Rubotherm新型蒸汽压测量系统

蒸汽压是化学领域里的一个重要的参数和特性。对纯物质来说，蒸汽压仅仅取决于温度。根据European REACH（EUR06）规定，任何投放于市场的新物质必须测定该参数。在OECD（OEC06）中的“化学物质测试”指导性说明中，提供了几种在不同压力区段里的数种蒸汽压测试方法。其中的努森桶逸出法涵盖了大范围的蒸汽压力区间，与其他方法相比也能提供相对而言较高精度的数据。现在通过应用磁悬浮天平，该方法得到了进一步提升。该装置可以在超高真空的环境中，提供非常高精度的努森桶重量变化数据。同时该仪器还有特殊的设计可以赋予努森桶在广泛区间的稳定可靠的温度控制。该仪器的新颖设计整合了较高的适用性，可以在广泛蒸汽压力区间内进行不同测试物质（液体或是固体）的蒸汽压力实验，并且操作简单，具有高可重复性和精准度。

图1展示了在超高真空环境下，进行努森桶(Knudsen Cell)重量变化测量的磁悬浮天平的装置示意图：

细节1：在每个测量点之前，样品会放下落至底座，并测量记录其温度。然后样品再被挂起来称重。该方法相比常规装置，可以获得更大的样品温度测量精确性。

表1：应用努森桶逸出法蒸汽压测量的MSB仪器的主要规格说明：

针对蒸汽压实验中天平基线的漂移，该装置设计了规律性的测量位（MP）和零点位（ZP）自动调节，对努森桶的重量值进行校正。当处于ZP位时，努森桶被放置在样品池的内壁上，从而保证了努森桶和样品池具有完全相同的温度。

这种情况保证了努森桶和样品池内壁直接能够接触，从而热交换能以热传导的方式进行，这点在实验中非常重要，因为在高真空中通过对流交换热量效率很低。在实际实验的过程中，努森桶大部分时间是放置在样品池内壁，只是定时的会被天平挂起来，测量由于蒸汽逸出而导致的质量变化。这个间隔时间可以根据蒸汽压力大小和质量变化速率由操作者自由设定。通过这种设计原理，努森桶的温度被精确的控制，并通过对样品池温度的测量可以得知。

我们用纯水做为样品，并在努森桶上加装额外的温度传感器来进行测试，已经证明了该技术的效能。该传感器用来监测蒸汽压测试实验中努森桶和样品池内壁的温度差异。以我们使用的Pt100温度计的精度，没有发现系统的温度差异。

测试结果

我们使用C₁₆H₂₂O₄作为标准物质来测试蒸汽压测量天平。在上面描述的努森桶中，放入了约0.2到0.3克的液态C₁₆H₂₂O₄，然后置入蒸汽压测量天平中。在至少一个小时的抽真空和温度平衡稳定的等待后，努森桶的重量变化被测量并记录。实验中测试了293.15K，303.15K和323.15K三个温度点。

软件中设置了努森桶每次被挂起约180秒，在这段时间内记录10组重量数据。180秒过后努森桶被放回到有温控的内壁支架上并停留420秒，以保证努森桶的温度和样品池内壁一致。这一过程在每个温度点上会重复20次。

图2展示了一组实验结果数据。这个例子中我们用努森桶重量随时间变化来做图，并测试了三个温度点。重量变化的数据呈现一条直线，其线形相关性高于0.9996。在对每个温度点等待其稳定约1个小时后，都能得到重量变化良好的线形数据。

图2：323.15K下装载C₁₆H₂₂O₄的努森桶重量随时间变化曲线。并对实验数据点作线形回归。

该回归直线的斜率取决于该温度下C₁₆H₂₂O₄的蒸发速度m。方程式1可以利用蒸发速度m和努森桶的几何尺寸参数来计算蒸汽压力。将计算得出的蒸汽压数据与文献参考值进行对比，发现测量值与文献值之间存在成比例的偏差，因此在方程式1中引入了“形状因子”参数k来抵消该误差：

方程式1：         

这个形状因子是只与仪器本身相关的常数，包含了可能由努森桶或是天平引发的影响蒸发的因素。上述实验中的三个温度点都计算出同样的值k=0.8645±0.0002。使用该因子则实验值与文献之能够极好的吻合。在下面的图3中，可以对比察看实验得出的蒸汽压力值与文献值。

图3：在293.15K，303.15K和323.15K下测量的C₁₆H₂₂O₄蒸汽压力值，并与文献参考值对比。