气体吸附实验室的规范建设

张 贺,刘海霞,邹永存

(1.吉林大学 化学学院,吉林 长春 130012;2.库祖(上海)科技有限公司,上海 200000)

0 引言

材料是社会发展的基石和驱动力。多孔材料具有贯通或者封闭的孔洞,广泛地用于气体吸附和分离、能源存储、催化和传感等领域。气体吸附实验是研究多孔材料最为重要的表征技术。气体吸附实验室的安全管理也成为重要一环。然而,实验室用气安全事故不断产生,并直接阻碍高校实验室的健康稳步发展,已引起众多高校以及社会人士的广泛关注。另外,气体数据分析是通过仪器已经设置的参数而完成的,这会造成一些错误。因此,规范建设气体吸附实验室具有重要意义:一方面尽量避免了由于分析气体的复杂多样带来的安全问题;另一方面提高了学生从吸附原理到具体数据分析等方面的认识,保证数据解析的正确性。为此,笔者认为针对高校气体吸附实验室安全管理规范建设进行探讨很有必要,以下详细展开讨论。

1 气体吸附实验室背景

具有高比表面积和结构多样的多孔材料广泛地用于吸附、催化和分离等领域[1]。描述和研究多孔材料,需要明确其孔特性(孔径、孔容和比表面积等)。通过测试77 K下氮气或者87 K下氩气的吸附-脱附等温曲线,可以计算得到多孔材料的孔参数。此外,气体吸附仪器不仅用于分析多孔材料的孔参数,而且可以用于研究多孔材料的气体吸附和分离性质。笔者在气体吸附实验室管理方面经验丰富,结合所在实验室的实际情况,发现了如下一些问题。

1.1 气体吸附实验室的分析测试技术背景

吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室多年来一致专注于多孔材料的设计、合成以及性质研究工作。随着高校办学实力与水平持续攀升,校内气体吸附实验室的设备补充变得越来越协调与完善。目前实验室有16台不同厂家的多功能吸附表征仪器,使用的气体包括氮气、氧气、氢气、氨气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷和二氧化碳等。复杂多样的供气系统和环境,给气体吸附实验室在管理和使用方面提出了更高的要求。

1.2 气体吸附实验室安全问题背景

2019年5月,教育部在《关于加强高校实验室安全工作的意见》中要求高校加强实验室安全管理。近年来,由高压气体引发的爆炸事故屡见不鲜。兄弟高校血淋淋的安全事故时刻提醒着实验室安全不容忽视,涉及众多气体的吸附实验室必须安全并且规范地使用这些高压气体[2-3]。针对实验室的现状,笔者先后去其他高校实验室参观、学习,总结各自的长处,细化实验室的用气安全。改造前实验室存在的问题如下。

(1)气体吸附实验室的气体多样性和复杂性。为了满足不断发展的科研需求,实验室的分析气体种类逐渐增多。氢气、氨气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯和丁烷等气体均是易燃易爆的,在实验室房间内存放这些气体非常危险。

(2)高压气瓶问题。高压气瓶容易受光照或外界撞击发生物理爆炸,或由实验室中其他易燃易爆物质的燃爆而诱发化学爆炸,高压气体爆炸非常危险[4]。钢瓶在实验室里到处都有,搬运过程中也容易发生爆炸。

(3)气体吸附实验室的终端位点多。伴随气体吸附仪器的增加以及分析气体的增多,连接位点数量急剧增加。此外,气路排布也愈发复杂,不同气路之间极易混淆,这带来了极大的安全隐患。

(4)气体吸附仪器工作负荷大。近年来,实验室关于多孔性能方面的测试样品数量逐年递增。除假期外,气体吸附仪器一直处于工作状态,仅仅依靠测试人员无法24小时监控仪器的运行状态,尤其在学校寒暑假放假期间,无法监测实验室安全。

1.3 气体吸附实验室的数据分析背景

研究生完成样品的制备和基础表征之后,将样品送到吸附实验室,由相对固定的人员完成气体吸附测试。等到样品吸附曲线测试完成之后,仪器按照已经设置的参数进行数据分析,形成报告返回到送样人。数据里的气体吸附等温线是仪器测量而来的,而孔参数(孔径、孔容和比表面积等)依赖于计算时设置的参数。对于多孔材料,其比表面积和孔径分布是最重要的信息。笔者在和研究生讨论吸附测试结果时发现存在诸多问题,主要包括:

