化相當(dāng)于吸附質(zhì)分子液化熱，也就是和粉體本身無關(guān)；二、在相同氮?dú)夥謮海?%-30%）、相同液氮溫度條件下，吸附層厚度一致；這就是以直接對比法所得出的比表面值與BET多點(diǎn)法得到的值一致性較好的原因；

多點(diǎn)BET法

多點(diǎn)BET法為國標(biāo)比表面測試方法，其原理是求出不同分壓下待測樣品對氮?dú)獾?吸附量，通過BET理論計(jì)算出單層吸附量，從而求出比表面積；其理論認(rèn)可度相對直接對比法高，但實(shí)際使用中，由于測試過程相對復(fù)雜，耗時(shí)長，使得測試結(jié)果重復(fù)性、穩(wěn)定性、測試效率相對直接對比法都不具有優(yōu)勢，這是也是直接對比法的重復(fù)性標(biāo)稱值比多點(diǎn)BET法高的原因；

動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)容量法是常用的主要的比表面測試方法。兩種方法比較而言，

1、動(dòng)態(tài)法比較適合測試快速比表面積測試和中小吸附量的小比表面積樣品（對于中大吸附量樣品，靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法都可以定量的很準(zhǔn)確），

2、靜態(tài)容量法比較適合孔徑及比表面測試。雖然靜態(tài)法具有比表面測試和孔徑測試的功能，但靜態(tài)法由于樣品真空處理耗時(shí)較長，吸附平衡過程較慢、易受外界環(huán)境影響等，使得測試效率相對動(dòng)態(tài)法的快速直讀法低，對小比表面積樣品測試結(jié)果穩(wěn)定性也較動(dòng)態(tài)法低，所以靜態(tài)法在比表面測試的效率、分辨率、穩(wěn)定性方面，相對動(dòng)態(tài)法并沒有優(yōu)勢；在多點(diǎn)BET法比表面分析方面，靜態(tài)法無需液氮杯升降來吸附脫附，所以相對動(dòng)態(tài)法省時(shí)；靜態(tài)法相對于動(dòng)態(tài)法由于氮?dú)夥謮嚎梢院苋菀椎目刂频浇咏?，所以比較適合做孔徑分析。而動(dòng)態(tài)法由于是通過濃度變化來測試吸附量，當(dāng)濃度為1時(shí)的情況下吸附前后將沒有濃度變化，使得孔徑測試受限。

靜態(tài)容量法

在低溫（液氮浴）條件下，向樣品管內(nèi)通入一定量的吸附質(zhì)氣體（N2），通過控制樣品管中的平衡壓力直接測得吸附分壓，通過氣體狀態(tài)方程得到該分壓點(diǎn)的吸附量；

通過逐漸投入吸附質(zhì)氣體增大吸附平衡壓力，得到吸附等溫線；通過逐漸抽出吸附質(zhì)氣體降低吸附平衡壓力，得到脫附等溫線；相對動(dòng)態(tài)法，無需載氣（He），無需液氮杯反復(fù)升降；

由于待測樣品是在固定容積的樣品管中，吸附質(zhì)相對動(dòng)態(tài)法不流動(dòng)，故叫靜態(tài)容量法；

*標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)關(guān)于比表面積測試的現(xiàn)行有效*標(biāo)準(zhǔn)約有十幾個(gè)，現(xiàn)列舉幾個(gè)比較常用的*標(biāo)準(zhǔn)方法：

GB/T19587-2004《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》[1]

GB/T13390-2008《金屬粉末比表面積的測定氮吸附法》

GB/T7702.20-2008《煤質(zhì)顆粒活性炭試驗(yàn)方法比表面積的測定》

GB/T6609.35-2009《氧化鋁化學(xué)分析方法和物理性能測定方法第35部分：比表面積的測定氮吸附法》

SY/T6154-1995《巖石比表面和孔徑分布測定靜態(tài)氮吸附容量法》

國內(nèi)對于材料比表面積測測試機(jī)構(gòu)有很多家，例如北科大分析檢驗(yàn)中心、*鋼鐵材料測試中心等。

3影響因素

動(dòng)態(tài)法

動(dòng)態(tài)法比表面儀，與其它分析儀器類似，影響其精度主要取決于檢測方法、管路設(shè)計(jì)和是否具備操作*自動(dòng)化。

*自動(dòng)化的比表面積分析儀對用戶具備什么價(jià)值？

1、符合測試儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，同類產(chǎn)品全部是*自動(dòng)化的，人工操作的儀器國外早已經(jīng)淘汰。[2]

