پاورپوینت روشهای اندازهگیری میزان تخلخل و سطوح موثر

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

روشهای اندازهگیری میزان تخلخل و سطوح موثر

اسلاید 2 :

روشهای شناسایی نانوساختارها
روشهای تعیین اندازه ذرات
4 : BET

اسلاید 3 :

مساحت سطح
اندازهگیری دقیق مساحت سطح و تخلخل در بسیاری از کاربردها مانند کاتالیستها، نانو جاذبها، ترکیبات و افزودنیها، مواد دارویی، سرامیکها، پلیمرها، رنگها، پوششها، صنایع غذایی و همچنین در نانو ساختارها از اهمیت بالایی برخوردار است.

روشهای مختلفی جهت اندازهگیری مساحت سطح و تخلخل، مورد توجه قرار گرفته است که میتوان به روشهای میکروسکوپی و روشهای مبتنی بر جذب اشاره نمود.

اسلاید 4 :

BET
از بین روشهای مورد استفاده در تعیین میزان تخلخل، روش BET که مبتنی بر جذب میباشد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این روش یک لایه کامل از مولکولهای ماده جذب شونده روی سطح بوجود میآید. با دانستن ضخامت متوسط یک مولکول میتوان سطحی را که یک مولکول اشغال میکند محاسبه نمود و براساس میزان ماده جذب شده، مساحت سطح کل نمونه را اندازهگیری کرد.

اسلاید 5 :

مفهوم تخلخل
اکثر مواد جامد در داخل ساختار خود دارای حفراتی میباشند که تحت عنوان تخلخل شناخته شده و بر اساس اندازه، نوع و شکل خود تقسیمبندی میگردند.

اسلاید 6 :

اندازه تخلخل
براساس دستهبندی آیوپاک (IUPAC)، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفرهها، میتواند حاوی حفرههایی کوچکتر از 2 نانومتر با نام میکروحفره، حفرههایی بین 2 تا 50 نانومتر با نام مزوحفره و حفرههایی بزرگتر از 50 نانومتر با نام ماکروحفره باشد.

اسلاید 7 :

نوع تخلخل
بر اساس شکل و موقعیت حفرهها نسبت به یکدیگر، حفرهها به چهار دسته زیر تقسیم میشوند:

حفرههای متصل به هم inter-connected pores))
حفرههای راه به در(passing pores)
حفرههای کور dead end pores))
حفرههای بسته closed pores))

اسلاید 8 :

شکل تخلخل
شکل تخلخل براساس هندسه آن به 6 دسته استوانه ای، مخروط ناقص، لایه ای، قطرهای و چاهکی شکل طبقهبندی میشود که در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است:

اسلاید 9 :

اندازه گیری تخلخل
در تعریف و بررسی تخلخل سه پارامتر سطح ویژه، حجم ویژه تخلخل و درصد تخلخل به صورت زیر تعریف میشوند:
سطح ویژه:
عبارتست از مساحت کل جسم متخلخل تقسیم بر جرم آن(m²/g)

درصد تخلخل:
عبارتست از درصد حجم مجموع حفرات تقسیم بر حجم کل جسم
 
حجم ویژه تخلخل:
عبارتست از حجم مجموع حفرات تقسیم بر جرم جسم(cm³/g)

اسلاید 10 :

روشهای اندازهگیری مبتنی بر تصویر
میکروسکوپ الکترونی روبشی
اگر یک ماده جامد، غیر قابل نفوذ باشد، شکل پایداری دارد و مساحت سطح آن به صورت تقریبی قابل اندازهگیری است، ولی بسیاری از نمونهها دارای ساختار متخلخل هستند و تعیین دقیق سطح و میزان تخلخل در آنها با این روش ممکن نیست.

میکروسکوپ الکترونی عبوری
این روش تنها در مورد تعیین میزان تخلخل مواد با حفرات منظم و هم جهت، کارایی دارد و در اندازهگیری تخلخلهای متصل به هم محدودیت دارد.

