自制高压吸附装置及其在安全工程实验教学中的应用

李庆钊，朱建云

（中国矿业大学安全工程学院安全工程教学实验中心 江苏 徐州 221116）

实验教学是创新人才培养体系的有机组成，对于提升创新人才培养质量具有重要意义。实验室是校内实验教学的主要场所，是学生实践动手能力和创新思维能力培养的重要基地，承担着新工科卓越人才培养的重要职能[1]。实验室建设是高水平实验教师队伍、先进实验教学仪器、创新教学理念的有机综合体[2]，是一项复杂的系统工程。其中，实验仪器是实验教学的重要平台和工具，对于专业性较强的实验仪器，国内外往往缺乏有效的定型专用产品，即使市场上有专用的实验仪器，其商业化产品的集成化、自动化程度通常都比较高，仪器价格也比较贵，重要的是难以向学生完全展示仪器内部的细节和工作原理，仪器操作也多在电脑上进行自动化的操作，不利于学生深入掌握仪器测试的运行机制，难以满足专业实验教学对学生动手能力的培养[3]。

自制教学仪器设备的优点主要在于通过更新实验手段，增加实验教学内容，从而提高实验教学效果。学生在动手操作过程中不仅提高了动手能力，还能更好地理解仪器的工作原理。因此，自制仪器成为提高实验教学水平的重要手段[4]。王国田等针对实验室各类废弃试剂瓶清洗的难题，研发了化学试剂瓶自动清洗装置[5]，王红军等设计了一种并联智能轴承压装系统[6]，刁统山等设计了双馈感应发电机并网模糊控制系统仿真实验，培养学生利用仿真技术解决科研问题的创新思维[7]，孙学芹等开设无水无氧综合化学实验课程，在学生使用自制教学仪器接触有机合成高级操作过程中培养其对科学的兴趣以及动手操作能力和创新能力[8]。王亮等搭建了真实地层受力下的煤与瓦斯突出物理模拟实验系统，将科研成果向实验教学转化，加强了学生对煤与瓦斯突出灾害的直观认知与科研思考能力[9]。

高校实验教师通过自制实验教学仪器，改进或拓展仪器设备的新功能，提升了高校实验室的建设速度。其自身的实验教学能力也得到系统性增长，不仅加强了理论学习，更使得教学理念得到创新，提高了实验教师的综合能力[10]。因此，教师根据实验要求，通过自制满足实验需求、符合创新人才培养目标定位的更合理、更实用的实验装置，有利于促进实验教学的改革和创新，也有利于提高实验教学质量及创新人才培养质量[11]。

瓦斯吸附测试是煤矿瓦斯抽采、保障煤矿安全生产、揭示煤与瓦斯突出等致灾机理的基础，是安全科学与工程专业重要的实验内容[12]。静态量瓦斯吸附测试是指吸附剂与瓦斯气体达到充分吸附平衡后，单位量吸附剂所吸附的瓦斯气体的数量，其吸附特性反映了吸附剂材料孔隙结构、表面积及对气体的扩散能力等信息[13]。美国Quanta chrome公司、荷兰安米德Ankersmid 公司、中国金埃普公司的吸附仪都是基于此原理进行设计[14]，但由于其成品仪器的自动化程度高、封装严密，难以适用于实验教学中，不利于学生对仪器结构、原理及仪器运行控制逻辑的理解。

为此，课程组根据安全科学与工程专业实验课程体系的设置，针对实验内容及创新人才的培养目标，基于静态容量法原理设计研制了高压气体吸附仪，并在实验教学中进行了应用。

1 吸附实验系统研发

1.1 测试原理及系统组成

静态容量法气体吸附量测试的基本原理是将一定量的待测样品（煤等吸附剂）置于安装有压力表的高压密封吸附槽中，保持恒定的吸附温度，按压力变化梯度向吸附槽内充入被吸附的气体。等待吸附平衡后，计算单位质量样品的吸附量，得到该测试温度下被测样品的吸附等温线。

课程组基于上述测定原理，按照GB/T 19560―2008 的要求，自行研制构建了静态容量法高压气体吸附仪系统，如图1 所示，系统包括：样品槽、参比槽、压力表、阀门组、真空泵、恒温水浴箱及气体钢瓶等，其中：

