氣體吸附實驗室的規范建設

張 賀,劉海霞,鄒永存

(1.吉林大學 化學學院,吉林 長春 130012;2.庫祖(上海)科技有限公司,上海 200000)

0 引言

材料是社會發展的基石和驅動力。多孔材料具有貫通或者封閉的孔洞,廣泛地用于氣體吸附和分離、能源存儲、催化和傳感等領域。氣體吸附實驗是研究多孔材料最為重要的表征技術。氣體吸附實驗室的安全管理也成為重要一環。然而,實驗室用氣安全事故不斷產生,并直接阻礙高校實驗室的健康穩步發展,已引起眾多高校以及社會人士的廣泛關注。另外,氣體數據分析是通過儀器已經設置的參數而完成的,這會造成一些錯誤。因此,規范建設氣體吸附實驗室具有重要意義:一方面盡量避免了由于分析氣體的復雜多樣帶來的安全問題;另一方面提高了學生從吸附原理到具體數據分析等方面的認識,保證數據解析的正確性。為此,筆者認為針對高校氣體吸附實驗室安全管理規范建設進行探討很有必要,以下詳細展開討論。

1 氣體吸附實驗室背景

具有高比表面積和結構多樣的多孔材料廣泛地用于吸附、催化和分離等領域[1]。描述和研究多孔材料,需要明確其孔特性(孔徑、孔容和比表面積等)。通過測試77 K下氮氣或者87 K下氬氣的吸附-脫附等溫曲線,可以計算得到多孔材料的孔參數。此外,氣體吸附儀器不僅用于分析多孔材料的孔參數,而且可以用于研究多孔材料的氣體吸附和分離性質。筆者在氣體吸附實驗室管理方面經驗豐富,結合所在實驗室的實際情況,發現了如下一些問題。

1.1 氣體吸附實驗室的分析測試技術背景

吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室多年來一致專注于多孔材料的設計、合成以及性質研究工作。隨著高校辦學實力與水平持續攀升,校內氣體吸附實驗室的設備補充變得越來越協調與完善。目前實驗室有16臺不同廠家的多功能吸附表征儀器,使用的氣體包括氮氣、氧氣、氫氣、氨氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳等。復雜多樣的供氣系統和環境,給氣體吸附實驗室在管理和使用方面提出了更高的要求。

1.2 氣體吸附實驗室安全問題背景

2019年5月,教育部在《關于加強高校實驗室安全工作的意見》中要求高校加強實驗室安全管理。近年來,由高壓氣體引發的爆炸事故屢見不鮮。兄弟高校血淋淋的安全事故時刻提醒著實驗室安全不容忽視,涉及眾多氣體的吸附實驗室必須安全并且規范地使用這些高壓氣體[2-3]。針對實驗室的現狀,筆者先后去其他高校實驗室參觀、學習,總結各自的長處,細化實驗室的用氣安全。改造前實驗室存在的問題如下。

(1)氣體吸附實驗室的氣體多樣性和復雜性。為了滿足不斷發展的科研需求,實驗室的分析氣體種類逐漸增多。氫氣、氨氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯和丁烷等氣體均是易燃易爆的,在實驗室房間內存放這些氣體非常危險。

(2)高壓氣瓶問題。高壓氣瓶容易受光照或外界撞擊發生物理爆炸,或由實驗室中其他易燃易爆物質的燃爆而誘發化學爆炸,高壓氣體爆炸非常危險[4]。鋼瓶在實驗室里到處都有,搬運過程中也容易發生爆炸。

(3)氣體吸附實驗室的終端位點多。伴隨氣體吸附儀器的增加以及分析氣體的增多,連接位點數量急劇增加。此外,氣路排布也愈發復雜,不同氣路之間極易混淆,這帶來了極大的安全隱患。

(4)氣體吸附儀器工作負荷大。近年來,實驗室關于多孔性能方面的測試樣品數量逐年遞增。除假期外,氣體吸附儀器一直處于工作狀態,僅僅依靠測試人員無法24小時監控儀器的運行狀態,尤其在學校寒暑假放假期間,無法監測實驗室安全。

1.3 氣體吸附實驗室的數據分析背景

研究生完成樣品的制備和基礎表征之后,將樣品送到吸附實驗室,由相對固定的人員完成氣體吸附測試。等到樣品吸附曲線測試完成之后,儀器按照已經設置的參數進行數據分析,形成報告返回到送樣人。數據里的氣體吸附等溫線是儀器測量而來的,而孔參數(孔徑、孔容和比表面積等)依賴于計算時設置的參數。對于多孔材料,其比表面積和孔徑分布是最重要的信息。筆者在和研究生討論吸附測試結果時發現存在諸多問題,主要包括:

