IsoSORP（气体吸附分析仪）

独特的磁悬浮天平技术

每台 Rubotherm 仪器的核心均采用获得专利的磁悬浮天平 (MSB)，其使用外部微量天平在密闭的反应池中称重样品。上述操作通过磁悬浮耦合技术实现，该技术可将重力传递到样品池壁。

本设计采用永久性悬浮磁铁，固定于上方内部悬浮轴顶部。下方内部悬浮轴与托载样品材料的坩埚相连。上方和下方悬浮轴之间存在一个负载联轴机构。上轴和下轴以及样品坩埚均封装在样品池内。

控制外部电磁铁吸附内部永久磁铁。这样即可提升内部悬浮磁铁，并使其与负载联轴器接合，从而抬升样品坩埚。电磁铁控件持续施加引力，直到系统达到恒定的测量点高度。

池中的样品重量由电磁铁连接的外部微量天平确定，其分辨率和精度极高。

自动样品分离功能 (ASD)

在测重实验开始阶段，天平自动测量皮重并进行校准，建立重量测量的“零点”。该零点值用于后续的所有测量操作。然而，实验持续时间可能为数小时到数周不等，零点漂移会削弱在延长时间内针对微小重量变化的测量能力，导致测量精度下降。漂移通常由外部因素引起，如实验室温度波动以及气压或湿度等。

尝试提高信号精度的传统方法为运行空坩埚基线并将其从运行的样品中去除。由于不存在两次实验完全相同的情况，这种方法并不完善，其固有缺陷还会将实验时间加倍，并非理想选择。TA 的 IsoSORP 吸附分析仪采用获得专利的 MSB 技术，唯有其通过独特的自动样品分离 (ASD) 功能进行实时漂移校正，将重量精度提高至前所未有的水平，尤其适用于长期测量。

ASD 工作原理：

如上图所示，MSB 设计采用一个轴负载联轴器。电磁铁在通电后吸引与上轴相连的永久磁铁。上轴向上抬升并与联轴器接合，同时将坩埚提升至测量点进行重量测量。在实验期间，可以随时向下移动永久悬浮磁铁，使其与样品坩埚分离。

向下移动时，轴负载联轴器在支架上静止。悬浮磁铁将保持自由浮动状态，仅将其重量传送到天平。向对应于空载天平的新零点位置移动时，可在测量期间甚至工艺条件下（压力、温度）在样品池中进行皮重测量和校准。只有 TA 仪器的商用重力测量分析仪支持在测量过程中对天平进行由自动化软件控制的独特校准。

双样品重量和气相密度测量

IsoSORP 可配置第二负载联轴器和样品位置，支持在单次实验中对两个样品进行重量测量。该功能可用于对两样品进行比较测量（例如比较反应样品和参考样品）或者确定反应器中气体的吸附性和密度。

第二联轴器和样品位置总计可创建三个垂直位置，可在这些位置对 MSB 进行控制。其中包括零点或皮重位置、测量点 1 和测量点 2。该功能通过上图中的一系列原理图进行如下说明：

• 零点位置：只有永久磁铁悬浮，从而进行皮重测量和/或校准微量天平。
• 测量点 1：永久磁铁升起并与第一个联轴器接合，其中第一个反应样品（吸附剂、催化剂、有机材料等）的重量在测定后应用于吸附测量 1。
• 测量点 2：第一联轴器接合后，永久磁铁进一步抬升至与第二联轴器接合，提升两个样品并测量组合质量。通过从组合重量中减去在测量点 1 处测得的重量测定第二个样品的重量，然后将其应用于吸附测量 2。在测定反应器中的液相密度时，体积已知的惰性沉降片作为第二个样品。根据阿基米德原理，通过作用于沉降片的浮力可精确测定反应器中的气相密度。

自动进行浮力校正，获得无可比拟的实际质量精度

在吸附测量中，样品暴露在温度和压力受控的反应气体中。压力通常逐步增加，针对因吸附或吸收样品中/上的气体而产生的样品质量变化进行测量。气相密度同样品质量一起随压力和/或温度变化，引起作用于样品的浮力效应发生变化。浮力效应是由样品替换的反应气体环境质量，会引起样品质量“表观”损耗或者通过天平观测到“表观样品质量”测量。必须进行浮力效应校正，以获得“实际样品质量”。

