Способ исследования пористой структуры измельченных материалов Советский патент 1981 года по МПК G01N15/08 

(54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ИЗМЕЛЬЧЁННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к способам исследования пористой структуры измельченных материалов, преимущественно почвообразующих минералов и может найти применение при разработке средств повышения плодородия почв. Известны способы определения ttoристости капиллярно-пористых тел,основанные на насьпцении порового пространства образца жидкостью с последующим взвешиванием пропитанного образца D3. Известны способы определения пористости по объему жидкости или газа, заполняющего пористое пространство ру Недостаток этих способов - хотя с их помощью определяют объем адсорбционного пространства, однако в них нельзя провести границу между пррис-г тостью и дисперсностью частиц тела что очень важно при исследовании почв Известен также способ исследования пористой структуры сорбентов и катализаторов путем адсорбции пористым веществом из растворов. Этим спосоего№ определяют предельную величину адсорбции и радиус пор, пропускающих адсорбируемое вещество вглубь гранул путем сообщения с микропорами. Определение проводят по кинетике адсорбции вещества, пропитывающего сорбент и вытесняющего защемленный газ. Кинетика адсорбции в условиях капиллярной пропцтки не зависит от индивидуальных особенностей сорбируемого вещества и определяется только условиями пропитки (коэффициентом Генри для защемленного газа, коэффициентом диффузии защемленного газа и пропитывающей жидкости, углом смачивания и радиусом пор, пропускающим вещество вглубь гранул) 3 Однако этим способом не определяется удельная поверхность пористых материалов, например, измельченных, которая явлйетсй важной характеристикой его адсорбционной способности и, соответственно, не позволяет разграничить

/удельную поверхность тупиковых пор и трещин в частицах материала и полную удельную поверхность, включающую поверхность самих частиц.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения удельной поверхности сорбционньм методом (jQ.

Недостатком такого способа является невозможность разграничения удельной поверхности тупиковых пор и трещи в частицах материала и полной удельной поверхности. Цель изобретения - повышение зффективности исследования пористой структуры путем определения удельной поверхности тупиковых пор и трещин. Поставленная цель достигается тем что отбирают пробу частиц, диаметр ко.торых лежит в пределах 5-100 мк, вьщеляют не менее трех фракций и определяют удельную поверхность каждой фракции, после чего строят зависимость удельной поверхности от размер частиц, по -которой судят о наличии тупиковых пор. На фиг. 1 приведена функция распределения удельной поверхности по диаметру частиц кварца; на фиг. 2 график распределения удельной поверх ности по размерам диаметра частиц. Установлено, что диаметр частиц почвообразующих материалов в пределах величин 30-50 мк является достаточным для того, чтобы внешняя повер ность частиц перестала влиять на результат определения .удельной поверхности пор в частицах. Для более точного определения удельной поверхност пор в частицах необходимо взять еще две фракции больше и меньше мк Для того, чтобы построить функцию распределения удельной поверхности (полной) по величине диаметра частиц Если результаты определения удель ной поверхности частиц с диаметром больше 30-50 мк ложатся на прямую, независимую от размеров Диаметра, то Каждая точка этой прямой соответству ет удельной поверхности пор в частицах тела. Оценка качества удельной поверхности дает возможность проследить структурные изменения, проходящие в теле при обработке его разным состав веществ. Например, при обработке бен тонита (NaOH) и (NaOH + гумус) , найд но, что удельная поверхность, опреде ленная способом газовой хроматографии, .одинакова при размоле меньше

}0 мк, а у частиц больше 1000 мк разная. При обработке NaOH поры в частицах бентонита недоступны для адсорбции азота, а во втором случае в частицах бентонита поры открыты для адсорбции азота (табл. 1).

