Charakterizace pevné fáze rtuťová porozimetrie, distribuce velikosti částic, optická mikroskopie

Podobné dokumenty
KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM - Základní materiálové parametry

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN - Základní materiálové parametry

METODY FARMACEUTICKÉ TECHNOLOGIE ČL 2009, D PharmDr. Zdenka Šklubalová, Ph.D

Optika pro mikroskopii materiálů I

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_10_Zobrazování optickými soustavami 1

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

Teorie měření a regulace

Mezi krystalické látky nepatří: a) asfalt b) křemík c) pryskyřice d) polvinylchlorid

Vliv komy na přesnost měření optických přístrojů. Antonín Mikš Katedra fyziky, FSv ČVUT, Praha

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

T- MaR. Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. Podmínky názvy. 1.c-pod. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

M I K R O S K O P I E

Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Mikrovlny

Světlo jako elektromagnetické záření

10. Analýza částic Velikost částic. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Akustický přijímač přeměňuje energii akustického pole daného místa na energii elektrického pole

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

II. Zakresli množinu bodů, ze kterých vidíme úsečku délky 3 cm v zorném úhlu větším než 30 0 a menším než 60 0.

Stanovení povrchových vlastností (barva, lesk) materiálů exponovaných za podmínek simulující vnější prostředí v QUV panelu

Vlnové vlastnosti světla. Člověk a příroda Fyzika

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

Pozorování Slunce s vysokým rozlišením. Michal Sobotka Astronomický ústav AV ČR, Ondřejov

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Příklady použití tenkých vrstev Jaromír Křepelka

MĚŘENÍ ABSOLUTNÍ VLHKOSTI VZDUCHU NA ZÁKLADĚ SPEKTRÁLNÍ ANALÝZY Measurement of Absolute Humidity on the Basis of Spectral Analysis

LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Refraktometrie, interferometrie, polarimetrie, nefelometrie, turbidimetrie

Základy fotometrie, využití v klinické biochemii

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

1. Změřte teplotní závislost povrchového napětí destilované vody σ v rozsahu teplot od 295 do 345 K metodou bublin.

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

Při reálném chromatografickém ději nikdy nedojde k ustavení rovnováhy mezi oběma fázemi První ucelená teorie respektující uvedenou skutečnost byla

Kompaktace. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Suchá granulace Princip. Vazebné síly. Stlačování sypké hmoty mezi dvěma povrchy

FTTX - Měření v optických sítích. František Tejkl

Měření absorbce záření gama

Světlo 1) Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění (jako rádiový signál, Tv signál) elmg. vlnění = elmg. záření

Hydromechanické procesy Hydrostatika

Měření a analýza mechanických vlastností materiálů a konstrukcí. 1. Určete moduly pružnosti E z ohybu tyče pro 4 různé materiály

Tabulka I Měření tloušťky tenké vrstvy

Výpočet konsolidace pod silničním náspem

Chemie a fyzika pevných látek p2

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

4 Měření nelineárního odporu žárovky

2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM 2.

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 6. Měření rychlostí proudění

Praktikum z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky I. Vypracoval: Jana Čurdová, Martin Kříž, Vít Marek. Dne: 2.3.

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU POMOCÍ DIFRAKČNÍ METODY DEBYEOVA-SCHERREROVA NA ZPĚTNÝ ODRAZ

Měření povrchového napětí

S v ě telné jevy. Optika - nauka - o světle, jeho vlastnostech a účincích - o přístrojích, které jsou založeny na zákonech šíření světla

Stanovení texturních vlastností fyzisorpcí dusíku

Měření závislosti indexu lomu kapalin na vlnové délce

Chemie a fyzika pevných látek l

Úloha 10: Interference a ohyb světla

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

DUM č. 12 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

ZOBRAZOVÁNÍ ČOČKAMI. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Septima - Optika

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

pracovní list studenta

Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

9. Geometrická optika

Lom světla na kapce, lom 1., 2. a 3. řádu Lom světla na kapce, jenž je reprezentována kulovou plochou rozhraní, je složitý mechanismus rozptylu dopada

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

6. Viskoelasticita materiálů

Úloha č.9 Měření optických kabelů metodou OTDR (Optical Time Domain Reflectometry)

