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CN106975325A - 一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法 - Google Patents

一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法 Download PDF

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宫淼淼
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Abstract

本发明涉及一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，该方法涉及装置是由进气口、聚四氟乙烯腔体、多孔陶瓷管、第一密封硅胶垫、第二密封硅胶垫、聚四氟乙烯腔体上盖、分子筛膜、第三密封硅胶垫和出气口组成，在聚四氟乙烯腔体内负压的驱动下，生长在多孔陶瓷管外表面的MFI分子筛膜选择性分离TNT蒸气与空气，动力学半径大的制式爆炸物TNT分子在多孔陶瓷管内浓缩，动力学半径小的氮气、氧气等空气分子通过多孔陶瓷管外涂覆的分子筛膜扩散至环境中。本发明采用多孔陶瓷管外表面生长致密分子筛膜对痕量制式爆炸物气氛进行浓缩，分子筛膜选择性分离混合气中的空气分子和制式爆炸物分子，使制式爆炸物分子在管内浓缩，达到一定浓度后可供实时、超灵敏检测。

Description

一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法
技术领域
本发明涉及痕量制式爆炸物TNT蒸气浓缩，特别是涉及一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法。
背景技术
恐怖活动的不断升级使得爆炸物检测成为国内外公共安全领域高度关注的课题。2,4,6–三硝基甲苯(TNT)存在于21种常用爆炸物中，其在室温下蒸气压较低(10-6Torr，接近10ppb)，在开放空气环境下，这个浓度被稀释到ppt甚至更低。为了实现对TNT的痕量检测，大量的研究工作集中在提高传感材料的检测限上，如基于表面增强拉曼散射、分子印迹技术等，其检测限可达ppb级甚至更低。然而，如何在研究检测材料的同时，开发能够快速、选择性浓缩痕量TNT蒸气分子的材料，成为提高传感材料或器件灵敏度的关键。
分子筛膜是一类具有规则纳米孔道且孔径分布单一(一般小于2nm)的无机晶体膜材料，广泛应用于气体筛分分离。采用二次生长法在多孔的钢网、α-Al2O3基底上制备出连续致密的MFI分子筛膜，实现了对N2/三甲基苯的高选择性分离浓缩。MFI分子筛具有热稳定性强、硅铝比高、能优先透过非极性小分子(如N2、O2等)的优点，并且其二维规则孔道孔径(0.51–0.56nm)介于空气中小分子半径(N2 0.38nm、O2 0.35nm)和TNT动力学半径(0.85nm)之间。因此，MFI分子筛膜可用于选择性分离TNT蒸气与空气，在短时间内浓缩爆炸物分子，达到超低浓度(ppt或更低)检测的目的。致密分子筛膜作为爆炸物蒸气的浓缩器，其浓缩效果取决于小分子在孔道中的扩散距离和膜的致密性。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，该方法涉及装置是由进气口、聚四氟乙烯腔体、多孔陶瓷管、第一密封硅胶垫、第二密封硅胶垫、聚四氟乙烯腔体上盖、分子筛膜、第三密封硅胶垫和出气口组成，在聚四氟乙烯腔体内负压的驱动下，生长在多孔陶瓷管外表面的MFI分子筛膜选择性分离TNT蒸气与空气，动力学半径大的制式爆炸物TNT分子在多孔陶瓷管内浓缩，动力学半径小的氮气、氧气等空气分子通过多孔陶瓷管外涂覆的分子筛膜扩散至环境中。本发明采用多孔陶瓷管外表面生长致密分子筛膜对痕量制式爆炸物气氛进行浓缩，分子筛膜选择性分离混合气中的空气分子和制式爆炸物分子，使制式爆炸物分子在管内浓缩，达到一定浓度后可供实时、超灵敏检测。
本发明所述的一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，该方法涉及装置是由气体进气口、聚四氟乙烯腔体、多孔陶瓷管、第一密封硅胶垫、第二密封硅胶垫、聚四氟乙烯腔体上盖、分子筛膜、第三密封硅胶垫和出气口组成，在聚四氟乙烯腔体(5)中部设置有对称的多孔陶瓷管(6)，聚四氟乙烯腔体(5)顶端设有气体进气口(1)，气体进气口(1)与多孔陶瓷管(6)内部联通，在多孔陶瓷管(6)外表面生长致密分子筛膜(7)，多孔陶瓷管(6)的上下端与聚四氟乙烯腔体(5)之间分别采用第一密封硅胶垫(2)、第二密封硅胶垫(3)和第三密封硅胶垫(8)密封，多孔陶瓷管(6)下端一侧通过出气口(9)与真空泵连接，聚四氟乙烯腔体(5)的顶端设置有聚四氟乙烯腔体上盖(4)，具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管(6)的上下端分别采用第一密封硅胶垫(2)、第二密封硅胶垫(3)和第三密封硅胶垫(8)与聚四氟乙烯腔体(5)分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管(6)内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管(6)外部与聚四氟乙烯腔体(5)内部的环形区域为空气区；气体进气口(1)与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口(9)与多孔陶瓷管(6)外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体(5)内造成负压环境，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜(7)孔径尺寸的差异，由氮气、氧气小分子组成的空气气氛透过分子筛膜(7)，扩散至多孔陶瓷管(6)外部，再通过出气口(9)由真空泵释放至环境中，而动力学半径大的制式爆炸物气氛受到致密分子筛膜(7)的阻隔，滞留在多孔陶瓷管(6)内部并浓缩。
