自制高壓吸附裝置及其在安全工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李慶釗，朱建云

（中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院安全工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 江蘇 徐州 221116）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的有機(jī)組成，對于提升創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。實(shí)驗(yàn)室是校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要場所，是學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的重要基地，承擔(dān)著新工科卓越人才培養(yǎng)的重要職能[1]。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是高水平實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器、創(chuàng)新教學(xué)理念的有機(jī)綜合體[2]，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其中，實(shí)驗(yàn)儀器是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要平臺和工具，對于專業(yè)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)儀器，國內(nèi)外往往缺乏有效的定型專用產(chǎn)品，即使市場上有專用的實(shí)驗(yàn)儀器，其商業(yè)化產(chǎn)品的集成化、自動化程度通常都比較高，儀器價(jià)格也比較貴，重要的是難以向?qū)W生完全展示儀器內(nèi)部的細(xì)節(jié)和工作原理，儀器操作也多在電腦上進(jìn)行自動化的操作，不利于學(xué)生深入掌握儀器測試的運(yùn)行機(jī)制，難以滿足專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)[3]。

自制教學(xué)儀器設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)主要在于通過更新實(shí)驗(yàn)手段，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生在動手操作過程中不僅提高了動手能力，還能更好地理解儀器的工作原理。因此，自制儀器成為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的重要手段[4]。王國田等針對實(shí)驗(yàn)室各類廢棄試劑瓶清洗的難題，研發(fā)了化學(xué)試劑瓶自動清洗裝置[5]，王紅軍等設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)智能軸承壓裝系統(tǒng)[6]，刁統(tǒng)山等設(shè)計(jì)了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模糊控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生利用仿真技術(shù)解決科研問題的創(chuàng)新思維[7]，孫學(xué)芹等開設(shè)無水無氧綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，在學(xué)生使用自制教學(xué)儀器接觸有機(jī)合成高級操作過程中培養(yǎng)其對科學(xué)的興趣以及動手操作能力和創(chuàng)新能力[8]。王亮等搭建了真實(shí)地層受力下的煤與瓦斯突出物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)了學(xué)生對煤與瓦斯突出災(zāi)害的直觀認(rèn)知與科研思考能力[9]。

高校實(shí)驗(yàn)教師通過自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，改進(jìn)或拓展儀器設(shè)備的新功能，提升了高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)速度。其自身的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力也得到系統(tǒng)性增長，不僅加強(qiáng)了理論學(xué)習(xí)，更使得教學(xué)理念得到創(chuàng)新，提高了實(shí)驗(yàn)教師的綜合能力[10]。因此，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過自制滿足實(shí)驗(yàn)需求、符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)定位的更合理、更實(shí)用的實(shí)驗(yàn)裝置，有利于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新，也有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量及創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量[11]。

瓦斯吸附測試是煤礦瓦斯抽采、保障煤礦安全生產(chǎn)、揭示煤與瓦斯突出等致災(zāi)機(jī)理的基礎(chǔ)，是安全科學(xué)與工程專業(yè)重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[12]。靜態(tài)量瓦斯吸附測試是指吸附劑與瓦斯氣體達(dá)到充分吸附平衡后，單位量吸附劑所吸附的瓦斯氣體的數(shù)量，其吸附特性反映了吸附劑材料孔隙結(jié)構(gòu)、表面積及對氣體的擴(kuò)散能力等信息[13]。美國Quanta chrome公司、荷蘭安米德Ankersmid 公司、中國金埃普公司的吸附儀都是基于此原理進(jìn)行設(shè)計(jì)[14]，但由于其成品儀器的自動化程度高、封裝嚴(yán)密，難以適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不利于學(xué)生對儀器結(jié)構(gòu)、原理及儀器運(yùn)行控制邏輯的理解。

為此，課程組根據(jù)安全科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系的設(shè)置，針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，基于靜態(tài)容量法原理設(shè)計(jì)研制了高壓氣體吸附儀，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 吸附實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

1.1 測試原理及系統(tǒng)組成

靜態(tài)容量法氣體吸附量測試的基本原理是將一定量的待測樣品（煤等吸附劑）置于安裝有壓力表的高壓密封吸附槽中，保持恒定的吸附溫度，按壓力變化梯度向吸附槽內(nèi)充入被吸附的氣體。等待吸附平衡后，計(jì)算單位質(zhì)量樣品的吸附量，得到該測試溫度下被測樣品的吸附等溫線。

課程組基于上述測定原理，按照GB/T 19560―2008 的要求，自行研制構(gòu)建了靜態(tài)容量法高壓氣體吸附儀系統(tǒng)，如圖1 所示，系統(tǒng)包括：樣品槽、參比槽、壓力表、閥門組、真空泵、恒溫水浴箱及氣體鋼瓶等，其中：