Odraz světla na rozhraní dvou optických prostředí

LOGO. Struktura a vlastnosti kapalin

5b MĚŘENÍ VISKOZITY KAPALIN POMOCÍ PADAJÍCÍ KULIČKY

Výpočet konsolidace pod silničním náspem

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN

Chyby měření 210DPSM

Nástin formální stavby kvantové mechaniky

Příklady biochemických metod turbidimetrie, nefelometrie. Miroslav Průcha

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Křehké materiály. Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek, 2008

Hmotnostní spektrometrie

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

Projekt FRVŠ č: 389/2007

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu

Transportní jevy v plynech Reálné plyny Fázové přechody Kapaliny

Měření indexu lomu kapaliny pomocí CD disku

DIFRAKCE ELEKTRONŮ V KRYSTALECH, ZOBRAZENÍ ATOMŮ

Krystalografie a strukturní analýza

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

Transkript:

Laboratoř oboru Charakterizace pevné fáze rtuťová porozimetrie, distribuce velikosti částic, optická mikroskopie Laboratorní práce slouží k úvodnímu seznámení s metodami, které jsou na Ústavu anorganické technologie používány k charakterizaci pevné fáze. Postupně bude stanovena porozita a distribuce velikosti pórů pevného vzorku, dále distribuce velikosti částic práškového vzorku a pořízen snímek jednotlivých částic pomocí optického mikroskopu. 1. Stanovení porozity pevné fáze rtuťovou metodou Rtuťové porozimetrie se zabývá stanovením texturních charakteristik pevných látek. Metoda je využívána především při výzkumu katalyzátorů, sorbentů, přírodních surovin, keramických a stavebních materiálů, stupně narušení uměleckých památek a dalších pevných porézních látek v kusové nebo práškové formě. Teoretická část Rtuťová porozimetrie je založena na jevu kapilární deprese projevující se tím, že při ponoření pevné porézní látky do rtuti, která ji nesmáčí (tj. úhel smáčení je větší než 90 ), může rtuť vniknout do jejich pórů pouze účinkem vnějšího tlaku. Tento tlak musí být tím větší, čím užší póry mají být zaplněny. Kvantitativně vyjádřil příslušný vztah již v roce 1921 Washburn vzorcem: g h r 2 = -2 r.cos, kde g m/s 2 je zrychlení, g/m 3 je hustota rtuti, h m je výška sloupce rtuti v póru, r m je poloměr póru kruhového průřezu, N/m je povrchové napětí rtuti v póru a je úhel smáčení stěn pórů rtutí. Uvedený vztah lze přepsat ve tvaru: g h = P = -2.cos / r, kde P N/m 2 je celkový tlak, pod nímž rtuť vniká do póru. Poloměr zaplněného póru je tedy nepřímo úměrný hodnotě použitého tlaku, takže při nejmenších tlacích jsou rtutí zaplněny póry o největším poloměru a každý přírůstek tlaku vyvolává vniknutí rtuti do frakce pórů o příslušném menším poloměru. Při formulování kvantitativního popisu bylo přijato několik zjednodušujících předpokladů: pevná látka má póry s neelastickými stěnami a s pravidelným tvarem (tento tvar je však u reálných materiálů málo pravděpodobný, a proto je třeba na hodnotu poloměru 1