所有天平只能测量实际样品质量和作用于样品的浮力效应之间的差异，或者所谓的表观质量。为了校正样品质量的浮力效应，必须将置换气体 (m^G) 的质量添加到由天平称量的表观样品质量 (Δm) 中（方程 1）。为精确测定置换气体的质量，样品体积 (V) 和气体密度 (ρ^G) 必须已知（方程 2）。

与传统吸附分析仪不同，IsoSORP 可执行直接重力测量，不依赖于压力和温度数据通过状态方程计算 ρ^G。独特设计与放置质量和体积已知的惰性“沉降片”的第二个称重位置相结合。对“沉降片”的简单重量测量支持在原位直接测定实际 ρ^G 。这种方式支持直接测量密度，即使反应气体不是纯流体，也能够提供准确的测量结果，比计算方法精确很多。

此外，使用 He 作为反应气体时，IsoSORP 还可通过浮力测量自动进行精确的样品体积测量。IsoSORP 是唯一一款直接对 ρ^G 和体积进行高精度测量的仪器，还可直接测定置换气体的质量，为样品实际质量的测量提供了无可比拟的精度。

样品温度控制

IsoSORP 吸附分析仪支持的配置可提供的最大温度范围为 -196°C 至 400°C

每台 IsoSORP 仪器均配有液体循环器温度系统，可在室温至 150°C 的范围内提供温度控制。对于 LT 配置，可在低温环境中进行控制，温度介于 -20°C 和 100°C 之间。

低温冷却适用于对 Cryo 配置进行等温测试，使用液氮时的温度为 -196°C，使用液氩时的温度为 -186°C。选配的冷气冷却系统在 Cryo 配置中提供 -150°C 至 20°C 的扩展低温控制。

多数 IsoSORP 仪器配置均采用一套样品电加热系统，可扩展液体循环器的温度控制范围。通过电加热，样品温度可控制在约 100°C 至最高 400°C 的范围内。对于最大压力配置为 350 bar 的系统，在压力超过 150 bar 时，最大温度限制为 150°C。

超过二十种不同型号的 IsoSORP 吸附分析仪经过预先配置，满足客户应用需求。有关详细信息，请参见“仪器技术参数”。

配量系统

气体和蒸气配量、混合以及压力控制系统

吸附测量的精度取决于针对反应气体成分和压力的精确控制。IsoSORP 吸附分析仪配有三个先进的气体与蒸气配量和混合系统以及压力控制器，可确保最佳的数据质量，具有极高灵活性，可适应各种应用。

静态压力控制器与净化气体或蒸气相结合，在达到设定值前持续向样品室填充反应气体。超过设定值后，气体或蒸气不再流动。流量配量和压力控制器系统与净化气、混合气和气体与蒸气混合物相结合，通过动态压力控制器在出口生成持续流入样品池的反应气体流。混合配量系统与混合气以及气体与蒸气的混合物结合使用。这些装置支持对成分受控的混合物进行混合和体积配量，从而进行选择性测量。

静态压力控制器提供独特的加热型号，适合包括蒸气（例如水、碳氢化合物、溶剂）和可压缩液体（例如 CO2、NH3、丁烷）在内的应用。即使在高压条件下，也可通过加热防止冷凝。消除了其它商用吸附分析仪对压力控制范围的限制，应用领域的广泛程度前所未有。

气体与蒸气配量系统配有触摸屏，显示 IsoSORP 仪器中反应气体的实际状态和压力。自动操作和数据采集由 RSCS 软件控制。下表列出了提供的气体与蒸气配量系统以及技术参数。

^[1] 真空技术参数：0.0075 Torr 可能值（需要足够的真空泵）
^[2] 包含亚临界流体 (SC)，高达低于特定最大压力限值的水平
^[3] RT 条件下，亚临界流体的最大压力限制为冷凝压力的 40% 左右
^[4] 150°C 条件下，亚临界流体的最大压力限制为冷凝压力的 40% 左右
^[5] 100°C 条件下，亚临界流体的最大压力限制为冷凝压力的 40% 左右
^[6] 60°C 条件下，亚临界流体的最大压力限制为冷凝压力的 40% 左右

