一种测量氧化物表面交换速率的进样装置

1.本实用新型涉及测量领域，具体涉及一种测量氧化物表面交换速率的进样装置。


背景技术：

2.混合导体材料是一类在高温下对氧气具有绝对选择透过性的材料。氧气透过膜时，主要经历以下几个步骤：(1)高氧分压侧的气相氧扩散至膜表面；(2)氧分子物理吸附在膜表面；(3)氧分子在膜表面解离产生化学吸附氧；(4)吸附氧进入膜表面的晶格氧空位；(5)在氧空位梯度下，产生定向晶格氧空位扩散；(6)晶格氧从另一侧膜表面脱离形成化学吸附氧；(7)化学吸附氧释放电子形成氧分子从膜表面脱附；(8)氧分子从膜表面扩散至低氧分压气相主体。在渗透侧的表面这类性质使其能在能源环境领域(如氧气分离、膜反应器及燃料电池)展现出很好的应用前景。为了提高透氧速率，目前的主要方法是降低致密层厚度以减少体相交换，随之而来的就是表面交换在整体氧交换的比重增加，那么准确测定混合导体膜的表面交换速率对指导氧化物材料研究方向有重要意义。但是目前利用同位素对表面交换速率进行测定的装置大多有其固有的缺陷，如涉及大量快速升降温，操作复杂，测试条件不可改变，获得的结果仅为单一集总参数等等。