pohlížet jako na efektivní hodnotu) povrchové napětí rtuti a její smáčecí úhel s povrchem pevné látky jsou uvažovány za nezávislé na tlaku. Z literatury vyplývá, že oba poslední předpoklady jsou splněny. Vedle toho jsou v souvislosti s touto metodou diskutovány korekce na stlačitelnost rtuti, skla a na změnu objemu pórů s tlakem. O něco významnějším faktorem je případná deformace struktury materiálu. Součet všech korekcí však ukazuje, že jejich zanedbáním nedochází k podstatnému zkreslení naměřených výsledků proti skutečnosti, neboť suma všech korekcí činí jen několik procent z celkového měřeného objemu. Princip měření rtuťovým porozimetrem spočívá ve sledování závislosti vloženého tlaku na úbytku rtuti v nádobce, z níž je rtuť vytlačována do pórů měřeného materiálu. Úbytek rtuti a tím zjištění tzv. intruzního objemu se v moderních přístrojích určuje například ze změny kapacity kondenzátoru, který je tvořen kovovou vrstvou nanesenou na skleněné kapiláře a rtutí, která kapiláru částečně zaplňuje. Vysokých tlaků (200 MPa nebo 400 MPa) je dosaženo pomocí tlakových násobičů (multiplikátorů). Vlastní měření je prováděno na přístroji AutoPore 9500 od U.S. firmy Micromeritics, který je provozován na Ústavu anorganické technologie Vysoké školy chemickotechnologické v Praze. Stanovení je rozděleno na dvě základní části. V rámci nízkotlaké analýzy probíhá evakuace vzorku a měření v oblasti makropórů v tlakovém rozsahu od 0,003-0,01MPa (dle povahy vzorku) do 0,2 MPa, tj. pro poloměry pórů (100 60).10-6 3.10-6 m. Ve vysokotlaké části probíhá měření převážně v oblasti mezopórů od 0,2 MPa do 400 MPa, tj. poloměry pórů 3.10-6 1,5.10-9 m. V průběhu analýzy dochází k postupnému zvyšování tlaku a zaznamenávání objemu rtuti vtlačené do pórů. Z odečtených údajů lze sestrojit tzv. kumulativní distribuci pórů, která vyjadřuje závislost objemu pórů s poloměry většími, než odpovídá okamžitému tlaku podle Washburnovy rovnice. Záporně vzatou derivací této závislosti se získá frekvenční křivka rozdělení pórů podle poloměru názorně ukazující, které póry přispívají k celkovému objemu pórů nejvíce. Souhrnně lze říci, že metoda rtuťové porozimetrie patří mezi rychlé a poměrně jednoduché metody sloužící k charakterizaci struktury pevných porézních materiálů a stanovení distribuce rozdělení pórů v oblasti mezopórů. Z výše uvedených informací vyplývají základní požadavky na zkoumané vzorky. Musí být stálé při evakuaci pod 10 m Hg sloupce i při vysokých tlacích do 400 MPa, nesmí reagovat se rtutí a smáčecí úhel musí být větší než 90. Pro stanovení lze použít s výhodou kusový, ale i práškový materiál. Problematická bývá u práškových materiálů korekce na objem rtuti vyplňující prostor mezi jednotlivými zrny materiálu. Pro urychlení analýzy je vhodné odstranit ze vzorku vlhkost a další naadsorbované plyny. Vzorek je po analýze znehodnocen, neboť je kontaminován rtutí. 2

Stanovená distribuce pórů závisí na použitém modelu, takže se vlastně jedná o distribuci pórů v modelovém prostředí válcových neprotínajících se pórů. Nelze proto brát výsledky absolutně, ale spíše pro porovnání materiálů mezi sebou. Důležité upozornění! Kovová rtuť je toxická. Otravy většinou nastávají vdechováním par, jejichž obsah ve vzduchu vzrůstá se zvětšováním výparné plochy, proto je žádoucí pracovat se rtutí se zvýšenou opatrností, rychle zlikvidovat i drobné kapičky rtuti z pracovní plochy a dodržovat osobní hygienu. Pracovní postup: 1. Zvážený vzorek dejte do vhodného penetrometru (měřící nádobky). 2. Penetrometr uzavřete a po zvážení umístěte do portu nízkotlaké analýzy. 3. Podle instrukcí v manuálu a pokynů přítomného asistenta vyevakuujte vzorek. 4. Po dosažení tlaku cca 20 m Hg sloupce proveďte nízkotlakou a vysokotlakou rtuťovou analýzu materiálu pomocí přístroje AutoPore 9500. Zákaz jakékoliv manipulace s přístrojem bez souhlasu asistenta! 5. Zpracujte naměřená data. Obsah protokolu (1): - Stručný teoretický úvod týkající se používané metody - Definice veličin souvisejících s charakteristikou textury pevných látek - Velmi stručný popis experimentální části - Na základě zjištěných a naměřených údajů výpočet porozity, zdánlivé (objemové) a skutečné (zdánlivé) hustoty - Sestrojení grafických závislostí: a) kumulativní křivka (závislost kumulativního intruzního objemu na středním poloměru pórů) b) frekvenční křivka derivace kumulativní křivky (závislost hodnoty (- dv/dlogr i ) na poloměru póru r i ) (Poznámka: x-ová souřadnice je uváděna v logaritmických souřadnicích a hodnoty bývají zobrazeny v obráceném pořadí, tzn. od velkých pórů (vlevo) k malým pórům (vpravo)) - zhodnocení získaných dat a závislostí 3