腐蚀性和有毒气体的吸附测量

许多应用使用或产生有毒和/或腐蚀性气体。对于含有这些气体的混合物，吸附通常是分离或净化的首选方法。所有相关气体的吸附等温线是正确设计吸附净化过程和材料的基础。IsoSORP 吸附分析仪设计将反应气体与周围环境完全分离，因此支持对腐蚀性和有毒气体进行吸附测量，为工艺和材料开发提供吸附等温线。

天然气和生物气可能包含相对浓度较高的 H2S，这是一种有毒且具有腐蚀性的污染物，使用前必须从气体中去除。如果 H2S 在 CH4 之前被吸附，成为天然气和生物气的主要成分和有价值物质，则在此净化过程中，可从天然气混合物中优先吸附 H2S。在下图中，对比了活性炭中纯 H2S 和纯 CH4 的吸附等温线。测量在 25°C 的温度下进行，涵盖 70% 以上的 H2S 蒸气压力范围。从图中可知，H2S 的吸附性比 CH4 的吸附性高出三倍。

氨是一种有毒的腐蚀性物质，散发恶臭气味。因此，必须从各种废气中除去氨，例如在农业和废水处理时进行通风。此外，采用氨作为工作流体的吸附式制冷循环系统是一种提供良好环境的优选方案，例如空调。对于所有这些过程，氨的吸附和解吸等温线是所需的基本信息。在下图中，活性炭在 25°C 下对氨的吸附和解吸等温线与压力呈函数关系。氨在低于 132.4°C 的温度下呈蒸气状态，因此所示等温线实际是蒸气吸附和解吸曲线。该测量范围涵盖的相对蒸气压力范围高达 0.999，如图象中第二条 x 轴所示。

下例中的测量通过配有加热压力控制器的 IsoSORP 吸附分析仪 (400-150, S-SC) 执行。借助加热压力控制器，亚临界蒸气 H2S 和 NH3 可在高压条件下使用，不发生冷凝。

爆炸性和有毒气体的吸附测量

工艺燃烧过程通常不会将燃料完全氧化，导致生成 CO。此外，在煤炭和生物质气化过程、蒸气重组和高炉煤气中，也会产生相对较多的 CO。
众所周知，这种有毒气体可对某些催化剂产生毒性污染，因此必须在下游气体净化过程进一步利用前将其去除。吸附通常用于气体分离和净化过程，可靠性较高。要选择或开发合适的吸附材料，需要吸附等温线。上图中对比了当温度为 25°C 时，活性炭在高压条件下对 CO 和 CH4 的吸附曲线。由于优先吸附 CH4，该吸附材料明显不适合去除 CH4 中的 CO。

对永久气体的测量（如上图所示）可通过所有配备静态压力控制器或流动气体配量系统的 IsoSORP 吸附分析仪进行。

高压气体和亚临界流体吸附

针对多孔吸附材料的高压气体吸附测量提供与工艺和应用相关的重要方法，便于了解固态-气体的相互作用。高压吸附分析不仅提供定量质量变化以及吸附和解吸的运动速率，还提供实际情况信息、与应用相关的吸附能力、空隙可达性和等量吸附热。常用研究材料包括：活性炭、沸石、金属氢化物、金属有机框架/MOF 和二氧化硅。

借助 Rubotherm 系列 IsoSORP 吸附分析仪，可进行具有出色精度和重现性的高压气体吸附测量。为了演示测量的重现性，现已使用采用各种配置的 IsoSORP 吸附分析仪对内部参考材料进行高压氮气 (N2) 吸附测量。在下图中，针对四部采用静态或动态配置的 IsoSORP 吸附分析仪，我们对比了在高达 150 bar 的压力范围内有关 N2 吸附测量的结果。采用不同配置的各种仪器所执行的测量具有出色的重现性。

IsoSORP 仪器提供 Gibbs 过剩吸附数据。过剩吸附数据是经过校正的浮力/死区体积，采用被测吸附材料的骨干体积，以 He 作为参考气体。忽略吸附物所占孔隙体积的增加。因此，在通过高压状态的最大值时，过剩吸附、等温线下降。在高压下，尤其是吸附率和孔隙占用率较高的情况，过剩吸附和绝对吸附之间的差异可能增大。上述情况如右下图所示。此处将煤炭样品在 30°C 以及高达 330 bar 的压力下对 CH4 的过剩吸附与绝对吸附进行了对比。