技术实现要素：

3.本实用新型是针对上述技术问题提供一种测量氧化物表面交换速率的进样装置。
4.本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种测量氧化物表面交换速率的进样装置，该装置包括六通阀，所述的六通阀包括三个进口和三个出口，其中的一个出口和一个进口之间设有定量环；
6.进料气源罐依次通过减压阀、球阀、针阀、第一压力计和六通阀的第二个进口相连；吹扫气源罐依次通过减压阀、流量计以及第二针阀与六通阀的第三个进口相连；
7.六通阀的第二个出口通过第二压力计和脉冲进样装置相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪相连；六通阀的第三个出口通过三通阀、真空计、第二球阀与真空泵相连。
8.本实用新型所述的进样装置中：所述的脉冲进样装置包括石英管，所述石英管中间为填料，两端各设有玻璃棒，脉冲进样装置的一端与第二压力计相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪相连。
9.本实用新型所述的进样装置中：玻璃棒与填料之间设有石英棉。
10.本实用新型所述的进样装置中：石英棒的直径为脉冲进样装置的一半，优选脉冲进样装置采用的是内径2mm的石英管，固定使用的石英棒的直径为1mm。
11.本实用新型所述的进样装置中：脉冲进样装置的长度为0.8-1.2cm；优选1cm。
12.一种利用上述装置实现测量氧化物表面交换速率的方法，该方法包括以下步骤：
13.(1)气路吹扫步骤：将六通阀调整初始状态，调整减压阀示数为0.15～0.25mpa，调节流量计为45～55ml/min，关闭球阀和第一针阀，打开第二针阀、三通阀、第二球阀以及真空泵，对石英管进行加热，升温速率为5℃/min,升温至850℃，保温2h，再以3～8℃/min的速
度降温至室温；
14.(2)定量环填充步骤：此时球阀和第一针阀为关闭状态，第二针阀、三通阀、第二球阀以及真空泵为打开状态，真空计的示数小于300pa时，关闭阀第二球阀、第二针阀，缓慢调节第一针阀的开度，使气源输送至定量环中，当第一压力计的示数与第二压力计的示数一致时，关闭针阀，保证定量环中气体和石英管中的气体压力一致；
15.(3)进样步骤：以1～5℃/min的速率改变玻璃管温度，调节至需要的测试温度，此时球阀、第二球阀和第一针阀为关闭状态，第二针阀、三通阀、以及真空泵为打开状态，切换六通阀的开关，定量环中的气体被吹送至石英管中，通过记录第二压力计的示数，对质谱的出峰进行积分计算，来计算表面交换速率。
16.上述方法中：每次进样操作需间隔10～20分钟，重复步骤(2)，(3)的操作即可。
17.在一些具体的技术方案中，具体过程如下：
18.(1)搭建装置：打开质谱，如图1所示将适量待测固体填充至石英管(8)中，两端用石英棉(10)加以固定，石英棉两侧各放置一根玻璃棒(9)，连接石英管(8)和进样装置。(2)气路吹扫步骤：将六通阀调整至如图1所示的初始状态，调整减压阀示数为0.15～0.25mpa，调节流量计为45～55ml/min，关闭球阀和第一针阀，打开第二针阀、三通阀、第二球阀以及真空泵，对石英管进行加热，升温速率为5℃/min,升温至850℃，保温2h，再以5℃/min的速度降温至室温。
19.(3)定量环填充步骤：此时球阀和第一针阀为关闭状态，第二针阀、三通阀、第二球阀以及真空泵为打开状态，真空计的示数小于300pa时，关闭阀第二球阀、第二针阀，缓慢调节第一针阀的开度，使气源输送至定量环中，当第一压力计的示数与第二压力计的示数一致时，关闭针阀，保证定量环中气体和石英管中的气体压力一致；
20.(4)进样步骤：以3℃/min的速率改变玻璃管温度，调节至需要的测试温度，此时球阀(4)、第二球阀和第一针阀为关闭状态，第二针阀、三通阀、以及真空泵为打开状态，切换六通阀的开关，此时六通阀的状态如图2所示，定量环中的气体被吹送至石英管中，通过记录第二压力计的示数，对质谱的出峰进行积分计算，来计算表面交换速率。
21.每次进样操作需间隔15分钟，15分钟后，重复步骤(3)(4)的操作即可，一般从200℃开始测试，每25℃测试一次。
22.本实用新型技术方案中：所使用的混合导体氧渗透膜需致密度95％以上。混合导体氧渗透膜需破碎至粒径为2-5μm。
23.本实用新型技术方案中：测试所用的填料包括但不限于氧化钇稳定氧化锆(ysz)和钡锶钴铁氧(ba
0.5
sr
0.5
co
0.8
fe
0.2o3-δ
)
24.本实用新型技术方案中：所述压力为绝对压力。
25.本实用新型的有益效果：
26.本实用新型通过使用氧同位素脉冲进样的方法进行测试，在稳态条件下实现对混合导体膜表面交换速率的测试。该实用新型成功解决了难以准确测定混合导体氧渗透膜表面交换速率的问题，具体为可以通过少量的同位素气体就可以进行测试计算，通过将不同温度下测试出来的
18
o2和
18o16
o的峰面积代入公式，计算得到不同温度下的表面交换速率、氧解离吸附速率和氧结合速率，从而对表面交换进行准确描述。此装置大大减少了同位素气体的使用量，大大提高了测试过程的经济性，并且对表面交换过程中的每一步进行准确
表征，为混合导体氧渗透膜性能提升指明了方向。
27.对比不使用真空泵，一直使用同位素气体不断吹扫的方法，需要在气体流速为10ml/min的条件下，连续吹扫超过5min,通过质谱测量出口处的气体才没有气体杂质出现，定量环中的气体纯度符合预期。使用真空定量环进样的方法，节约了80％的同位素气体，使测试成本大大降低。
28.对比使用注射进样的方法，使用定量环脉冲进样能够稳定气路之中的压力，在测试氧化物表面交换速率时对压力波动十分敏感，注射进样的瞬间气路中的压力会在一瞬间增大几十kpa,破环体系中的塞流状态，导致实验失败。
附图说明
29.图1为本实用新型装置的一种示意图。
30.其中：1.为吹扫气源，2.减压阀，3.流量计，4.球阀，5针阀，6.压力计，7.六通阀，8.石英管，9.玻璃棒，10.石英棉，11，待测填料，12，质谱仪，13，六通阀，14，真空计，15真空泵，16.进料气源，17.第二针阀，18，第二球阀，19，第二压力计。
31.图2为本实用新型装置的另一种示意图。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：
33.如图1，一种测量氧化物表面交换速率的进样装置，该装置包括六通阀7，所述的六通阀包括三个进口和三个出口，其中的一个出口和一个进口之间设有定量环；
34.进料气源罐依次通过减压阀2、球阀4、针阀5、第一压力计6和六通阀7的第二个进口相连；吹扫气源罐1依次通过减压阀2、流量计3以及第二针阀17与六通阀7的第三个进口相连；
35.六通阀7的第二个出口通过第二压力计19和脉冲进样装置相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪12相连；六通阀7的第三个出口通过三通阀13、真空计14、第二球阀18与真空泵15相连。
36.所述的脉冲进样装置包括石英管8，所述石英管8中间为待测填料11，两端各设有玻璃棒9，脉冲进样装置的一端与第二压力计19相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪12相连。玻璃棒9与待测填料11之间设有石英棉10。
37.脉冲进样装置采用的是内径2mm的石英管，固定使用的石英棒的直径为1mm。脉冲进样装置的长度为1cm。
38.实施例1：
39.如图1，选取数片ba
0.5
sr
0.5
co
0.8
fe
0.2o3-δ
致密片式膜，使用石英捣杵粉碎至2-5微米，取120目-400目之间的粉末，打开质谱，如图一所示将适量待测固体填充至石英管(8)中，两端用石英棉加(10)以固定，石英棉两侧各放置一根玻璃棒(9)，连接石英管(8)和进样装置，将六通阀调整至如图一所示的初始状态，打开吹扫气(21％
16
o2+79％ar2)和脉冲气体(21％
18
o2+79％n2)，调整减压阀示数为0.2mpa，调节流量计(3)为50ml/min，关闭球阀(4)和第一针阀(5)，打开第二针阀(17)、三通阀(13)、第二球阀(18)以及真空泵(15)，对石英管进
8506.54623e-058.60214e-050.000273901 9000.0001342740.0001723680.000607577
45.可明显看出ysz的表面交换速率的速率控制步骤700℃以上为氧气解离吸附步骤，700℃以下为氧结合速率。