2. Stanovení distribuce velikosti částic pomocí laserové difrakce Mezi důležité fyzikální vlastnosti práškových materiálů, které se v anorganických technologiích vyskytují buď jako vstupní suroviny nebo jako produkty výroby, patří jejich distribuce velikosti částic. Teoretická část Jednou z možností stanovení distribuce velikosti částic jsou optické metody využívající rozptylu monochromatického světla na částicích pohybujících se volně v tekutině. Pokud dopadne světlo na kulovou částici, částečně se absorbuje a částečně se různými mechanismy rozptýlí do prostoru kolem částice. Intenzita rozptýleného světla je do značné míry závislá na vlnové délce světla a průměru částice. Rozdělení intenzity světla se mění podle toho, jaký je průměr částice ve srovnání s vlnovou délkou. Obecně mohou nastat tři případy: a) průměr kulových částic (d) je ve srovnání s vlnovou délkou světla (λ) malý (d < λ) V tomto případě, který se týká velmi malých částic s průměrem pod 0,2 m, dochází k tzv. Rayleighovu rozptylu. Úhlové rozdělení intenzity světla v tomto případě nezávisí na průměru částic a poměrná intenzita rozptýleného a dopadajícího záření je úměrná šesté mocnině průměru kulové částice. b) průměr kulových částic je srovnatelný s vlnovou délkou světla (d λ) V tomto případě dochází k tzv. Mieho rozptylu. Úhlové rozdělení intenzit světla ztrácí svoji nezávislost na průměru kulové částice a objevují se maxima a minima, ze kterých se dají poměrně složitým matematickýcm postupem zpětně odvodit jak počty, tak průměry částic. Pro stanovení distribuce velikosti částic na základě této teorie je nutná znalost indexu lomu materiálu částic i tekutiny. c) průměr kulových částic je větší než vlnová délka světla (d > λ) V tomto případě se jedná o rozsah tzv. geometrické optiky, kdy se v ohniskové rovině vytváří ohybový obrazec soustředných kruhů, který se po svém objeviteli nazývá Frauenhoferův. I v tomto případě je matematické přepočítávání signálu na distribuci velikosti částic poměrně složité, není ale třeba znát indexy lomu, protože ohyb světla na nich nezávisí. Vlastní měření je prováděno na přístroji Mastersizer 3000 od firmy Malvern. Tento přístroj se skládá z hlavní optické jednotky, dispergační jednotky Hydro LV a měřící cely. 4

Úkolem optické jednotky je vysílat červené a modré laserové světlo skrz měřící celu s cirkulující suspenzí vzorku, sledovat intenzitu rozptýleného světla jednotlivými detektory a tím získat data o rozptylu světla způsobeném částicemi v suspenzi. Data jsou pak interpretována pomocí aplikačního software Mastersizer a tím jsou získány informace o velikosti částic. Pracovní postup: 1. Vytvořte soubor pro vaši analýzu a specifikujte její nastavení při využití manuálního měření. 2. Proveďte měření podle průvodce na horní liště. 3. Zkontrolujte výsledky. 4. Vyčistěte systém. Uvedeným postupem změříte dva vzorky. Využijete surovinu, kterou jste použili při laboratorní práci Rozklad přírodních surovin minerálními kyselinami tohoto předmětu. Stanovíte distribuci velikosti částic původní nezreagované frakce a částečně zreagovaného vzorku, který jste v rámci předcházející laboratorní práce připravili. 3. Stanovení tvaru a velikosti částic pomocí optické mikroskopie Pomocí optického mikroskopu Axio Scope.A1 od firmy Zeiss poříďte a zpracujte snímky původní a částečně zreagované částice suroviny, použité v předcházejícím úkolu 2. Obsah protokolu (2+3): - Základní specifikace metody měření distribuce velikosti částic (použitá metoda, dispergační činidlo, měřený vzorek) - Tabulka naměřených parametrů distribucí velikosti částic - Frekvenční křivky distribuce velikosti částic - Fotografie částic - Zhodnocení získaných dat a závislostí (Poznámka: Tato část protokolu může být přidána buď k protokolu z práce Rozklad přírodních surovin minerálními kyselinami nebo k této práci.) 5

Literatura: 1) Manuál k přístroji AutoPore 9500 od firmy Micromeritics 2) Manuál k přístroji Mastersizer 3000 od firmy Malvern 3) P. Šulcová, L. Beneš: Experimentální metody v anorganické technologii, Univerzita Pardubice 2002 6