簡介

隨著 Micromeritics 發佈 MicroActive V6.0 和 3Flex V6.0 軟體，基於理想吸附溶液理論（IAST）預測多組分氣體吸附行為的功能正式上線。IAST 是由 Myers 和 Prausnitz 於 1965 年提出的一種氣體吸附預測技術：通過某一吸附劑材料上多種純組分氣體的吸附等溫線，預測該吸附材料在多組分混合氣體氛圍中的吸附行為。Micromeritics V6.0 軟體支援二元體系的氣體吸附行為預測模型。IAST 發展至今 60 年，已被證明廣泛應用於多種二元吸附體系，比如甲烷/乙烷在活性炭上的吸附、氙/氪在 NaA 沸石上的吸附以及丙烷/丙烯在 HKUST-1 上的吸附。

Myers 和 Prausnitz 提出 IAST 模型是基於以下假設：

• 吸附劑表面是均一的，排除表面異質性對吸附的影響。
• 吸附質各組分間無相互作用，各組分的行為符合拉烏爾定律。
• 吸附質各組分的行為相互獨立，其他組分的存在不影響某組分的吸附特性。

本文將介紹 MicroActive V6.0 或 3Flex V6.0 IAST 新功能。首先使用Micromeritics 3Flex 多用氣體吸附儀分別測定三種活性炭吸附劑對 CO₂、CH₄ 和 C₂H₆ 的純組分吸附等溫線。基於純組分吸附等溫線在 MicroActive V6.0 或 3Flex V6.0 軟體中生成 IAST 預測結果。另外，在 Micromeritics 穿透曲線 (或稱突破曲線)分析儀 BTA 上進行二元吸附體系的穿透曲線測試，驗證 IAST 預測結果。

實驗方法

本文選擇了三種微孔活性炭吸附劑材料（Carboxen 1018、Carboxen 1021 和 Carbosieve S-III）作為研究對象。

純組分吸附等溫線測試：

三種吸附劑材料在 SmartVac Prep 上 250 °C 真空加熱 1 0小時進行活化前處理。隨後在 Micromeritics 3Flex 多用氣體吸附儀上分別測試三種吸附劑材料 25℃ 時對 CO₂、CH₄ 和 C₂H₆ 的純組分吸附等溫線。

IAST 預測結果：

在 MicroActive V6.0 或 3Flex V6.0 進行 IAST 模型預測過程如下，

1）開軟體，依次選擇 Reports → Open Notebook（輸入檔案名）→ Open→ IAST Composition Reports。

2）在“Component 1 ”和“Component 2”介面點擊“Select Isotherms”，分別選擇兩條純組分等溫線進行分析。可選擇的等溫線模型包括：VTTE、Sips、Langmuir、Dual Site Langmuir、Toth 和 Redlich Peterson。選擇模型後點擊保存並預覽生成 IAST 報告。

雙組分穿透曲線測試：

三種吸附劑材料在 Micromeritics 穿透曲線分析儀 BTA 上於 20 ml/min N₂氛圍中 250 °C 原位活化 10 小時。之後，在 25℃ 下分別將 50/50 的 CO₂/CH₄、CO₂/C₂H₆ 和 CH₄/C₂H₆ 混合氣作為吸附質（每種氣體 5 ml/min），N₂作為載氣（10ml/min），Ar 作為標定氣體（1 ml/min），進行穿透曲線測試。

Micromeritics 3Flex 多用氣體吸附儀（左）和 穿透曲線分析儀 BTA（右）

實驗結果

圖 1、2、3 分別是三種吸附劑材料 Carboxen 1018、Carboxen 1021 和 Carbosieve S-III 在 25℃ 時對 CO2 （橙色）、CH4 （藍色）和 C2H6 （綠色）的純組分吸附等溫線。

如圖1，Carboxen 1018 在低壓下對 C₂H₆吸附最強；在 1000 mbar 時 C₂H₆的吸附容量（40 cm³/g STP）低於CO₂（55 cm³/g STP）, CH₄吸附最弱（15 cm³/g STP）。