اسلاید 11 :

روشهای اندازهگیری مبتنی بر پراش
تفرق نوترون زاویه کوچک (Small Angle Neutron Scattering) و تفرق پرتو X زاویه کوچک (Small Angle X-ray Scattering) از جملهی آنالیزهای غیر مخربی هستند که اطلاعاتی پیرامون پارامترهای ساختاری نظیر توزیع اندازه دانه (یا تخلخل)، سطح ویژه و درجه پراکندگی (degree of dispersion) در نانو پودرها، نانوکامپوزیتها و سیستمهای متخلخل در محدودهnm 100-1 ارائه میدهند.
محدودیتهای این دو روش، قیمت بالا و دشواری تحلیل می باشد که استفاده از آنها را جهت تعیین میزان تخلخل محدود ساخته است.

اسلاید 12 :

تخلخل سنجی جیوهای
این تکنیک یک روش بررسی تخلخل مواد مانند اندازه تخلخلها، حجم تخلخل در سطح و حجم ماده و چگالی مطلق ماده است. به کمک این روش نه تنها میزان تخلخل بلکه توزیع خلل و فرجها را نیز میتوان تعیین نمود.

اساس اندازهگیری تخلخل با این روش به این صورت است که جیوه با فشار بالا وارد تخلخلهای نمونه شده و با اندازهگیری میزان فشار لازم برای مقابله با کشش سطحی مایع و ورود آن به تخلخل میتوان اندازه تخلخل را محاسبه نمود.

اسلاید 13 :

روشهای مبتنی بر جذب
اساس کار اندازهگیری تخلخل و سطح در این روشها، بر پایه جذب سطحی ماده جذب شده میباشد. اگر شرایط به گونهای باشد که در آن یک لایه کامل از مولکولهای ماده جذب شونده روی سطح بوجود آید، باتعیین ضخامت متوسط یک مولکول، میتوان سطح اشغال شده توسط مولکول را محاسبه کرد و براساس میزان ماده جذب شده، مساحت سطح کل نمونه را اندازهگیری نمود.
مناسبترین مواد برای این روش ها، گازها یا بخار برخی از مواد هستند که ابعاد مولکولی کوچک دارند و میتوانند به داخل منافذی با ابعاد چند ده نانومتر نفوذ کنند.
از مزایای این روشها میتوان به اندازهگیری تخلخلهای باز و قیمت پایین اشاره کرد.

اسلاید 14 :

تئوری جذب لانگمیر
تئوری جذب لانگمیر با استفاده از فرضیات زیر، از قانون جذب فیزیکی مولکول گاز روی سطح جامد بدست آمده است:
سطح جسم جامد یک سطح کاملا یکنواخت و همگن است و تمام مکانها اولویت یکسان برای جذب دارند.
هر مکان بیشتر از یک مولکول جذب نمیکند، در چنین شرایطی یک تک لایه از مولکولها بر روی سطح جسم جامد جذب خواهد شد.
مولکولهای گاز جذب شده در فاز بخار یک رفتار ایدهآل دارند، یعنی هیچ بر همکنشی بین مولکولهای گاز با هم و با سطح جاذب وجود ندارد.
تمام مولکولها با مکانیزمی مشابه هم جذب سطح میشوند.

اسلاید 15 :

تئوری جذب لانگمیر
تئوری لانگمیر براساس جذب تک لایهای مولکولهای گاز بر روی سطح یک جامد بیان شده است.
میزان سطح پر شده θ برابر است با:

میزان حجم گاز مصرفی برای تشکیل یک لایه در شرایط استاندارد: Vmon و حجم گاز جذب شده در فشار P: V
در این حالت رابطه خطی لانگمیر به صورت زیر است:

از طریق مقادیر شیب و عرض از مبدأ خط حاصل از رابطه فوق، K و Vmon را بدست می آید.
مقدار محاسبه شده Vmon مربوط به میزان مکانهای پر شده توسط گاز میباشد که با دانستن تعداد مولکولهای جذب شده و سطح اشغال شده توسط هر مولکول، میتوان سطح کل را محاسبه نمود.

