روش‌های اندازه‌گيری سطح ويژه

روش‌های مختلف اندازه گیری سطح ویژه ذرات یا تخلخل‌ها، می‌تواند تأثیر مهمی بر مقادیر اندازه گیری شده داشته باشد.

انواع تکنیک‌های اندازه‌گیری سطح ویژه

تکنیک‌های مختلفی برای اندازه گیری سطح ویژه جامدات وجود دارد. این روش‌ها را در قالب 5 دسته بررسی می‌کنیم:

1. جذب گاز (یعنی تراکم مولکول‌ها روی سطح ذرات یا تخلخل‌های به هم مرتبط) قابلیتِ تعیین کردنِ سطح ویژه را از روی رابطه بین فشار اعمال شده و حجم گاز وارد شده به نمونه را دارد (بخار آب در این گروه گنجانده شده است).
2. جذب مولکول‌ها از محلول بر روی سطح جامد، به ویژه رنگ‌هایی مانند متیلن بلو است.
3. اندازه‌گیری خواص ترمودینامیکی شناخته شده (مانند گرمای غوطه وری پودر در یک مایع)
4. اندازه‌گیری سرعت انحلال مواد محلول
5. روش‌های میکروسکوپی مثل SEM و انتشار الگوهای پراش اشعه ایکس

جزئیات این تکنیک های اندازه گیری را می توان در آدامسون (1990) یافت. در ادامه این مقاله، تکنیک‌های جذب گاز و جذب متیلن بلو به تفصیل شرح داده شده‌ است، از جمله تئوری‌های اساسی که از این دو روش و روش‌های اجرا پشتیبانی می‌کنند.

اندازه گیری جذب گاز

نظریه جذب گازِ Brunauer ، Emmett و Teller یا به اختصار نظریه جذب گاز BET، پایه و اساس اندازه گیری سطح در مواد با سطح ویژه بالا است. بروناور و همکارانش در سال 1938، یک ایزوترم برای جذب لایه‌های چند مولکولی گاز بر روی یک جاذب جامد شبیه به مشتق لانگمویر برای یک لایه تک مولکولی به دست آورد. معادلات BET شکل کلی ایزوترم‌های تجربی واقعی را نشان می دهد و از این ایزوترم‌ها حجم گاز مورد نیاز برای تشکیل یک لایه تک مولکولی گاز روی جاذب‌ها را می‌توان محاسبه کرد. سطح با استفاده از رابطه زیر تعیین می شود:

در رابطه بالا، P فشار اعمالی، P_o فشار اشباع (نزدیک به فشار اتمسفر برای گاز نیتروژن در 75 کلوین)، V_ads همان حجم گاز جذب شده در P/P_o­ است، V_m حجم ماده جذب شده به اندازه یک تک لایه است که سطح را پوشش می‌دهد، و c مرتبط به جذب حرارت در ابتدا و ادامه لایه‌های جذب شده هست. نمودارهای P/[V_ads (P_o-P)] برحسب P/P_o خط صافی میدهد که شیب آن می‌تواند برای تعیین V_m و c استفاده شود. A_s مساحت سطح نمونه است که از طریق رابطه زیر به دست می‌آید :

در رابطه بالا، V_molecule حجم مولکول جذب شده روی سطح است و A_molecule مساحت سطح مقطع (cross-sectional) مولکول جذب شده است.

اندازه‌گیری جذب متیلن بلو

رنگ متیلن بلو برای تعیین سطح ویژه ذرات معدنی رس برای دهه‌ها قابل استفاده هستند. فرمول شیمیایی متیلن بلو C16H18ClN3S است و وزن مولکولی این ترکیب برابر با 319 گرم بر مول است. متیلن بلو در قالبِ یک محلول آبی، یک رنگ کاتیونی است و به فرم C16H18N3S⁺ در می‌آید که این ترکیب قابلیت برقراری پیوند الکترواستاتیک با سطوح با بار منفی دارد (ذرات معدنی رس بار سطحی منفی دارند).

علاوه بر این سطح ویژه ذرات می‌تواند از طریق مقدار جذب شده متیلن بلو روی سطح ذرات آشکارسازی شود. سطح ذرات معمولا با یک لایه مولکول متیلن بلو پوشیده می‌شود که معمولا فرض می‌شود که سطحش برابر با 130 آنگستروم مربع است (هر آنگستروم برابر با 0.1 نانومتر است). توجه به این نکته اهمیت دارد که این تکنیک برای سوسپانسیون‌های آبی قابل استفاده است؛ بنابراین به همین ترتیب، مواد معدنی منبسط شونده می توانند تمام سطح موجود را در معرض دید قرار دهند.

مقایسه روش جذب متیلن بلو و جذب گاز

دو تکنیک برای اندازه‌گیری سطح ویژه که در این مقاله، توضیح داده شد شامل جذب یک ماده‌ی جاذب روی سطح ذره یا سطح داخلی یک تخلخل می‌شود. تکنیک متیلن بلو شامل انرژی پیوند بالا (جذب کولمبی یونی - جذب شیمیایی) است و به طور کلی به یک لایه محدود می شود. در روش جذب گاز، مولکول‌های گاز توسط نیروهای واندروالس (جذب فیزیکی) به سطح جذب می‌شوند و ممکن است لایه‌های متعددی تشکیل شود. جذب چند لایه در نظریه BET مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل نتایج تجربی در نظر گرفته شده است.

روش جذب متیلن بلو، مقادیر بالاتری از سطح ویژه را در مواد معدنی متورم (مواد مبتنی بر رس) را نشان می‌دهد، زیرا سطوح بین لایه‌ای را می‌توان پس از آب‌گیری توسط یون‌های قابل تعویض به دست آورد. با این حال، برای کانی‌های رسی غیر متورم مانند کائولینیت، تفاوت معنی داری در سطح ویژه تعیین شده با روش های اندازه گیری خشک یا مرطوب وجود ندارد. یک نمایش شماتیک و مقایسه ای از دو روش در جدول1 ارائه شده است.

جدول 1: مقایسه روش BET (محیط خشک) و جذب متیلن بلو (محیط آبی) برای اندازه‌گیری سطح ویژه یک ماده معدنی مثل رس.