Молекулярное сито представляет собой синтетически приготовленный цеолит — натриевые и кальциевые алюмосиликаты, например Na2O •Al2O3•SiO2•H2O. В кристаллах цеолита заключено большое количество кристаллизационной воды, поэтому после ее удаления при нагревании получается пористое вещ ество с размерами пор, определяемыми способом приготовления цеолита и составом исходных компонентов. Размер пор (обычно 0,4—1,0 нм) сравним с диаметром молекул газа (около 0,3 нм). В табл. 3.2 приведены размеры пор некоторых цеолитов, выпускаемых фирмой Linde, а также для сравнения указан размер пор активированного древесного угля1'. Из пористых кристаллов цеолита (размером 0,1—1 мкм) изготовляют на основе глины или другого подобного материала шарообразные или цилиндрические гранулы размером в несколько миллиметров.

Благодаря высокопористой структуре цеолит, как показывают измерения по методу БЭТ, обладает большой эффективной площадью поверхности, составляющей ~600 м² на 1 г цеолита. Имеющиеся различия между выпускаемыми цеолитами с точки зрения их использования в адсорбционных насосах незначительны, поэтому марку цеолита можно выбирать произвольно; некоторые предпочитают цеолит 5А, тогда как другие—13Х. Основным конструктивным элементом насоса является камера, внутри которой помещен адсорбирующий материал.

К откачиваемой системе насос подсоединяется с помощью клапана, как показано на рис. 3.10. Насос активируют прогревом приблизительна до 2000C при открытом выпускном и закрытом впускном клапанах. При нагреве цеолита из него удаляются пары воды, составляющие основную часть газа, поглощенного цеоли том при комнатной температуре.

После завершения прогрева выпускной клапан закрывается, насос охлаждается до температуры жидкого азота (погружением в сосуд Дьюара с жидким азотом), а затем клапан, соединяющий насос с системой, открывается, и давление в ней понижается приблизительно др 1 Па. Если насос используется для создания предварительного разрежения в ионном насосе, его можно отключать, как только начинает работу ионный насос. Поскольку количество поглощенного газа может в несколько раз превосходить объем камеры насоса при нормальных условиях, в конструкции насоса предусмотрен предохранительный клапан, который служит для сбрасывания избыточного давления при удалении охладителя после окончания откачки.

Особенности конструкции и области применения адсорбционных насосов определяются: а) эффектом насыщения, б) избирательной откачивающей способностью по отношению к различным газам и в) теплопроводностью гранул цеолита.

Важность первых двух факторов легко уяснить, рассматривая процесс адсорбции (3.4). Полное число молекул газа, которые могут быть поглощены поверхностью единичной площади, определяется из уравнения (3.4) в условиях равновесия (dN/dt=0). В этом случае \aa=v№c и

(3.5)

Таким образом, полное число поглощенных молекул пропорционально давлению и экспоненциально уменьшается с повышением температуры поверхности при ?>0 (случай физической адсорбции).  Зависимость N_Aнас от давления при постоянной температуре представляет собой так называемую изотерму адсорбции и является важной характеристикой используемого адсорбента.

Величина энергии активации в случае физической адсорбции практически не зависит от типа адсорбента, а определяется, по существу, составом поглощаемого газа. Она равна теплоте адсорбции и возрастает с повышением температуры кипения газа. Например, гелий, точка кипения которого составляет 4,2 К, имеет теплоту адсорбции ~590 Дж-моль-1, водород — соответственно 20,4 К и 6,3 кДж-моль-1, тогда как аргон, азот, кислород и окись углерода, температуры кипения которых находятся в диапазоне 77-90 К, имеют теплоты адсорбции 12-17 кДжмоль^-1.

Влияние энергии активации на изотерму адсорбции представлено на рис. 3.11, где приведены зависимости количества газа, адсорбируемого цеолитом типа 5А, от давления неона, гелия и азота. Эти данные были получены путем откачки системы до 10~4 Па, измерения впускаемого количества газа и определения равновесного давления.

Из приведенных на рисунке графиков видно, что при температуре жидкого N2 (78 К) азота поглощается намного больше, чем неона или гелия, чего и следовало ожидать, исходя из энергий активации этих газов. Наблюдаемый эффект насыщения для азота (выход кривой для N2 на горизонталь) объясняется образованием на поверхности однородного мономолекулярного слоя поглощенного газа и, как следствие, уменьшением адсорбции. Для 1 г цеолита насыщение начинается при поглощении ~ 10 Па*м³ газа. В этом количестве газа содержится около 3•1O²¹ молекул; если указанную величину отнести к площади поверхности 1 г цеолита, равной 600 м2, то получим, что молекулярная плотность монослоя поглощенного газа составляет около 5•1O⁴ молекула-см-2, что хорошо согласуется с действительным значением этой величины.

Из изотерм адсорбции можно оценить предельное разрежение, создаваемое грамм-молекулой цеолита в сосуде объемом V при начальном давлении р. В качестве примера Тернер и Файнлайб рассмотрели откачку воздуха при начальном атмосферном давлении с помощью цеолита типа 5А, охлажденного до температуры жидкого азота.

На рис. 3.12 представлена зависимость предельного разрежения от величины V/W (V— объем откачиваемой системы, W—масса цеолита), полученная из изотермы адсорбции. Из рисунка видно, что при V/W<10^-4 м³г^-1 парциальные давления Ne, Не и N2 одного порядка; при больших значениях V/W остаточное давление азота возрастает на несколько порядков величины. В реальных условиях адсорбция неона и гелия несколько ниже. Этот эффект объясняется, вероятно, значительным поглощением азота, что, в свою очередь, влияет на изотермы адсорбции остальных газов (этот фактор не учитывался при построении зависимостей рис. 3.12).