При осуществлении предлагаемого способа необходимо определять удельную поверхность частиц такого размеpa, при котором внешняя удельная поверхность предельно мала. Известно, что у адсорбентов внеш- няя удельная поверхность бесконечно мала по сравнению с внутренней. Однако у других тел, таких как почвообразующие минералы, почвы, внешняя удельная поверхность вносит существенный вклад в общую величину удельной поверхности. Следовательно, для определения удельной поверхности пор в частицах тела, необходимо брать частицы такого диаметра, при котором внешняя удельная поверхность частиц соизмерима с ошибкой опыта. Тогда результат по определению удельной поверхности образца будет соответствовать удельной поверхности пор в час- . тицах. Известно, что непористые тела с совершенной внутренней структурой имеют только внешнюю удельную поверхность. Из природных тел наиболее близким к таким телам является кварц. Он был взят для определения наименьшего диаметра частиц, при котором удельная поверхность тела соизмерима с ошибкой опыта. Кварц предварительно дробят на шаровой мельнице. Из молотого минерала путем отмучивания по известному способу (Стокса) выделяются фракции с размером частиц 30-50 мк, 10- , 20 мк, 7-10 мк, 4-7 мк, 1-4 мк. Затем определяют удельную поверхность этих фракций .способом адсорбции воды (по БЭТ) и способ адсорбции азота (способ газовой хроматографии по тепловой десорбции). Данные представлены в таблице 2 . Удельная поверхность фракции ЗО-ъ 50 МК равна О, J 2 (по азоту и 0,15 по воде, что является Пределом достоверного определения удельной поверхности адсорбционным способом. При расчете функции распределения удельной поверхности по диаметру частиц кварца(фигТТГбыли полхчены уравнения: 0,032 5в где Sol удельная поверхность, определенная адсорбцией азота; сЗ - диаметр частиц; Sft - удельная поверхность, определенная адсорбцией воды. Уравнения показывают, что при диаметре частиц больше 30-50 мк удельная поверхность кварца соизмерима с ошибкой опыта. Следовательно, диаметр час тиц 30-50 мк является наименьшим диаметром, при котором внешняя удельная поверхность не вносит существенный вклад в общую удельную поверхность. В случае твердых тел с менее совершенной структурой, чем кварц, величина удельной поверхности больше за счет дислокаций, щелей методу криста литамн и т.д. и быстрее наступает момент, когда снижение удельной поверх ности за счет увеличения размеров ча тиц становится бесконечно малой величиной по сравнению с удельной поверх ностью трещин, щелей в частицах. Для доказательства этого был взят мусковит. Мусковит принадлежит к группе слюдистых минералов и в химическом отношении представляет собой алюмосиликат калия. Также как кварц муско вит дробят, выделяют фракции тех же размеров и тем же способом и определяют удельную поверхность по адсорбции азота и воды (табл. 2). Данные показывают, что удельная поверхность частиц мусковита диаметром больше 10-25 мк существенно не м няется при увеличений диаметра части Функция распределения удельной поверхности частиц мусковита по размеру диаметра представляет собой гипер болу, асимптота которой отседает на оси ординат отрезок,численно равный удельной поверхности пор в частицах образца (фиг. 1) . При расчете этой функции были получены уравнения: + 11,85