(1)气体吸附的理论知识欠缺。不能清晰准确地分析气体吸附曲线类型和特殊性,缺乏相应的知识储备。

(2)比表面积的数据分析问题。根据多孔材料的曲线类型,选择合适的比表面积模型,通常是Langmuir或者BET模型。此外,在计算比表面积时,存在取点范围错误的问题,导致线性相关系数偏差大或者相关参数C为负值。

(3)孔径分布的数据分析问题。不同厂家生产的气体吸附仪器,其孔径分布的计算模型不一样。吸附测试人员往往不清楚每个样品的基本性质(组成和孔的几何形状等)。在利用仪器自动分析数据时,其选用的计算模型可能与实际样品不符,导致孔径分布存在过大误差。

基于上述气体吸附实验室存在的问题,测试系统安全性和数据解析正确性是实验室需要认真对待和解决的问题。

2 气体吸附实验室建设

笔者在气体吸附实验室管理方面经验丰富,发现了实验室存在的安全隐患、仪器功能单一化和研究生理论知识欠缺等问题。目前,气体吸附实验室不仅确保了测试过程的安全性,而且拓宽了实验室在多孔材料方面的研究领域,激发了研究生的自主性。通过介绍笔者在气体吸附实验室建设中的经验,为一些具有潜在危险性的实验室建设提供借鉴。此外,针对一个相对复杂的数据分析系统,研究者需要做到自己动手分析和处理数据,摒弃“数据报告依赖症”。

2.1 气体吸附实验室的气路改造

气体吸附实验室所涉及的气体种类多,有些是易燃易爆的。在整个气路改造中,重点包括以下4个方面。

(1)独立的高压气瓶存放地点。目前,实验室已经购置多台气体吸附仪器,并且分析气体类型多,这会涉及几十个高压气瓶。在实验室外按照国家规范建设了混凝土钢结构的防爆气瓶间,设置了泄爆面,并做了防雷接地,安装了静电消除装置、泄露监控系统、低压监控系统,室内配备防爆电器、通风系统,同时气瓶放在相应的防爆气瓶柜内。由于吸附实验室的气体种类多,使用点多,一旦出现泄漏无法精准地找到泄漏点,在一楼监控室设置了实验气路安全监控系统,可以非常清晰地看清每一个点的气体使用情况,一旦泄漏监控系统上出现某个点泄漏,报警的同时也会把泄漏信息传送到管理手机上,这样实现了无死角监控,为排除隐患起到强有力的安全保障。气体建设完成后,邀请了具有CMA资质的第三方检测机构出具合格的检测报告后才投入使用。

(2)规范的气路安排。通过洁净管道将气瓶间内的高压气体通过一级减压系统减压后引入吸附实验室,在气路设计及施工中充分考虑实验室操作人员的实验需求,合理地分布各种气体管道,并且在主管道、终端管道及终端使用点清晰地标注每种气体名称。因为一个房间180余个使用点如果不清晰标注,一旦气体连接错误将出现重大安全事故。

(3)安装气体监控报警系统。针对易燃易爆(氢气、氧气、一氧化碳、甲烷和乙炔等)气体,安装了低压及针对每种气体的泄漏报警装置。当被测气体浓度达到报警阈值时或者有气体泄漏时,一楼监控室和实验室管理人员会同步收到报警信息,实时了解任何一路气体状态;实验室智能化管理让管理者在家里也能监控实验室用气安全。

(4)安装排风系统。当监测器系统预警气体泄漏时,自动启动排风系统,将危险气体排出实验室(见图1)。

2.2 气体吸附实验室的仪器功能拓展

目前,气体多功能吸附仪器不仅用于多孔材料的孔参数测试工作,而且在多孔材料的气体吸附和分离性质研究中也发挥着重要作用。当分析多孔材料的孔参数时,测试条件为77 K氮气或者87 K氩气。近年来,利用多孔材料进行气体吸附的研究工作受到广泛关注,例如烟道气中二氧化碳捕获、天然气纯化、乙烯纯化、丙烯纯化和煤层气中甲烷富集等。笔者所在实验室设计了一套变温温度控制系统,在评价多孔材料的气体分离性能时,样品测试温度变化范围为253～340 K。此外,气体测试种类10余种,将有助于拓宽实验室在多孔材料机理研究方面的范围。