圖1 自行設(shè)計(jì)研發(fā)的高壓靜態(tài)吸附裝置系統(tǒng)及實(shí)物

吸附罐：容積50cm3，工作壓力8MPa，耐壓16MPa；

針型閥：工作壓力16MPa，耐壓25MPa 。密封處要求耐低壓4MPa；

壓力表：測量范圍為0~8MPa，精度為0.2%；充氣罐：容積為吸附罐的1.4 倍，耐壓16MPa；

恒溫水浴：0~80℃；

高純甲烷氣體鋼瓶：壓力15MPa，甲烷濃度不低于99%。

1.2 系統(tǒng)調(diào)試方法

1.2.1 氣密性檢測

向吸附系統(tǒng)內(nèi)充入氦氣至超過實(shí)驗(yàn)測試的最高吸附壓力，檢查吸附系統(tǒng)管路有無漏氣點(diǎn)，調(diào)節(jié)水浴箱溫度至設(shè)定吸附溫度。

1.2.2 體積校正

①參比槽有效體積確定。有效體積指V5和V7間的有效空間體積，用Vr來表示。通常，采用水滴定方法來測算槽自身體積和管件體積，管線體積則通過測量管線長度及管線內(nèi)徑來計(jì)算獲得。

②吸附槽自由空間體積確定。在該原理下，實(shí)驗(yàn)獲得的吸附量為吸附劑對氣體的過剩吸附量。其計(jì)算前需要確定吸附槽的自由空間體積V0，即吸附槽內(nèi)除了吸附劑之外的剩余體積，V0常通過298 K 氦氣膨脹法來測定，即將吸附系統(tǒng)抽至真空，通入一定量的氦氣至參比槽，記錄下壓力P1，連通吸附槽，氦氣發(fā)生膨脹，記錄下平衡壓力P2，采用理想氣體狀態(tài)方程并通過質(zhì)量平衡來計(jì)算獲得V0。

1.3 吸附儀控制步驟

在恒溫水浴箱的溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求并且確定系統(tǒng)密封不漏氣后，即可進(jìn)行氣體吸附解吸實(shí)驗(yàn)測試，詳細(xì)操作步驟如下：

①氦氣檢漏：稍微打開氦氣瓶閥，充一會兒關(guān)閉氦氣瓶閥；充氣時(shí)，依次緩慢打開：氦氣閥（閥2）、參比槽閥（閥5）、壓力表閥（閥6）、吸附槽閥（閥7）；甲烷閥（閥1）、放空閥（閥3）、真空泵閥（閥4）處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉氦氣閥，觀察壓力降幅狀況是否正常；而后關(guān)閉參比槽閥，檢測后半部分是否漏氣。

②開放空閥；

③關(guān)閉放空閥，除甲烷瓶閥和氦氣瓶閥外其余閥門全開，抽真空10 min；之后先關(guān)真空泵閥，再關(guān)真空泵；

④充氦氣，關(guān)閉吸附槽閥、參比閥、甲烷閥；

⑤開氦氣瓶閥，再開氦氣閥，再緩慢打開參比閥，直到壓力升至2―3Mpa關(guān)氦氣瓶閥、氦氣閥、參比槽閥，待壓力表穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)P1；

⑥打開吸附槽閥，待壓力表穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)P2；

⑦開放空閥，壓力降下來后，關(guān)閉放空閥，除甲烷瓶閥和氦氣瓶閥其余閥門全開，抽真空10 min；之后先關(guān)真空泵閥，再關(guān)真空泵；

⑧關(guān)吸附槽閥、參比槽閥、氦氣閥；

⑨充甲烷：緩慢打開參比槽閥，壓力由高壓向低壓開始進(jìn)行，即從4~5Mpa 開始做，待壓力表穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)P3；

⑩開吸附槽閥，待壓力表穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)P4；

?關(guān)閉放空閥，除甲烷瓶閥和氦氣瓶閥外其余閥門全開，抽真空10 min；之后先關(guān)真空泵閥，再關(guān)真空泵；

?關(guān)吸附槽閥，開壓力表閥，待壓力表穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)P5；

?開吸附槽閥，待壓力表穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)P6；

?重復(fù)步驟?―?。

2 水分對煤體吸附瓦斯影響的測試結(jié)果分析

2.1 不同含水率樣品制備

按照國標(biāo)GB/T474―2008 方法篩分制作0.25 mm~0.18 mm（60 目~80 目）的煤樣，將待測樣品置于通風(fēng)干燥箱，于50℃干燥24 h 得到空氣干燥基煤樣。測試前，稱取不少于35g的空氣干燥基煤樣，以去離子水浸泡，待吸收水分平衡后進(jìn)行部分干燥即可獲得符合含水率要求的煤樣。

2.2 不同煤樣對甲烷的吸附等溫線測試結(jié)果

為了分析煤中水分對吸附甲烷的影響，以某低階煤為待測樣品，在25℃室溫條件下，分別測試了空氣干燥基煤樣（0%）并對比測試了含水率分別為2%、4%、6%、8%的含水煤樣對甲烷吸附特性的差異，其測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 含水煤體等溫吸附曲線