分子筛膜(7)为致密MFI分子筛膜。
本发明所述的一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，该方法涉及装置中的分子筛膜(7)为致密MFI分子筛膜，其二维规则孔道孔径0.51–0.56nm小于TNT动力学半径0.85nm，远大于N2 0.38nm、O2 0.35nm动力学半径。
本发明所述的一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，该方法中涉及的浓缩装置气体进气口、聚四氟乙烯腔体、多孔陶瓷管、第一密封硅胶垫、第二密封硅胶垫、聚四氟乙烯腔体上盖、分子筛膜、第三密封硅胶垫和出气口组成，多孔陶瓷管及各类密封硅胶垫片将聚四氟乙烯腔体分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管外部与聚四氟乙烯内部的环形区域为空气区；气体进气口与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口与多孔陶瓷管外部的空气区连接；真空泵在聚四氟乙烯腔体造成负压环境，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜孔径尺寸的差异，由氮气、氧气小分子组成的空气气氛透过分子筛膜，扩散至多孔陶瓷管外部，最后通过出气口由真空泵释放至环境中。而动力学半径大的制式爆炸物气氛受到致密分子筛膜的阻隔，滞留在多孔陶瓷管内部并浓缩。在多孔陶瓷管外壁生长的致密MFI分子筛膜薄层能够滤过混合气中的小分子，浓缩爆炸物蒸气TNT分子，达到超低浓度检测的目的。
附图说明
图1为本发明的浓缩装置截面图；
图2为本发明多孔陶瓷管表面的扫描电镜图；
图3为本发明生长在多孔陶瓷管外表面的MFI分子筛膜顶视扫描电镜图；
图4为本发明生长在多孔陶瓷管外表面的MFI分子筛膜断面扫描电镜图；
图5为本发明浓缩装置对制式爆炸物TNT的浓缩效果图。
具体实施方式：
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
本发明所述的一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，该方法涉及装置是由气体进气口、聚四氟乙烯腔体、多孔陶瓷管、第一密封硅胶垫、第二密封硅胶垫、聚四氟乙烯腔体上盖、分子筛膜、第三密封硅胶垫和出气口组成，在聚四氟乙烯腔体5中部设置有对称的多孔陶瓷管6，聚四氟乙烯腔体5顶端设有气体进气口1，气体进气口1与多孔陶瓷管6内部联通，在多孔陶瓷管6外表面生长致密分子筛膜7，多孔陶瓷管6的上下端与聚四氟乙烯腔体5之间分别采用第一密封硅胶垫2、第二密封硅胶垫3和第三密封硅胶垫8密封，多孔陶瓷管6下端一侧通过出气口9与真空泵连接，聚四氟乙烯腔体5的顶端设置有聚四氟乙烯腔体上盖4，具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管6的上下端分别采用第一密封硅胶垫2、第二密封硅胶垫3和第三密封硅胶垫8与聚四氟乙烯腔体5分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管6内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管6外部与聚四氟乙烯腔体5内部的环形区域为空气区；气体进气口1与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口9与多孔陶瓷管6外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体5内造成负压环境，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜7孔径尺寸的差异，分子筛膜7为致密MFI分子筛膜，其二维规则孔道孔径0.51–0.56nm小于TNT动力学半径0.85nm，远大于N2 0.38nm、O2 0.35nm动力学半径，由氮气、氧气小分子组成的空气气氛透过分子筛膜7，扩散至多孔陶瓷管6外部，再通过出气口9由真空泵释放至环境中，而动力学半径大的制式爆炸物气氛受到致密MFI分子筛膜7的阻隔，滞留在多孔陶瓷管6内部并浓缩。
实施例2
所述方法中涉及的装置按实施例1进行；
具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管6的上下端分别采用第一密封硅胶垫2、第二密封硅胶垫3和第三密封硅胶垫8与聚四氟乙烯腔体5分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管6内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管6外部与聚四氟乙烯腔体5内部的环形区域为空气区；气体进气口1与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口9与多孔陶瓷管6外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体5内造成负压环境，在聚四氟乙烯腔体内负压的驱动下，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜7孔径尺寸的差异，分子筛膜7为致密MFI分子筛膜，其二维规则孔道孔径0.51–0.56nm小于TNT动力学半径0.85nm，远大于N20.38nm、O2 0.35nm动力学半径，生长在多孔陶瓷管6外表面的致密MFI分子筛膜7选择性分离TNT蒸气与空气，动力学半径大的制式爆炸物TNT分子在多孔陶瓷管6内浓缩，动力学半径小的氮气、氧气等空气分子通过多孔陶瓷管6外涂覆的致密MFI分子筛膜7扩散至环境中；