图1 自行设计研发的高压静态吸附装置系统及实物

吸附罐：容积50cm3，工作压力8MPa，耐压16MPa；

针型阀：工作压力16MPa，耐压25MPa 。密封处要求耐低压4MPa；

压力表：测量范围为0~8MPa，精度为0.2%；充气罐：容积为吸附罐的1.4 倍，耐压16MPa；

恒温水浴：0~80℃；

高纯甲烷气体钢瓶：压力15MPa，甲烷浓度不低于99%。

1.2 系统调试方法

1.2.1 气密性检测

向吸附系统内充入氦气至超过实验测试的最高吸附压力，检查吸附系统管路有无漏气点，调节水浴箱温度至设定吸附温度。

1.2.2 体积校正

①参比槽有效体积确定。有效体积指V5和V7间的有效空间体积，用Vr来表示。通常，采用水滴定方法来测算槽自身体积和管件体积，管线体积则通过测量管线长度及管线内径来计算获得。

②吸附槽自由空间体积确定。在该原理下，实验获得的吸附量为吸附剂对气体的过剩吸附量。其计算前需要确定吸附槽的自由空间体积V0，即吸附槽内除了吸附剂之外的剩余体积，V0常通过298 K 氦气膨胀法来测定，即将吸附系统抽至真空，通入一定量的氦气至参比槽，记录下压力P1，连通吸附槽，氦气发生膨胀，记录下平衡压力P2，采用理想气体状态方程并通过质量平衡来计算获得V0。

1.3 吸附仪控制步骤

在恒温水浴箱的温度达到实验要求并且确定系统密封不漏气后，即可进行气体吸附解吸实验测试，详细操作步骤如下：

①氦气检漏：稍微打开氦气瓶阀，充一会儿关闭氦气瓶阀；充气时，依次缓慢打开：氦气阀（阀2）、参比槽阀（阀5）、压力表阀（阀6）、吸附槽阀（阀7）；甲烷阀（阀1）、放空阀（阀3）、真空泵阀（阀4）处于关闭状态，关闭氦气阀，观察压力降幅状况是否正常；而后关闭参比槽阀，检测后半部分是否漏气。

②开放空阀；

③关闭放空阀，除甲烷瓶阀和氦气瓶阀外其余阀门全开，抽真空10 min；之后先关真空泵阀，再关真空泵；

④充氦气，关闭吸附槽阀、参比阀、甲烷阀；

⑤开氦气瓶阀，再开氦气阀，再缓慢打开参比阀，直到压力升至2―3Mpa关氦气瓶阀、氦气阀、参比槽阀，待压力表稳定读取数据点P1；

⑥打开吸附槽阀，待压力表稳定读取数据点P2；

⑦开放空阀，压力降下来后，关闭放空阀，除甲烷瓶阀和氦气瓶阀其余阀门全开，抽真空10 min；之后先关真空泵阀，再关真空泵；

⑧关吸附槽阀、参比槽阀、氦气阀；

⑨充甲烷：缓慢打开参比槽阀，压力由高压向低压开始进行，即从4~5Mpa 开始做，待压力表稳定读取数据点P3；

⑩开吸附槽阀，待压力表稳定读取数据点P4；

⑪关闭放空阀，除甲烷瓶阀和氦气瓶阀外其余阀门全开，抽真空10 min；之后先关真空泵阀，再关真空泵；

⑫关吸附槽阀，开压力表阀，待压力表稳定读取数据点P5；

⑬开吸附槽阀，待压力表稳定读取数据点P6；

⑭重复步骤⑪―⑬。

2 水分对煤体吸附瓦斯影响的测试结果分析

2.1 不同含水率样品制备

按照国标GB/T474―2008 方法筛分制作0.25 mm~0.18 mm（60 目~80 目）的煤样，将待测样品置于通风干燥箱，于50℃干燥24 h 得到空气干燥基煤样。测试前，称取不少于35g的空气干燥基煤样，以去离子水浸泡，待吸收水分平衡后进行部分干燥即可获得符合含水率要求的煤样。

