由于气体低温吸附在达到一定的表面覆盖后吸附剂饱和,所以在实际应用时仅需考虑那些具有较大比吸附能力的可制备的纯吸附质。这样的材料有:
1.多孔固体吸附剂,如分子筛和活性炭。
2.气体冷凝物。
通过气体(如CO2)的冷凝,能够以简单的方式形成表面清洁的多晶多孔吸附质,它们具有良好的热传导性能,从而具有确定的温度,通过选择适当的吸附剂和冷凝参数,其吸附特性可以在很大的范围内改变。因此,为研究低温吸附机理需提出一些适宜的假设。其次,了解实际应用时在超高真空下的最佳冷凝条件也是很重要的。
1933年基佐姆(Keesom)等人纠报导了固态气体冷凝物上低温吸附现象的首批观察结果,但直到1961年才开始从应用角度进行物理基础的研究。
图3是一台可用于研究气体冷凝物低温吸附的实验装置。该试验装置可借助蒸发器,使低温面的温度在很大范围内连续变化。进行气体冷凝物的低温吸附时,为了获得冷凝层,当低温面的温度为Tc时,注入恒定的吸附剂气流(CO2、CH4等),同时测量层厚,(小于100μm),使冷凝层的相对基底的最大温度差不超过0.01K。接着在时间t内,注入同样恒定的吸附质气流。在输入的吸附质气量Qt中,被冷凝层的吸附的部分Qc(Pa·m3)为
低温下多孔固体对气体的物理吸附与气体冷凝物低温吸附机理基本相同,但被吸附的气体量有明显的区别。例如:低温表面温度Z为4.2K时,1.8mm厚的5A分子筛层,对氦原子的吸附是抛光铜面的107倍,是28μm厚CO2层的102倍,而吸附能具有相同的量级。下表为各种固体吸附剂的主要数据。多孔固体与冷凝物相比,其优点在于用量比较大,故适宜束缚较多的气体量。所以从超高真空到连续流区都可以采用固体吸附剂。
气体分子首先吸附在多孔吸附剂的外表面,然后扩散到窗口的内部,最后吸附停留在窗口的内表面。温度对分子筛吸附能力的影响很大,室温下对活性气体的吸附能力只有液氮温度下的几十万分之一。分子筛冷却到20K以下,可以吸附氢、氦、氖等气体。在一定的温度下,分子筛的吸气能力与分子筛的形式和气体配组有关。由于分子筛晶体是离子型的,所以对极性分子的吸附能力强,对惰性气体分子的吸附能力弱;对分子直径大于或远小于分子筛窗口直径的气体吸附能力差。例如:13X可以吸附油蒸气等大分子;5A的窗口直径比较适中,所以对一般气体的吸附容量较大,在深冷吸附泵中经常使用。由20%的粘结剂粘结后压制成型的分子筛,可作为绝热层中的吸附剂,有效热导率很小,装填疏松时约为0.05 W/m·K,若粘结在金属面(吸附板)上时,约为10W/(m·K)。