- Diện tích bề mặt và đặc tính xốp của xúc tác được xác định bằng cách đo thể tích của khí nitơ bị xúc tác hấp phụ ở nhiệt độ của nitơ lỏng dưới các áp suất thấp khác nhau. Các áp suất này được tạo ra bằng cách cho vào diện tích bề mặt xúc tác những thể tích nitơ xác định khác nhau. Các thể tích này được đo và được dùng để tính toán diện tích BET cũng như các tính chất xốp của xúc tác.
- Nitơ (ở 77 K) là chất bị hấp phụ được khuyến cáo cho việc xác định diện tích bề mặt và phân bố kích thước lỗ có đường kính trung bình, nhưng để có thể xác định được sự phân bố kích thước lỗ có đường kính vi mao quản một cách chính xác hơn thì cần phải sử dụng một dải các phân tử đo. Còn đối với các lỗ có đường kính lớn thì phương pháp hay sử dụng đó là phương pháp xâm nhập thủy ngân. Khi diện tích bề mặt của xúc tác tương đối thấp (< 2 m2/g) thì Hấp phụ Krypton (ở 77 K) thường được sử dụng song kỹ thuật này lại không thể dùng để nghiên cứu tính chất xốp của vật liệu.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Khi một chất rắn để trong môi trường lỏng hoặc khí thì nó sẽ hấp phụ vào một lượng x chất bị hấp phụ. Lượng x này phụ thuộc áp suất cân bằng P, nhiệt độ T, bản chất của chất bị hấp phụ và bản chất của vật liệu rắn; tức là x = f (P, T, chất hấp phụ, chất bị hấp phụ).
Khi T là một hằng số, x là một hàm đồng biến với áp suất cân bằng. Khi áp suất P tăng đến áp suất hơi bão hòa của chất khí bị hấp phụ P0 tại một nhiệt độ đã cho thì mối quan hệ giữa x và P được gọi là “đẳng nhiệt hấp phụ”.
x = f(P)
Sau khi đạt đến áp suất hơi bão hòa P0, người ta cho nhả hấp phụ bằng hút chất không và đo các giá trị lượng khí bị hấp phụ x ở các giá trị P/P0 giảm dần (P/P0 = 1
0) và nhận được đường đẳng nhiệt nhả hấp phụ.
Trong số các phương pháp được đưa ra để xác định lượng khí bị hấp phụ, 2 phương pháp được sử dụng nhiều nhất đó là phương pháp thể tích (thường được sử dụng cho phép đo đường đẳng nhiệt nitơ hay krypton ở nhiệt độ làm lạnh sâu, 77 K) và phương pháp trọng lượng (được áp dụng cho sự hấp phụ của hơi nước ở hoặc gần nhiệt độ môi trường).
Để đảm bảo cho việc xác định đường đẳng nhiệt được chính xác người ta phải khử tất cả các vật liệu bị hấp phụ vật lý lên mẫu trước khi tiến hành phân tích. Mức độ sạch của bề mặt mẫu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống. Quá trình hấp phụ và giải hấp được tiến hành dưới điều kiện chân không. Do đó, việc loại khí đến áp suất dư khoảng 13 mPa (10-4 torr) phải được tiến hành. Một trong những sai số chủ yếu của phép đo đồng thời cũng là nguyên nhân dẫn đến độ lặp lại của kết quả phân tích không cao đó là sai sót trong quá trình quá trình xác định khối lượng mẫu sau khi đã loại khí. Với những xúc tác có bản chất khác nhau thì điều kiện loại khí cũng phải khác nhau, các oxit vô cơ thường được loại khí ở nhiệt độ khoảng từ 120 – 1500C trong khi carbon có đường kính lỗ vi mao quản và zeolites đòi hỏi các nhiệt độ cao hơn (khoảng 3000C)
Với các lỗ có đường kính vi mao quản thì chất hấp phụ thường được sử dụng đó là Argon ở nhiệt độ sôi của nó (87 K).
Với các đường đẳng nhiệt khác nhau thì quy trình đánh giá cũng khác nhau. Có 6 loại đường đẳng nhiệt khác nhau tương ứng với các loại vật liệu có bản chất khác nhau (hình 2.1.30) thường được phân biệt (Sing 1985)
Hình 2.1. 30 Phân loại đường đẳng nhiệt
Loại I: Đường đẳng nhiệt của vật liệu vi mao quản (microporous solid) và có bề mặt ngoài tương đối nhỏ (ví dụ như cacbon hoạt tính, rây phân tử Zeolite và một vài oxyde xốp).
Loại II: Đường đẳng nhiệt thu được của chất hấp phụ không lỗ xốp (non porous hoặc chất hấp phụ có lỗ xốp có đường kính lớn. Đường đẳng nhiệt loại II biểu diễn sự hấp phụ không bị giới hạn đơn – đa lớp.
Loại III: Đường đẳng nhiệt loại này không phổ biến, nhưng có một số hệ (ví dụ như nitơ trên polyethylene) biểu thị đường đẳng nhiệt với độ cong dần dần. Trong những trường hợp như thế này tương tác chất bị hấp phụ - chất bị hấp phụ đóng một vai trò quan trọng.
Loại IV: Đường đẳng nhiệt loại IV được phân biệt bởi hai đặc điểm đặc trưng. Đường đẳng nhiệt loại này biểu thị một vòng trễ nó đi cùng với sự ngưng tụ mao quản diễn ra trong lỗ có đường kính trung bình và có một sự hạn chế hấp thụ ở dải P/P0 cao. Phần đầu của đường đẳng nhiệt loại IV được cho là một sự hấp phụ đơn lớp - đa lớp. Đường đẳng nhiệt hấp phụ loại IV đặc trưng cho nhiều chất hấp phụ công nghiệp có đường kính lỗ trung bình.
Loại V: Loại này không phổ biến. Nó cùng họ với đường đẳng nhiệt hấp phụ loại III mà trong đó tương tác chất hấp phụ - chất bị hấp phụ yếu, và nó cũng biểu thị một vòng trễ như trong loại IV.
Loại VI: Đường đẳng nhiệt loại VI biểu diễn sự hấp phụ đa lớp bậc thang trên một bề mặt không lỗ xốp đều đặn. Độ sắc nét của từng bước phụ thuộc vào hệ và nhiệt độ.