Rubotherm 系列 RSCS 软件可基于实验数据轻松将过剩吸附转换为绝对吸附。吸附剂的密度由过剩吸附等温线的下降部分确定并作为数据处理的结果呈现。

高压气体和亚临界流体吸附

最高压力经常出现在深层地下的地质构造中。天然气可以吸附到数千米深的煤或页岩地层中。要利用这些非传统储气层，必须在相同的压力和温度条件下测量这些材料中的储气量。IsoSORP 吸附分析仪可在高达 700 bar 和 150°C 的条件下进行使用，大约可在 5,000 m 的深处进行测量。下图表示在高达 700 bar 和不同温度下测量的页岩中 CH4 的含量（单位：立方尺/吨）。通过这些数据，可得出地质页岩储气层的储气量。

在室温下测量处于亚临界状态的流体的高压吸附时，需要采用完全加热的仪器。如果浸润的仪器部件中存在冷点，会导致亚临界 (SC) 流体冷凝并降低系统压力。IsoSORP 吸附分析仪可配备加热压力控制器，确保所有浸润部件的温度高于多数工艺相关的 SC 流体（例如 CO2、丁烷、NH3）的临界温度，有助于在高压下采用 SC 流体进行测量。

右下图显示在 35°C 和高达 80 bar* 的压力下，聚醚多元醇对 CO2 的吸收量。多元醇用于生成硬质聚氨酯泡沫，通过 CO2 废气形成泡沫。对于工艺和材料开发，需要掌握 CO2 在受控压力和温度下的溶解度。IsoSORP 吸附分析仪的设计旨在生成该数据。

非刚性吸附材料（例如聚合物、离子液体）的体积/密度随吸附气体的变化而变化。这种体积变化对于过程设计和数据处理非常重要。为此，IsoSORP 吸附分析仪可配备一个带窗口的高压样品池，从而对测试材料的体积变化进行光学检测。配备带窗口的高压样品池的 IsoSORP 吸附分析仪如右图所示。上图中的绿色数据*为吸附了 CO2 的聚合物体积。

* 数据来源：M. R. Di Caprio 等：聚醚多元醇/CO2 溶液：通过耦合重量测定与轴对称滴液形状分析获得溶解度、相互扩散系数、比容和界面张力；流体相平衡；425 (2016)，342-350

蒸气吸附

多数基础化学工程和材料科学应用均需对蒸气吸附有基本的了解。部分示例包括气体或空气干燥、烟气净化、炼厂气分离以及药物或食品的浸润和干燥过程。对于上述示例及不胜枚举的其它示例，水与有机溶剂蒸气的吸附和解吸等温线以及动力学参数是正确获取材料配方和/或工艺设计的重要因素。

IsoSORP 吸附分析仪系统配有气体与蒸气加注系统，非常适用于优异的蒸气吸附测量。IsoSORP 采用独特的设计，具有防冷凝加热功能，能够在湿度/蒸气压力极高的条件下使用与工艺相关的湿气和纯蒸气进行测量。右图示例显示活性炭在 120°C 下对纯水蒸气（无运载气体）的吸附和解吸等温线。此次测量中的压力最高可达 1.8 bar，约为 120°C 下饱和压力的 90%。所示等温线显示疏水吸附材料的典型形状，几乎没有饱和度低于 50% 的吸附。随后，吸附性急剧增加，增幅约为 45%。与吸附等温线相比，解吸等温线显示迟滞回线。

另一个示例如下图，显示活性炭在 25°C 下对纯二氯甲烷蒸气的吸附性。二氯甲烷是一种广泛用作净化剂和溶剂的材料。这是一种毒性材料，不能排放到环境中。活性炭吸附是去除二氯甲烷和其它有机溶剂的标准方法。结果显示，活性炭的有机等温线呈现为典型的 1 类吸附等温线，加载重量高达 65%。

Rubotherm IsoSORP 吸附分析仪提供多种配置，可在压力受控的纯蒸气环境或湿润的运载气流中进行静态蒸气吸附测量。测量方法的选择取决于特定材料应用。然而，无论采用何种工艺，可靠的仪器都会提供一致的结果。为了展示 IsoSORP 的卓越性能，下图对比显示了 150°C 下水蒸气在纯蒸气状态和使用 N2 作为运载气体时的吸附性。由此可知，IsoSORP 配置生成等效数据，与应用无关。