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高纯度电子气体是保证当今各种高性能电子器件质量的关键所在。电子气体,尤其是氨气、磷烷、砷烷和硅烷等氢化物气体,含氧化合物是重点控制的杂质组分;由于其特殊的性质且易形成氢键,水在杂质中是最难脱除的。目前所报道的用于脱除微量水的方法主要是精馏和吸附,吸附工艺由于操作简便,净化度高,因此在微量水的脱除,尤其是终端净化方面应用较为广泛。通常,高纯气体标准要求的水分含量需要达到nL/L(ppb)级别,该浓度下水分杂质分压较低,脱除难度大。因此,开发一种具有较高的净化度、较大的吸附量和较快的水吸收动力学的易于再生的高效吸附干燥材料对于微量水分的吸附脱除来说具有重要意义。 论文首先采用搭建的微量水动态吸附评价装置,测定了几种常规吸附干燥材料4A分子筛、13X分子筛、硅胶、γ-Al2O3和CaCl2等的微量水脱除性能。实验结果表明,除CaCl2之外,这些常规的吸附材料在微量水的吸附脱除中有一定的应用可能,特别是具有较大比表面积的多孔材料具有相对更佳的性能。其中,4A分子筛、13X分子筛和γ-Al2O3都具备将纯度为99.999%(5N)的高纯氮中的水含量脱除至100 ppb以下的能力,尤以γ-Al2O3最佳,达到44 ppb;而13X分子筛尽管净化度稍低(66 ppb),其气体处理能力却高达15498L/g,是4A分子筛和γ-Al2O3处理能力的将近两倍。 为了制备得到处理能力更大、净化度更高的吸附干燥材料,制备了基于碱金属氧化物和碱土金属氧化物的系列负载型吸附剂并研究了其微量水吸附性能。结果表明,碱金属氧化物改性的含量为30 wt%的吸附干燥剂基本不具备脱除微量水的能力,碱土金属氧化物改性的吸附剂性能较好。不论从处理能力还是净化度来说,20wt%CaO/γ-Al2O3都是最好的,其净化度达到了46 ppb,单位吸附剂的处理能力达到了10409L/g。相对于纯的γ-Al2O3的处理能力(8771L/g)来说,20wt% CaO/γ-Al2O3单位吸附剂的处理能力得到一定的提升。 鉴于凹凸棒土和金属有机骨架材料所展现出的优良吸附性能,首次尝试合成了基于凹凸棒土和金属有机骨架HKUST-1的杂化材料并应用于微量水的吸附脱除,表征结果表明该种材料并非是两种原料简单的物理混合,杂化的两种组分之间存在一定的作用力。制备并测试了凹凸棒土含量为5 wt%、15 wt%和30 wt%的杂化材料(分别标记为HA5、HA15和HA30)的微量水脱除性能。结果表明HA15具有较高的净化度(76 ppb),高纯氮处理能力为1890 L/g,而HA30尽管处理能力(2420 L/g)更佳,但净化度(93 ppb)不及HA15。综合比较而言,HA15具有最好的微量水吸附脱除性能。探讨了杂化材料HA中HKUST-1和凹凸棒土对杂化材料微量水吸附能力的促进作用,结果表明,HKUST-1的存在能够提高材料的净化度,而凹凸棒土对杂化材料的微量水吸附量有较大贡献。