由圖2 可知，煤對甲烷吸附過程屬于I類等溫吸附線，且隨吸附平衡壓力的增加，其吸附量呈增大趨勢。煤對氣體的吸附特性受煤的分子組成和理化特性共同決定，吸附過程的主要作用力為范德華力和氫鍵。其中，煤與水分子間的力主要靠氫鍵連接，而煤與甲烷分子間的力則為范德華力。由于氫鍵能量大于范德華力，因此煤對甲烷和水的吸附過程中存在競爭吸附現(xiàn)象。隨著煤中含水率的增加，相同吸附壓力條件下煤對甲烷的吸附量顯著減少。由于煤與水分子間的氫鍵能力更強(qiáng)，導(dǎo)致其侵占甲烷分子吸附位點(diǎn)。因此煤樣含水率越高，存在的煤對甲烷的吸附位點(diǎn)則變得越少，其吸附量也隨之相應(yīng)減少。

2.3 不同煤樣對甲烷的吸附常數(shù)

已有研究表明，煤對甲烷的等溫吸附線符合Langmuir方程[15]，因此本文數(shù)據(jù)采用Langmuir方程（1）來擬合吸附數(shù)據(jù)，獲得了不同條件下煤對甲烷吸附的Langmuir方程常數(shù)。

式中：P為平衡壓力，MPa；V為氣體吸附量，ml/g；a為煤對甲烷的最大吸附量，ml/g；b為吸附常數(shù)，反映煤對甲烷的吸附速率，MPa1。

采用Langmuir 方程對不同含水率煤樣對甲烷的吸附等溫線進(jìn)行擬合，水分對吸附常數(shù)、值的影響如圖3、圖4（p60）所示。

圖3 不同含水煤體最大瓦斯吸附量曲線

圖4 不同含水煤體瓦斯吸附常數(shù)曲線

由圖3 可知，隨著煤樣含水率的增加，其對甲烷的最大吸附量a單調(diào)減少，原因在于煤體含水率的增加，使得水分子占據(jù)一定的孔隙空間，導(dǎo)致甲烷分子無法進(jìn)入煤體孔隙。同時(shí)由于煤與水分子間的氫鍵作用使得更多的活性位點(diǎn)被水分子所占據(jù)，使得甲烷吸附位點(diǎn)相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致甲烷在高含水率煤樣中的吸附量有所降低。吸附常數(shù)b反映了煤對甲烷吸附速率的快慢，其中吸附常數(shù)b值越大，煤對甲烷吸附速率則越快。由圖4 所示的結(jié)果可知，值隨著煤體含水率的增加而有所降低，整體呈現(xiàn)為指數(shù)衰減的趨勢，在煤樣的含水率較低時(shí)，特別是當(dāng)含水率低于4%時(shí)，隨著含水率的增加，b值則快速降低；在含水率介于4%~8%時(shí)，b值則緩慢降低，其主要是因?yàn)殡S著煤體含水量的增加，水分子封堵煤體孔裂隙，使得甲烷在煤體孔隙內(nèi)的擴(kuò)散阻力增大，從而導(dǎo)致煤對甲烷的吸附速率逐步降低。

3 應(yīng)用效果及分析

3.1 加深學(xué)生對儀器系統(tǒng)原理的認(rèn)識

通過自制的靜態(tài)容量法高壓吸附儀測定煤樣對瓦斯的吸附等溫線，能夠讓學(xué)生更加深入地理解靜態(tài)容量法測吸附等溫線的基本原理，加深學(xué)生對吸附理論的理解與掌握。與商業(yè)化吸附儀相比，自制實(shí)驗(yàn)裝置更有利于學(xué)生更加直觀地了解吸附儀的測試原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測試過程中各氣路閥門的邏輯控制過程。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐及創(chuàng)新能力

通過自制實(shí)驗(yàn)儀器的自主實(shí)踐操作，充分鍛煉了學(xué)生的動手能力。測試過程中教師將完整的科研實(shí)驗(yàn)流程納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分體現(xiàn)了安全工程專業(yè)研究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和理念，通過對學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)，也有效鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立思考和科研創(chuàng)新能力，達(dá)到了預(yù)期的良好教學(xué)效果。

4 結(jié)論

基于靜態(tài)容量法原理，課程組自行研制了高壓氣體吸附儀裝置，為安全科學(xué)與工程專業(yè)“礦井瓦斯防治”及“表面物理化學(xué)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了儀器平臺。與傳統(tǒng)商業(yè)化儀器相比，能夠讓學(xué)生更加直觀地了解吸附儀的工作原理、儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測試過程中各氣路閥門的邏輯控制過程，充分體現(xiàn)了安全科學(xué)與工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備建設(shè)中所遵循的“購置與自制相結(jié)合”的模式和理念，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。