(1)氣體吸附的理論知識欠缺。不能清晰準確地分析氣體吸附曲線類型和特殊性,缺乏相應的知識儲備。

(2)比表面積的數據分析問題。根據多孔材料的曲線類型,選擇合適的比表面積模型,通常是Langmuir或者BET模型。此外,在計算比表面積時,存在取點范圍錯誤的問題,導致線性相關系數偏差大或者相關參數C為負值。

(3)孔徑分布的數據分析問題。不同廠家生產的氣體吸附儀器,其孔徑分布的計算模型不一樣。吸附測試人員往往不清楚每個樣品的基本性質(組成和孔的幾何形狀等)。在利用儀器自動分析數據時,其選用的計算模型可能與實際樣品不符,導致孔徑分布存在過大誤差。

基于上述氣體吸附實驗室存在的問題,測試系統安全性和數據解析正確性是實驗室需要認真對待和解決的問題。

2 氣體吸附實驗室建設

筆者在氣體吸附實驗室管理方面經驗豐富,發現了實驗室存在的安全隱患、儀器功能單一化和研究生理論知識欠缺等問題。目前,氣體吸附實驗室不僅確保了測試過程的安全性,而且拓寬了實驗室在多孔材料方面的研究領域,激發了研究生的自主性。通過介紹筆者在氣體吸附實驗室建設中的經驗,為一些具有潛在危險性的實驗室建設提供借鑒。此外,針對一個相對復雜的數據分析系統,研究者需要做到自己動手分析和處理數據,摒棄“數據報告依賴癥”。

2.1 氣體吸附實驗室的氣路改造

氣體吸附實驗室所涉及的氣體種類多,有些是易燃易爆的。在整個氣路改造中,重點包括以下4個方面。

(1)獨立的高壓氣瓶存放地點。目前,實驗室已經購置多臺氣體吸附儀器,并且分析氣體類型多,這會涉及幾十個高壓氣瓶。在實驗室外按照國家規范建設了混凝土鋼結構的防爆氣瓶間,設置了泄爆面,并做了防雷接地,安裝了靜電消除裝置、泄露監控系統、低壓監控系統,室內配備防爆電器、通風系統,同時氣瓶放在相應的防爆氣瓶柜內。由于吸附實驗室的氣體種類多,使用點多,一旦出現泄漏無法精準地找到泄漏點,在一樓監控室設置了實驗氣路安全監控系統,可以非常清晰地看清每一個點的氣體使用情況,一旦泄漏監控系統上出現某個點泄漏,報警的同時也會把泄漏信息傳送到管理手機上,這樣實現了無死角監控,為排除隱患起到強有力的安全保障。氣體建設完成后,邀請了具有CMA資質的第三方檢測機構出具合格的檢測報告后才投入使用。

(2)規范的氣路安排。通過潔凈管道將氣瓶間內的高壓氣體通過一級減壓系統減壓后引入吸附實驗室,在氣路設計及施工中充分考慮實驗室操作人員的實驗需求,合理地分布各種氣體管道,并且在主管道、終端管道及終端使用點清晰地標注每種氣體名稱。因為一個房間180余個使用點如果不清晰標注,一旦氣體連接錯誤將出現重大安全事故。

(3)安裝氣體監控報警系統。針對易燃易爆(氫氣、氧氣、一氧化碳、甲烷和乙炔等)氣體,安裝了低壓及針對每種氣體的泄漏報警裝置。當被測氣體濃度達到報警閾值時或者有氣體泄漏時,一樓監控室和實驗室管理人員會同步收到報警信息,實時了解任何一路氣體狀態;實驗室智能化管理讓管理者在家里也能監控實驗室用氣安全。

(4)安裝排風系統。當監測器系統預警氣體泄漏時,自動啟動排風系統,將危險氣體排出實驗室(見圖1)。

2.2 氣體吸附實驗室的儀器功能拓展

目前,氣體多功能吸附儀器不僅用于多孔材料的孔參數測試工作,而且在多孔材料的氣體吸附和分離性質研究中也發揮著重要作用。當分析多孔材料的孔參數時,測試條件為77 K氮氣或者87 K氬氣。近年來,利用多孔材料進行氣體吸附的研究工作受到廣泛關注,例如煙道氣中二氧化碳捕獲、天然氣純化、乙烯純化、丙烯純化和煤層氣中甲烷富集等。筆者所在實驗室設計了一套變溫溫度控制系統,在評價多孔材料的氣體分離性能時,樣品測試溫度變化范圍為253～340 K。此外,氣體測試種類10余種,將有助于拓寬實驗室在多孔材料機理研究方面的范圍。