2.2 不同煤样对甲烷的吸附等温线测试结果

为了分析煤中水分对吸附甲烷的影响，以某低阶煤为待测样品，在25℃室温条件下，分别测试了空气干燥基煤样（0%）并对比测试了含水率分别为2%、4%、6%、8%的含水煤样对甲烷吸附特性的差异，其测试结果如图2 所示。

图2 含水煤体等温吸附曲线

由图2 可知，煤对甲烷吸附过程属于I类等温吸附线，且随吸附平衡压力的增加，其吸附量呈增大趋势。煤对气体的吸附特性受煤的分子组成和理化特性共同决定，吸附过程的主要作用力为范德华力和氢键。其中，煤与水分子间的力主要靠氢键连接，而煤与甲烷分子间的力则为范德华力。由于氢键能量大于范德华力，因此煤对甲烷和水的吸附过程中存在竞争吸附现象。随着煤中含水率的增加，相同吸附压力条件下煤对甲烷的吸附量显著减少。由于煤与水分子间的氢键能力更强，导致其侵占甲烷分子吸附位点。因此煤样含水率越高，存在的煤对甲烷的吸附位点则变得越少，其吸附量也随之相应减少。

2.3 不同煤样对甲烷的吸附常数

已有研究表明，煤对甲烷的等温吸附线符合Langmuir方程[15]，因此本文数据采用Langmuir方程（1）来拟合吸附数据，获得了不同条件下煤对甲烷吸附的Langmuir方程常数。

式中：P为平衡压力，MPa；V为气体吸附量，ml/g；a为煤对甲烷的最大吸附量，ml/g；b为吸附常数，反映煤对甲烷的吸附速率，MPa1。

采用Langmuir 方程对不同含水率煤样对甲烷的吸附等温线进行拟合，水分对吸附常数、值的影响如图3、图4（p60）所示。

图3 不同含水煤体最大瓦斯吸附量曲线

图4 不同含水煤体瓦斯吸附常数曲线

由图3 可知，随着煤样含水率的增加，其对甲烷的最大吸附量a单调减少，原因在于煤体含水率的增加，使得水分子占据一定的孔隙空间，导致甲烷分子无法进入煤体孔隙。同时由于煤与水分子间的氢键作用使得更多的活性位点被水分子所占据，使得甲烷吸附位点相应减少，从而导致甲烷在高含水率煤样中的吸附量有所降低。吸附常数b反映了煤对甲烷吸附速率的快慢，其中吸附常数b值越大，煤对甲烷吸附速率则越快。由图4 所示的结果可知，值随着煤体含水率的增加而有所降低，整体呈现为指数衰减的趋势，在煤样的含水率较低时，特别是当含水率低于4%时，随着含水率的增加，b值则快速降低；在含水率介于4%~8%时，b值则缓慢降低，其主要是因为随着煤体含水量的增加，水分子封堵煤体孔裂隙，使得甲烷在煤体孔隙内的扩散阻力增大，从而导致煤对甲烷的吸附速率逐步降低。

3 应用效果及分析

3.1 加深学生对仪器系统原理的认识

通过自制的静态容量法高压吸附仪测定煤样对瓦斯的吸附等温线，能够让学生更加深入地理解静态容量法测吸附等温线的基本原理，加深学生对吸附理论的理解与掌握。与商业化吸附仪相比，自制实验装置更有利于学生更加直观地了解吸附仪的测试原理、内部结构及测试过程中各气路阀门的逻辑控制过程。

3.2 培养学生的动手实践及创新能力

通过自制实验仪器的自主实践操作，充分锻炼了学生的动手能力。测试过程中教师将完整的科研实验流程纳入实验教学中，充分体现了安全工程专业研究式实验教学的方法和理念，通过对学生实践技能的培养，也有效锻炼了学生的独立思考和科研创新能力，达到了预期的良好教学效果。

4 结论

基于静态容量法原理，课程组自行研制了高压气体吸附仪装置，为安全科学与工程专业“矿井瓦斯防治”及“表面物理化学”等课程的实验教学提供了仪器平台。与传统商业化仪器相比，能够让学生更加直观地了解吸附仪的工作原理、仪器的内部结构及测试过程中各气路阀门的逻辑控制过程，充分体现了安全科学与工程教学实验室仪器设备建设中所遵循的“购置与自制相结合”的模式和理念，提高了实验教学的效果。