2、比表面積分析測試其實(shí)是比較耗費(fèi)時(shí)間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的孔徑測試可能需要耗費(fèi)一整天的時(shí)間，如果測試過程沒有實(shí)現(xiàn)*自動(dòng)化，那測試人員就時(shí)刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會(huì)導(dǎo)致測試過程的失敗，這會(huì)浪費(fèi)測試人員很多的寶貴時(shí)間。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了*的自動(dòng)化，將測試人員從重復(fù)的機(jī)械式操作中解放出來，大大降低了他們的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。

3、人工操作的儀器很大的一個(gè)局限性是：不同的測試人員操作時(shí)，對于平衡點(diǎn)等數(shù)據(jù)的判斷會(huì)有偏差，這樣很容易引入人為誤差，而自動(dòng)化操作的儀器，由于整個(gè)測試的平衡等條件的判斷都是基于軟件中設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)，這樣能很好保證，雖然是不同測試人員進(jìn)行的測試，但測試結(jié)果的一致性會(huì)很好。產(chǎn)品通過實(shí)現(xiàn)*自動(dòng)化測試，大大降低了人為操作導(dǎo)致的誤差，提高測試精度。

4、人工操作的儀器，由于需要操控的旋鈕比較多，一般對操作人員的培訓(xùn)需要花費(fèi)很多的時(shí)間，操作人員的熟練操作也會(huì)需要較長的一段時(shí)間，如果有操作人員離職，會(huì)導(dǎo)致新來員工的培訓(xùn)又需花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，既耽誤工作，又浪費(fèi)公司的資源；自動(dòng)化的儀器，一般只需要掌握軟件如何使用就可以進(jìn)行樣品測試，既節(jié)約培訓(xùn)時(shí)間，又可以減少公司人員流動(dòng)導(dǎo)致的再培訓(xùn)資源浪費(fèi)。產(chǎn)品通過實(shí)現(xiàn)測試過程*自動(dòng)化，大大降低公司培訓(xùn)成本，提高工作效率。

靜態(tài)法

以比表面積1m2/g的樣品為例，該樣品0.5g對氮?dú)獾奈搅吭贐ET分壓范圍內(nèi)在標(biāo)況下約0.1ml，在測試過程中的吸附環(huán)境液氮溫度下的體積約0.03ml；樣品管裝樣部分的剩余體積（也就是背景體積）約在3-5ml左右，要在3-5ml的樣品管體積中準(zhǔn)確定量出0.03ml的總吸附量且保證精度達(dá)到2%以內(nèi)，可以算出要求壓力傳感器的精度要達(dá)到0.02%以上；但目前進(jìn)口*的壓力傳感器的精度只有0.1%，而且通常比表面及孔徑分析儀用的壓力傳感器精度為0.15%，也就是說目前*精度的壓力傳感器，即使溫度場理想測定，液氮面理想恒定，環(huán)境溫度理想準(zhǔn)確條件下，對吸附量確定量的不確定度也只能達(dá)到0.003ml，即不確定度達(dá)到10%；若對于比表面再小或堆積密度小也就是裝樣量也難以很大的樣品，其準(zhǔn)確度就可想而知了。但對于中大比表面樣品，一般吸附量不會(huì)那么微小，靜態(tài)法的精度很容易保證在2%甚至1%以內(nèi)便不是問題；

所以在小比表面樣品的測試方面，靜態(tài)法儀器測試的誤差相對高精度的動(dòng)態(tài)法儀器的誤差大；靜態(tài)法只能通過增加裝樣量來降低誤差，常見的是靜態(tài)一般都會(huì)為小比表面積樣品配備大容量樣品管，但由于背景體積（吸附腔體積）也隨之增大，所以準(zhǔn)確度提高也是有限的；這點(diǎn)是采用靜態(tài)法儀器測試比表面積應(yīng)考慮的因素。

4計(jì)算公式

參考國標(biāo)GB/T24533-2009

放到氣體體系的樣品，其物質(zhì)表面在低溫下將發(fā)生物理吸附。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，測量平衡吸附壓力和吸附的氣體流量，根據(jù)BET方程式（1）求出試樣單分子層吸附量，從而計(jì)算出試樣的比表面積。

（P/P0）/V(1-P/P0)=(C-1)/(VmC)×P/P0+1/(VmC)

5技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)關(guān)于比表面積測試的現(xiàn)行有效*標(biāo)準(zhǔn)約有十幾個(gè)，現(xiàn)列舉幾個(gè)比較常用的*標(biāo)準(zhǔn)方法：

GB/T 19587-2004 《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》

GB/T 13390-2008 《金屬粉末比表面積的測定氮吸附法》

GB/T 7702.20-2008 《煤質(zhì)顆粒活性炭試驗(yàn)方法比表面積的測定》

GB/T 6609.35-2009 《氧化鋁化學(xué)分析方法和物理性能測定方法第35部分：比表面積的測定氮吸附法》

SY/T 6154-1995 《巖石比表面和孔徑分布測定靜態(tài)氮吸附容量法》