2.3 氣體吸附實驗室的數據分析規范性

氣體吸附儀器比較精細,并且測試過程相對復雜,因此,選擇幾個固定人員使用該儀器。在數據分析時,測試人員通常會根據儀器已經設置的參數進行分析,可能會帶來數據失真甚至錯誤。這主要是由于研究生欠缺氣體吸附的理論知識,以及過度相信儀器給出的數據報告造成的。目前,實驗室正在針對以上問題做出如下改進:一是組織在氣體吸附方面具有豐富經驗的老師給研究生講授從原理到數據處理方面的知識;二是邀請氣體吸附儀器廠家的技術人員到實驗室講學和交流;三是定期對儀器進行參數校正。這些舉措有利于研究生提高氣體吸附理論水平和數據分析的正確性。

3 氣體吸附實驗室建設成效

經過不斷的摸索與建設,氣體吸附實驗室在運行環境安全性、測試全面性、分析時效性和數據分析正確性等方面有顯著提升,每年發表100余篇相關SCI論文。研究生非常認可氣體吸附實驗室的運行管理模式。在2021年學校實驗室評比中,吸附實驗室被授予紅旗實驗室。

3.1 運行環境安全性

氣體吸附實驗室存在高壓氣瓶多、管路排布復雜和儀器長期工作等問題。在完成供氣管路、氣體監控報警系統和排風系統改造后完全實現智能化管理,實驗室安全性得到大幅提升(見圖2)。

圖2 集中供氣系統

3.2 測試全面性

伴隨實驗室升級氣體吸附儀器,分析測試從單純的孔參數分析到多孔材料不同類型的氣體吸附和分離性質研究。測試77 K氮氣和87 K氬氣吸附可以得到多孔材料的孔參數(孔徑、孔容和比表面積等);測試273和298 K下的氮氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳等吸附,可以研究多孔材料的煙道氣中二氧化碳捕獲、天然氣純化、乙烯純化、丙烯純化和煤層氣中甲烷富集等性能。

3.3 分析時效性

在氣路改造之前,在分析不同氣體之后需要手動更換高壓氣瓶。由于涉及的氣體類型太多,這比較煩瑣;在氣路升級后,測試不同類型的氣體時,控制都在實驗室內部,只需選擇對應的氣路即可。同時,吸附實驗用氣量很大,氣路改造前,鋼瓶氣壓不足時,換鋼瓶時實驗需要中斷。吸附實驗室氣路改造后,這一問題得到解決,一瓶用完會自動切換到另一側,保證了實驗的持續性。

3.4 數據分析正確性

改造后的集中供氣系統安裝了排空功能,對實驗室的氣體純度進行了二次保護,為儀器及數據的準確性提供了強有力的保障。氣體吸附數據處理過程相對復雜,研究者的傳統思維是拿到儀器給出的報告然后再處理數據。然而,吸附儀器設定的分析參數有時候不正確。因此,需要研究者自己分析和處理數據。通過組織研究生進行氣體吸附相關培訓與學習交流,有利于其不斷提升氣體吸附基礎理論和數據分析方面的能力。

4 結語

多孔材料是成千上萬的材料中的一類,其廣泛用于氣體吸附和分離、催化、能源存儲和傳感等領域。氣體吸附實驗在研究多孔材料時極其重要。規范建設氣體吸附實驗室,要非常重視測試安全性和數據分析正確性。在吉林大學氣體吸附實驗室中,針對種類復雜并且易燃易爆的高壓氣體,通過氣體管路改造、鋼瓶獨立存放、監控報警以及排風系統的安裝,構建了一個智能化管理、安全的吸附實驗室。通過儀器定期維修校正,盡量避免了多功能吸附儀器設定的分析參數過于機械化導致數據分析結果錯誤。同時,在建設一流的吸附儀器實驗室時,也通過組織研究生進行氣體吸附相關培訓與學習交流,提高了其理論基礎和數據解析能力。筆者希望一個具體的實驗室建設經驗能夠為高校實驗室發展提供一些借鑒意義。