2.3 气体吸附实验室的数据分析规范性

气体吸附仪器比较精细,并且测试过程相对复杂,因此,选择几个固定人员使用该仪器。在数据分析时,测试人员通常会根据仪器已经设置的参数进行分析,可能会带来数据失真甚至错误。这主要是由于研究生欠缺气体吸附的理论知识,以及过度相信仪器给出的数据报告造成的。目前,实验室正在针对以上问题做出如下改进:一是组织在气体吸附方面具有丰富经验的老师给研究生讲授从原理到数据处理方面的知识;二是邀请气体吸附仪器厂家的技术人员到实验室讲学和交流;三是定期对仪器进行参数校正。这些举措有利于研究生提高气体吸附理论水平和数据分析的正确性。

3 气体吸附实验室建设成效

经过不断的摸索与建设,气体吸附实验室在运行环境安全性、测试全面性、分析时效性和数据分析正确性等方面有显著提升,每年发表100余篇相关SCI论文。研究生非常认可气体吸附实验室的运行管理模式。在2021年学校实验室评比中,吸附实验室被授予红旗实验室。

3.1 运行环境安全性

气体吸附实验室存在高压气瓶多、管路排布复杂和仪器长期工作等问题。在完成供气管路、气体监控报警系统和排风系统改造后完全实现智能化管理,实验室安全性得到大幅提升(见图2)。

图2 集中供气系统

3.2 测试全面性

伴随实验室升级气体吸附仪器,分析测试从单纯的孔参数分析到多孔材料不同类型的气体吸附和分离性质研究。测试77 K氮气和87 K氩气吸附可以得到多孔材料的孔参数(孔径、孔容和比表面积等);测试273和298 K下的氮气、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烟道气中二氧化碳捕获、天然气纯化、乙烯纯化、丙烯纯化和煤层气中甲烷富集等性能。

3.3 分析时效性

在气路改造之前,在分析不同气体之后需要手动更换高压气瓶。由于涉及的气体类型太多,这比较烦琐;在气路升级后,测试不同类型的气体时,控制都在实验室内部,只需选择对应的气路即可。同时,吸附实验用气量很大,气路改造前,钢瓶气压不足时,换钢瓶时实验需要中断。吸附实验室气路改造后,这一问题得到解决,一瓶用完会自动切换到另一侧,保证了实验的持续性。

3.4 数据分析正确性

改造后的集中供气系统安装了排空功能,对实验室的气体纯度进行了二次保护,为仪器及数据的准确性提供了强有力的保障。气体吸附数据处理过程相对复杂,研究者的传统思维是拿到仪器给出的报告然后再处理数据。然而,吸附仪器设定的分析参数有时候不正确。因此,需要研究者自己分析和处理数据。通过组织研究生进行气体吸附相关培训与学习交流,有利于其不断提升气体吸附基础理论和数据分析方面的能力。

4 结语

多孔材料是成千上万的材料中的一类,其广泛用于气体吸附和分离、催化、能源存储和传感等领域。气体吸附实验在研究多孔材料时极其重要。规范建设气体吸附实验室,要非常重视测试安全性和数据分析正确性。在吉林大学气体吸附实验室中,针对种类复杂并且易燃易爆的高压气体,通过气体管路改造、钢瓶独立存放、监控报警以及排风系统的安装,构建了一个智能化管理、安全的吸附实验室。通过仪器定期维修校正,尽量避免了多功能吸附仪器设定的分析参数过于机械化导致数据分析结果错误。同时,在建设一流的吸附仪器实验室时,也通过组织研究生进行气体吸附相关培训与学习交流,提高了其理论基础和数据解析能力。笔者希望一个具体的实验室建设经验能够为高校实验室发展提供一些借鉴意义。