اسلاید 16 :

تئوری جذب BET
باید توجه داشت که در عمل این چهار شرط به ندرت عملی شده و در واقع سطحی که جذب در آن رخ میدهد پر از نقایص و غیر یکنواختی است.
دیگر اینکه مولکولهای جذب شونده خنثی نبوده و با یکدیگر و با سطح واکنش می دهند،
مکانیزم جذب برای مولکولهایی که در ابتدای فرآیند جذب سطح میشوند با مولکولهایی که در انتها جذب میشوند متفاوت میباشد.
و در نهایت اینکه در عمل شرایط تشکیل تک لایه از اتمهای جذب شده مشکل بوده و معمولا جذب به صورت چند لایه صورت میگیرد.

از این رو تئوری جذب BET برای شرایط جذب چند لایه جهت رفع نقص تئوری لانگمیر ارائه گردید.

اسلاید 17 :

تئوری جذب BET
BET از حرف اول نام سه دانشمند به نام هایبرونر(StephenBrunauer)، امت(Paul Hug Emmett)‏ و تلر(Edward Teller)که این تئوری را در سال 1938 ارائه کرده بودند، گرفته شده است. تئوری جذب BET که گسترده شده تئوری لانگمیر است، بر اساس جذب چند لایهای مولکولهای گاز توسط ماده استوار است.

اسلاید 18 :

تئوری جذب BET
سیستم BET بر اساس سنجش حجم گاز نیتروژن جذب و واجذب شده توسط سطح ماده در دمای ثابت نیتروژن مایع (77 درجه کلوین) کار میکند. پس از قرار گرفتن سلول حاوی نمونه مورد نظر در مخزن نیتروژن مایع، با افزایش تدریجی فشار گاز نیتروژن در هر مرحله میزان حجم گاز جذب شده توسط ماده محاسبه میشود. سپس با کاهش تدریجی فشار گاز، میزان واجذب ماده اندازهگیری میشود و در نهایت نمودار حجم گاز نیتروژن جذب و واجذب شده توسط ماده براساس فشار نسبی در دمای ثابت رسم میشود.
نمودار BET که نمودارجذب و واجذب همدما(Adsorption/Desorption Isotherm) نیز نامیده میشود، یک نمودار خطی است که میزان سطح موثر ماده از آن استخراج میشود.

اسلاید 19 :

معادله BET
معادله BET:

P= فشار جزئی گاز جذب شده(دردمایk77/4-پاسکال)
Po= فشار جزئی گاز جذب شده(پاسکال)
Va= حجم گاز جذب شده در شرایط استاندارد(میلی لیتر)
Vm= حجم گاز جذب شده برای تولید یک تک لایه روی سطح نمونه در حالت استاندارد(میلی لیتر)
C= مقداری ثابت-وابسته به آنتالپی جذب گاز جذب شده روی نمونه پودری

اسلاید 20 :

ایزوترم جذب
جذب معمولا از طریق ایزوترمهایی بیان می شود که معادل میزان ماده جذب شونده روی سطح جاذب است و تابعی از میزان فشار یا غلظت ماده جذب شونده در شرایط دمای ثابت میباشد. ایزوترمهای جذب به شش گروه طبقهبندی می شوند.

در همه انواع ایزوترمهای جذب، با افزایش فشار جزئی بخار ماده جذب شونده، مقدار مادهای که جذب میشود افزایش مییابد تا زمانی که یک تک لایه روی سطح بوجود آید. افزایش فشار پس از این نقطه باعث بوجود آمدن بیش از یک لایه روی سطح میشود.