Уравнения показывают, что при бесконечном увеличении диаметра частиц первые члены уравнения стремятся к О, а удельная поверхность стремится к постоянной величине,близкой к 12 , как в случае адсорбции воды, так и в случае адсорбции азота. Это.говорит о том, что данный образец мускоПредлагаемый способ может быть яспользован в практическом почвоведении. В отличии от удельной поверхности почвы в целом, которая является величиной переменной, предлагаемая величина удельно по1верхности пор в частицах почвы, определяемая в области больших размеров диаметра частиц,является ве46вита имеет трещины, щели таких размеров, что в них проникает как вода, так и азот. Пример. Для определения пор в частицах тела и их удельной поверхности необходимо отделить не менее трех фракций частиц в пределах диаметров от 5 мк до 100 мк обычньи способом, например по Стоксу; определить удельную поверхность этих фракций адсорбционным методом, например, методом газовой хроматографии; построить график функции распределения удельной поверхности частиц по величине диаметра. Минимум этой функции, являющийся прямолинейным участком кривой, обозначает удельную поверхность пор в частицах тела. Взяты минералы: кварц и мусковит. Вьщелены по времени свободного падения в воде (по Стоксу) фракции 4-7, 10-25 и 30-50 мк. Определена их удельная поверхность по методу газовой хроматографии. Построены графики функции распределения удельной поверхности (MVr по величине диаметра (мк) . Прямолинейный минимум этой функции составляет: для кварца 0,12 для мусковита 11,4 (фиг. 1) . Хотя почвы являются более сложным образованием, чем ее составляющие, способ применим и для почв, так как функция распределения удельной поверхности частиц почвы подобна функциям минералов. . Кроме минералов для примера были взяты почвы: светлокаштановая солонцевата-я, солонец каштановый многонатровый и чернозем выщелоченный. Почвы разделяют на фракции: 1-5 мк, 5-10 мк, 10-100 мк. Определяют удельную поверхность методом газовой хроматографии. Строят график распределения удельной поверхности по размерам диа метра частиц (фиг. 2). Минимум функций, стремящихся к прямой оказывается для чернозема выщелоченного на уровне 2,5 , для светлокаштановой солонцеватой почвы на уровне 3,9 , для солонца каштанового многонатрового 1 ,1 .

личиной постоянной, завнсяцей исключи- гед($0д)4 удельная поверхность почвы . тельно от природы почвенного материа- в целом снижается в два раза от ла. Удельная поверхность пор в частн- 32,8 до J5 . При внесении цах почв, как одна из постоянных не- фосфогипса удельная поверхность того личин может быть полезной при их клас- j же солонца снижается от 2А до .сификации.-19 .

Почвы,подвержёниые засолению, характеризуются повышенной удельной по- Так образом, предлагаемый способ верхностью. Полученные данные показы- позволяет определить .эффективность вают, что при мелиорации солонцов IО средств мелиорации.

Изменение удельной поверхности бентоннта при его обработке

Обработка Удельная поверхность,

Бентонит + NaOH +

+ гумус42,5 43,0

Бентонит + NaOH42,0 23,1

Удельная поверхность разных фракций

Фракции„ .„

минералов, ° адсорбции По адсорбции

Кварц 1-4 4-7 7-10 10-25 30-50 Мусковит 1-4 4-7 7-10

10-25 30-50

Таблица

Частицы меньше Частицы больше JO мк 1000 мк

Та б л и ц а 2 минералов

Удельная поверхность, м /г

азота воды

1,40 0,55 0,45 0,32 0,15

34,3 22,5

едеНе определялся

17,3 13,0 Формула изобретения Способ исследования пористой струк туры измельченных материалов заключающийся в определении удельной поверхности сорбционным методом, отличающийся тем, что, с цель повышения эффективности определения, отбирают пробу частиц, диаметр которых лежит в пределах 5-100 мк, выделяют не менее трех фракций и определяют удельную поверхность каждой фра ции, после чего строят зависимость удельной поверхности от размера час10тиц, по кото1$ой.судят о наличии тупиковых пор. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе J. Авторское свидетельство СССР № 494665, кл. G 01 N 15/08, 1974. 2.Авторское свидетельство СССР 90044, кл. G Ol N 15/08, 1950. 3.Авторское свидетельство СССР 197269, кл.С 01 N 15/08, 19б6. 4.Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пы- лей и измельченных материалов. Л., Химия, 1974, с. 247 (прототип).

X

W

W

ffSffm

.-

-,

TO20SOe O50

« wM «MM

/ueMfmp vffcmt/tff MH

фиг.

30

2В

I I

5 W

Z550 .

75

difOMenrp 4ttcfTn/tf ллг

Cpue.i cgefn OffOoffna A „ , faiff ar f ffj