В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Свойства современных сорбентов
Получение вакуума - Вакуумные конденсаторы

В современных сорбционных насосах в качестве активного металла применяется титан, который получил коммерческое распространение в результате развития сверхзвуковой авиации. Пленочный слой титана непрерывно наносится на газопоглощающую поверхность в результате нагрева и испарения из специального источника или вследствие распыления титанового катода в электрическом разряде. Поэтому насос сохраняет ненасыщенную откачивающую способность в течение всей работы Связывание молекул носит устойчивый характер, так как происходит хемосорбция. Часто применяют ионизацию для улучшения откачки инертных газов, тогда под действием поля ионы «вбиваются» в титан, т. е. погружаются в него на некоторую глубину.

Быстрота откачки сорбирующих поверхностей зависит от коэффициента прилипания молекул, который определяют как отношение действительной удельной быстроты откачки к теоретически максимальной [11,6 л/(сек*см2)], определенной в предположении поглощения титаном всех молекул, соударяющихся с его поверхностью. На поверхности титана происходит хемосорбция с предварительной диссоциацией молекул газа на атомы. Титан образует с газами N2, О2, Н2 твердые нелетучие соединения, устойчивые при комнатной температуре. Не соединяются с титаном инертные газы Ne, Ar, Не с заполненными верхними электронными оболочками. При комнатной температуре на поверхности титана происходит реакция Н2→2Н; сорбированный атомарный водород активен и образует метан СН4, дейтерометан и другие летучие углеводороды, атмосфера которых определяет предельный вакуум сорбционных титановых насосов. При этом коэффициент прилипания порядка 0,1, так как при диссоциативной сорбции для каждой молекулы требуется наличие двух близких активных центров.

В 1961 г. Е. Н. Мартинсон и другие советские исследователи открыли явление низкотемпературной сорбции (НТС). При охлаждении пленки титана ниже критической величины, порядка температуры жидкого азота (—196° С), резко возрастает коэффициент прилипания, приближаясь к 1, изменяется природа сорбции газов, подавляются вторичные химические реакции образования углеводородов. Это можно объяснить сорбцией без диссоциации, когда молекула газа как целое связывается с атомами титана на одном активном центре При низких температурах титан начинает поглощать аргон в результате физической адсорбции, но связь его слабая, и при малых нарушениях теплового режима аргон выделяется. Равновесная быстрота откачки охлаждаемого титана достигает 8 л/(сек-см2). Предельный вакуум определяется равновесием сложных процессов поглощения и выделения различных газов, главным образом водорода. Можно получить давление порядка 10-10 тор.

В адсорбционных насосах применяются пористые неметаллические сорбенты: цеолиты, силикагели, активированные угли. Они также охлаждаются жидким азотом для увеличения сорбции, однако в отличие от непрерывно действующих сорбционных титановых насосов эти сорбенты насыщаются при поглощении определенного количества газа. Адсорбционные насосы работают с циклами попеременной откачки и регенерации прогревом для очистки сорбента.

Сильное влияние на свойства сорбента оказывает структура его пор, определяющая полную поверхность. Крупные поры размером 10-3—10-4 см соответствуют удельной поверхности сорбента порядка 0,1 м2/г; сорбенты с мелкими порами (10-6 см) имеют поверхность 1—102 м2/г; сорбционную емкость в основном определяют микропоры (10-7—10-8 см, поверхность 102— 104 м2/г).

Широкое применение в вакуумной технике находят цеолиты — синтетические или естественные полимерные алюмосиликаты. Они могут быть трехмерными (шабазит), нитевидными (натролит) или пластинчатыми (гей-ландит). Их структура образована сеткой анионов (Si—О—А1)+, между узлами которой находятся катионы Сl- и нейтральные молекулы воды. Воду можно удалить дегидратацией без нарушения кристаллической решетки, причем образующиеся пустоты могут заполняться газом.

Цеолиты называют молекулярными ситами из-за избирательной сорбции различных молекул. Например, при нормальных условиях шабазит с порами размером 3,5*10-8 см поглощает 702 н. см3/г паров воды (диаметр молекулы d = 2,76*10-8 см) и только 3,3 см3/г водорода (а=3,74*10-8 см).

Синтетические цеолиты имеют структуру в виде каркаса из тетраэдров SiO4 и АlO4. Их химический состав определяется формулой

(АО) n (Аl2O3)m(SiO2),Н2О, 

где АО — окисел щелочного металла. Эти каркасы не меняются при удалении воды, в результате образуются пористые кристаллы. В цеолитах имеются полости, сообщающиеся через малые окна следующих размеров: для NaA — 4*10-8 см; для СаА — 5* 10-8 см; для СаХ — 8*10-8 см и для NaX—9*10-8 см. Размеры окон зависят от природы ионного обмена катиона щелочного металла в алюмосиликатом скелете.

Активированные угли состоят из мелких кристаллов углерода с решеткой графита, из которых образуются разветвленные соединения с зазорами (порами).

Наибольшей сорбционной способностью обладает группа газовых углей, березовый БАУ, торфяной СКТ. Их поры порядка (6—9)•10-8 см, удельная поверхность до 1500 м2/г.

Скелет силикагелей может быть выражен общей формулой (Si02)n Н2О. Для получения сверхвысокого вакуума лучшие результаты дает группа тонкопористых однородных силикагелей с размером пор менее 70*10-8 см.

Сорбционная способность цеолитов, активированных углей и силикагелей характеризуется изотермами для воздуха, полученными при температуре —195,5° С (рис. 7). Из цеолитов наибольшее количество воздуха поглощает NaX с размером входных окон 9*10-8 см. Предельный вакуум порядка 10-9 тор при сорбции воздуха цеолитами в основном определяется газами Аг, Н2, Не, Ne.

Сорбционная емкость активированных углей зависит от технологии термической обработки при 200—500° С, формирующей их микропористую структуру. Предельный вакуум порядка 10-9 тор определяется газами Н2, Ne, Не. Наилучшим углем для «чистого вакуума» является СКТ. Силикагели содержат в скелете воду, которая в виде гидроксильных радикалов соединяется с основной цепью


 Сорбируемые вещества могут образовывать с гидроксилами водородные связи, поэтому полная дегидратация уменьшает активность силикагелей. С помощью силикагеля СШ-19 с поверхностью 790 м2/г был получен предельный вакуум 10-8 тор.

 

В последнее время в качестве сорбентов изучают воду, сконденсированную при температуре жидкого азота, и слои твердых газов (в основном С02) при температуре жидкого водорода. Эффект поглощения водорода твердым углекислым газом при 20° К оказался очень мощным и может служить новым средством откачки Н2.


 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 213 гостей на сайте
=
Рейтинг@Mail.ru