使用外表面裸露的多孔陶瓷管6对500mL锥形瓶中的温度50℃TNT气氛进行浓缩，外表面裸露的多孔陶瓷管6表面如附图2扫描电镜所示。
实施例3
所述方法中涉及的装置按实施例1进行；
具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管6的上下端分别采用第一密封硅胶垫2、第二密封硅胶垫3和第三密封硅胶垫8与聚四氟乙烯腔体5分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管6内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管6外部与聚四氟乙烯腔体5内部的环形区域为空气区；气体进气口1与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口9与多孔陶瓷管6外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体5内造成负压环境，在聚四氟乙烯腔体内负压的驱动下，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜7孔径尺寸的差异，分子筛膜7为致密MFI分子筛膜，其二维规则孔道孔径0.51–0.56nm小于TNT动力学半径0.85nm，远大于N20.38nm、O2 0.35nm动力学半径，生长在多孔陶瓷管6外表面的致密MFI分子筛膜7选择性分离TNT蒸气与空气，动力学半径大的制式爆炸物TNT分子在多孔陶瓷管6内浓缩，动力学半径小的氮气、氧气等空气分子通过多孔陶瓷管6外涂覆的致密MFI分子筛膜7扩散至环境中；
使用外表面生长致密MFI分子筛膜7的多孔陶瓷管6，对250mL锥形瓶中的温度25℃TNT气氛进行浓缩，多孔陶瓷管6表面生长的MFI分子筛膜如附图3扫描电镜所示，截面如附图4扫描电镜所示。
实施例4
所述方法中涉及的装置按实施例1进行；
具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管6的上下端分别采用第一密封硅胶垫2、第二密封硅胶垫3和第三密封硅胶垫8与聚四氟乙烯腔体5分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管6内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管6外部与聚四氟乙烯腔体5内部的环形区域为空气区；气体进气口1与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口9与多孔陶瓷管6外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体5内造成负压环境，在聚四氟乙烯腔体内负压的驱动下，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜7孔径尺寸的差异，分子筛膜7为致密MFI分子筛膜，其二维规则孔道孔径0.51–0.56nm小于TNT动力学半径0.85nm，远大于N20.38nm、O2 0.35nm动力学半径，生长在多孔陶瓷管6外表面的致密MFI分子筛膜7选择性分离TNT蒸气与空气，动力学半径大的制式爆炸物TNT分子在多孔陶瓷管6内浓缩，动力学半径小的氮气、氧气等空气分子通过多孔陶瓷管6外涂覆的致密MFI分子筛膜7扩散至环境中；
使用外表面生长致密MFI分子筛膜7的多孔陶瓷管6，对250mL锥形瓶中的温度50℃的TNT气氛进行浓缩。
实施例5
所述方法中涉及的装置按实施例1进行；
具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管6的上下端分别采用第一密封硅胶垫2、第二密封硅胶垫3和第三密封硅胶垫8与聚四氟乙烯腔体5分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管6内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管6外部与聚四氟乙烯腔体5内部的环形区域为空气区；气体进气口1与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口9与多孔陶瓷管6外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体5内造成负压环境，在聚四氟乙烯腔体内负压的驱动下，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜7孔径尺寸的差异，分子筛膜7为致密MFI分子筛膜，其二维规则孔道孔径0.51–0.56nm小于TNT动力学半径0.85nm，远大于N20.38nm、O2 0.35nm动力学半径，生长在多孔陶瓷管6外表面的致密MFI分子筛膜7选择性分离TNT蒸气与空气，动力学半径大的制式爆炸物TNT分子在多孔陶瓷管6内浓缩，动力学半径小的氮气、氧气等空气分子通过多孔陶瓷管6外涂覆的致密MFI分子筛膜7扩散至环境中；
使用外表面生长致密MFI分子筛膜7的多孔陶瓷管6，对500mL锥形瓶中的温度50℃的TNT气氛进行浓缩。
实施例6
通过对实施例2-5中的任意一种气相色谱检测多孔陶瓷管内及管外的爆炸物含量，评价浓缩效果，如附图5所示，随着TNT气氛蒸气压增加，浓缩TNT的量也逐渐增加。

