主要量測方式
氣體或氣體/蒸氣混合物分離評估樣品的模式:
質傳速率、擴散係數與動力學機制分析模式:
數據校正與監測功能
適用對象與應用領域
混合流體(吸附質/載流氣體)通過吸附劑床層,在流出物中檢測到的吸附質濃度隨時間變化的曲線。
實際吸附過程中存在傳質阻力、流動速度分佈和吸附等溫線類型等因素的影響,形成逐步增加的趨勢線。
穿透曲線的圖線可以提供吸附劑的飽和吸附量、吸附劑分離性質、軸向擴散係數、純組分等溫線量測(BET)
通常為雙吸附質系統,圖形呈現為兩條先後出現的穿透曲線,吸附劑較不易吸收的吸附質A會先突破(Breakthrough),接著受到吸收性質較強的吸附質B排擠,部分吸附質A會在吸附質B突破之後也伴隨吸附質A的部分解吸,最終一起達到平衡。
藉由競爭吸附曲線可以了解不同吸附質在吸附劑的分離因數(alpha):
alpah = X1/X2 x Y2/Y1
X代表在吸附劑表面的莫爾分量
Y代表在氣相中的莫爾分量
動態吸附等溫線是通過連續改變吸附物濃度繪製的穿透曲線來計算的。其中,不同的吸附質濃度比代表不同的P/P0。
利用不同溫度下的動態吸附等溫線可以計算等量吸附熱,進而探索吸附劑的再生條件。
與靜態容量法的區別和優點:
動態流量法比靜態體積法更能解決實際應用情況。
可以繪製多組分競爭吸附條件下的吸附等溫線,並據此計算等量吸附熱,這是靜態方法和模擬方法無法實現。
循環穩定性試驗是循環進行吸附和解吸,檢驗吸附劑的再生能力和壽命。
在軟件中,我們將計算循環次數為n時的吸附量,並與第一個循環的吸附量進行比較,以了解循環穩定性。
循環穩定性是探索吸附劑應用於氣體分離純化放大過程中必須要做的實驗。
變壓吸附(PSA)實驗是在較高壓力下進行吸附實驗,在低壓下進行解吸實驗。由於壓力會瞬間下降,吸附的氣體會瞬間大量釋放,在解吸曲線上形成一個尖峰。
變壓吸附(TSA)實驗通常用於探索製程參數,BTSorb100控制軟體兼具數據分析功能,例如:
同時測定分離濃度、相同出口濃度、分離時間測定
變溫吸附(TSA)實驗是在相對較低的溫度下進行吸附實驗,在較高的溫度下進行解吸實驗。
BTSorb變溫吸附實驗方式:①水浴+加熱爐、②雙水浴
管柱法(Chromatography)
測試方法:不同流量的載氣在六向閥處攜帶定量環(Sample Loop)的吸附氣,穿過吸附劑床層,到達偵測器分析取得不同流量下吸附質的擾動響應峰。
計算方法:使用者可以根據需要設定響應峰值計算範圍,利用矩形分析方法計算擾動峰值(進樣)進行分析,取得擴散係數。
零長柱法(Zero Length Column)
測試方法:實驗採用特製的零長柱(長度(厚度)接近於零的吸附劑床層),將極低濃度的吸附質/載氣混合物通過吸附床層(符合Henry定律),待床層吸附飽和後,通入一定流量的載氣進行脫附,得到脫附曲線。
計算方法:對脫附曲線(長時法、短時法)進行數學分析,得到吸附劑內擴散係數。
採用4路高精度MFC(Brooks、KELLER、Equilibar或同級品)調整載氣與吸附質氣體的混用或是獨立使用吸附氣體。
使用者可以使用鼓泡式來產生飽和蒸汽壓作為吸附氣體。此外也可以通入水氣或其他干擾氣體模擬吸附劑實際使用狀況。
所有進入樣品管的氣體都會通過位於恆溫氣路閥箱,提供穩定的氣體進樣,減少溫度梯底引起的實驗誤差。
BTSorb可以採用不鏽鋼與石英兩種材質,根據樣品顆粒與孔隙度狀態選擇1mL或是4mL的樣品管,此外也提供動態BET與ZLC專用的樣品管。
BTSorb可以根據實驗的溫度範圍選擇電熱加熱包、恆溫循環水槽、特殊低溫配件來控制實驗溫度在零下130度至1000度的條件。
BTSorb內建TCD模組,可以直接分析單組份吸附氣體的濃度變化,也可以串聯質譜分析吸附氣體,質譜分析數據可以直接呈現在BTSorb的軟體中,達到即時分析多組分吸脫附實驗的數據紀錄。此外也可以選擇GC或是單FID偵測器。
如左圖N2、CO2與O2的競爭吸附穿透曲線所示,所使用的吸附劑對於模擬煙氣(15% CO2、5% O2、80% N2)具有卓越的CO2吸附特性。其對CO2表現出極強的選擇性吸附和吸附容量,N2和O2能夠較快穿透,為弱吸附。這一特性使得該吸附劑在燃燒後碳捕集領域具有極高的應用潛力,能夠高效地從煙氣中分離出CO2,同時產生高純度的富氮氣流,實現二氧化碳的捕集。
如左圖N2和SF6的競爭吸附穿透曲線所示,可以看到N2在400s左右就已經開始發生穿透,而SF6在1500s左右才發生穿透,這說明該材料對於SF6具有較大的飽和吸附容量,可以使SF6、N2得到有效分離。
如左圖變溫的吸脫附穿透曲線所示,在吸附階段,CH4-CO2- C2H6 – C3H8- C4H10依次穿透,C4H10(正丁烷)最後穿透,可以看出材料從弱到強的吸附能力,表明它們與MOFs的相互作用逐漸增強。這是由於分子極化率增加和凡德瓦力增強所致。顯示材料對C4H10具有最大的吸附容量。
脫附階段,脫附順序與吸附相反:弱吸附組分先脫附,強吸附組分後脫附。因此,CH4最先穿透,依序至C4H10最後脫附。因此可以收集到高純度以及高回收率的C4H10。
如左圖的PSA迴圈穩定性實驗所示,該MOFs材料在模擬煙氣環境下,具有高度可再生的CO2捕集特性。其CO2的吸附容量為2.2mmol/g,在吸附壓力5 bar,脫附壓力1 bar的壓力循環吸脫附穩定性的測試條件下,經歷50次循環,其吸附容量與動力學性能均未發生明顯衰減,顯示材料具有卓越的穩定性和再生性能。
BTSorb在樣品安裝後,由軟體全自動控制;搭載全自動背壓系統,壓力全自動控制,可實現迴圈穩定性的自動控制,設置吸脫附壓力不同,也可以進行類PSA測試(高壓吸附,低壓脫附)
如上圖顯示以ZLC(零長柱法)進行正戊烷的脫附曲線實驗,實驗設計吸脫附溫度為60℃,90℃,120℃,經過計算得到有效擴散時間常數分別為0.000594,0.0007773,0.001123。證實了溫度是促進分子在分子篩孔道內擴散的關鍵動力。溫度升高顯著提升了正戊烷分子的動能,削弱了其與吸附位點之間的相互作用,從而有效降低了擴散壁壘,加快了質傳速率。
實驗參數:
吸附劑:分子篩
吸脫附溫度:60℃,90℃,120℃,吸附壓力:1bar
濃度:載氣94%He,6%正戊烷
脫附總流量:120ml