技术特征：
1.一种测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：该装置包括六通阀（7），所述的六通阀包括三个进口和三个出口，其中的一个出口和一个进口之间设有定量环；进料气源罐依次通过减压阀（2）、球阀（4）、针阀（5）、第一压力计（6）和六通阀（7）的第二个进口相连；吹扫气源罐（1）依次通过减压阀（2）、流量计（3）以及第二针阀（17）与六通阀（7）的第三个进口相连；六通阀（7）的第二个出口通过第二压力计（19）和脉冲进样装置相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪（12）相连；六通阀（7）的第三个出口通过三通阀（13）、真空计（14）、第二球阀（18）与真空泵（15）相连。2.根据权利要求1所述的测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：所述的脉冲进样装置包括石英管（8），所述石英管（8）中间为待测填料（11），两端各设有玻璃棒（9），脉冲进样装置的一端与第二压力计（19）相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪（12）相连。3.根据权利要求2所述的测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：玻璃棒（9）与待测填料（11）之间设有石英棉（10）。4.根据权利要求1所述的测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：石英棒的直径为脉冲进样装置内径的一半。5.根据权利要求4所述的测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：脉冲进样装置采用的是内径2mm的石英管，固定使用的石英棒的直径为1mm。6.根据权利要求1所述的测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：脉冲进样装置的长度为0.8-1.2cm。7.根据权利要求1所述的测量氧化物表面交换速率的进样装置，其特征在于：脉冲进样装置的长度为1cm。

技术总结
本实用新型公开了一种测量氧化物表面交换速率的进样装置，属于测量领域。该装置包括六通阀，所述的六通阀包括三个进口和三个出口，其中的一个出口和一个进口之间设有定量环；进料气源罐依次通过减压阀、球阀、针阀、第一压力计和六通阀的第二个进口相连；吹扫气源罐依次通过减压阀、流量计以及第二针阀与六通阀的第三个进口相连；六通阀的第二个出口通过第二压力计和脉冲进样装置相连，脉冲进样装置的另一端与质谱仪相连；六通阀的第三个出口通过三通阀、真空计、第二球阀与真空泵相连。此装置大大减少了同位素气体的使用量，大大提高了测试过程的经济性，并且对表面交换过程中的每一步进行准确表征，为混合导体氧渗透膜性能提升指明了方向。升指明了方向。升指明了方向。


技术研发人员：张广儒 施路子 刘郑堃 金万勤
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2022.02.24
技术公布日：2023/7/28