Claims (2)

1.一种基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，其特征在于该方法涉及装置是由气体进气口、聚四氟乙烯腔体、多孔陶瓷管、第一密封硅胶垫、第二密封硅胶垫、聚四氟乙烯腔体上盖、分子筛膜、第三密封硅胶垫和出气口组成，在聚四氟乙烯腔体（5）中部设置有对称的多孔陶瓷管（6），聚四氟乙烯腔体（5）顶端设有气体进气口（1），气体进气口（1）与多孔陶瓷管（6）内部联通，在多孔陶瓷管（6）外表面生长致密分子筛膜（7），多孔陶瓷管（6）的上下端与聚四氟乙烯腔体（5）之间分别采用第一密封硅胶垫（2）、第二密封硅胶垫（3）和第三密封硅胶垫（8）密封，多孔陶瓷管（6）下端一侧通过出气口（9）与真空泵连接，聚四氟乙烯腔体（5）的顶端设置有聚四氟乙烯腔体上盖（4），具体操作按下列步骤进行：
a、将多孔陶瓷管（6）的上下端分别采用第一密封硅胶垫（2）、第二密封硅胶垫（3）和第三密封硅胶垫（8）与聚四氟乙烯腔体（5）分隔为两个相对独立且密封的空间，多孔陶瓷管（6）内部为制式爆炸物浓缩区，多孔陶瓷管（6）外部与聚四氟乙烯腔体（5）内部的环形区域为空气区；气体进气口（1）与制式爆炸物浓缩区相通，真空泵通过出气口（9）与多孔陶瓷管（6）外部的空气区相通；
b、真空泵在聚四氟乙烯腔体（5）内造成负压环境，利用混合气氛中各类分子动力学半径与分子筛膜（7）孔径尺寸的差异，由氮气、氧气小分子组成的空气气氛透过分子筛膜（7），扩散至多孔陶瓷管（6）外部，再通过出气口（9）由真空泵释放至环境中，而动力学半径大的制式爆炸物气氛受到致密分子筛膜（7）的阻隔，滞留在多孔陶瓷管（6）内部并浓缩。
2.如权利要求1所述的基于分子筛膜的痕量制式爆炸物浓缩方法，其特征在于步骤b中分子筛膜（7）为致密MFI分子筛膜。
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