圖1.Carboxen 1018 對 CO₂（橙色）、CH₄（藍色）和 C₂H₆（綠色）的純組分等溫線

如圖2，Carboxen 1021 的實驗結果與 Carboxen 1018 相似。在 1000 mbar 時 C₂H₆的吸附容量（58 cm³/g STP）與 CO₂（55 cm³/g STP）吸附容量相近, CH₄吸附也最弱（24 cm³/g STP）。

圖2.Carboxen 1021 對 CO₂（橙色）、CH₄（藍色）和 C₂H₆（綠色）的純組分等溫線

如圖 3，Carbosieve S-III 對 C₂H₆吸附能力最強。在1000 mbar時 C₂H₆的吸附容量為 90 cm³/g STP，其次為 CO₂（74 cm³/g STP），CH₄吸附仍然最弱（33 cm³/g STP）。

圖3.Carbosieve S-III 對 CO₂（橙色）、CH₄（藍色）和 C₂H₆（綠色）的純組分等溫線

IAST 雙組分吸附預測結果

如圖 4、5 和 6 所示，基於純組分吸附等溫線，採用 IAST 模型可以預測雙組分吸附系統中吸附劑隨著組分變化的吸附行為。

圖4. Carboxen 1018 隨著二元吸附體系組分變化的吸附行為

（上：CO₂/CH₄，中：CO₂/C₂H₆，下：CH₄/C₂H₆）

圖5. Carboxen 1021 隨著二元吸附體系組分變化的吸附行為

（上：CO₂/CH₄，中：CO₂/C₂H₆，下：CH₄/C₂H₆）

圖6. Carbosieve S-III 隨著二元吸附體系組分變化的吸附行為

（上：CO₂/CH₄，中：CO₂/C₂H₆，下：CH₄/C₂H₆）

從 IAST 預測結果計算二元吸附體系的吸附選擇性，如表 1 所示。對於本次實驗選擇的二元吸附組分，三種吸附劑材料的吸附選擇性具有相同的趨勢。CO₂/CH₄體系中，CO₂的吸附選擇性均高於 CH₄; CO₂/C₂H₆和 CH₄/C₂H₆體系中，C₂H₆的吸附選擇性分別高於 CO₂和 CH₄。

表1. IAST 預測二元體系的吸附選擇性（基於純組分等溫線）

雙組分穿透實驗

圖7-9分別是 25℃ 下 Carboxen 1018、Carboxen 1021 和 Carbosieve S-III 在 CO₂ /CH₄ , CO₂ /C₂H₆ 和 CH₄/C₂H₆ 的雙組分吸附體系中測試得到的穿透曲線。

圖7. Carboxen 1018 的穿透曲線

（上：CO₂/CH₄，中：CO₂/C₂H₆，下：CH₄/C₂H₆）

圖8. Carboxen 1021的穿透曲線

（上：CO₂/CH₄，中：CO₂/C₂H₆，下：CH₄/C₂H₆）

圖9. Carbosieve S-III 的穿透曲線

（上：CO₂/CH₄，中：CO₂/C₂H₆，下：CH₄/C₂H₆）

上面的穿透曲線顯示，與 IAST 預測結果一致，所有樣品對 CO₂ 的選擇性高於 CH₄，對 C₂H₆ 的選擇性顯著高於 CO₂ 和 CH₄。圖中顯示的穿透曲線陡峭，表明吸附體系傳質阻力可忽略，氣體可快速吸附至材料孔隙中，實驗過程中未觀察到壓降。

表 2 列出的是由穿透曲線計算得到的吸附選擇性。對比表 1 和表 2，可發現，對於本次實驗選擇的 C₂H₆/CH₄ 二元體系，IAST 預測的吸附選擇性要比穿透曲線測試得到的吸附選擇性大。不同的是，對於 CO₂/C2H₆二元體系，IAST 預測的吸附選擇性要比穿透曲線測試得到的吸附選擇性小。而對於 CO₂/CH₄二元體系，IAST 預測的吸附選擇性與穿透曲線測試得到的吸附選擇性有一定地可比性。

表2. 穿透曲線計算二元體系的吸附選擇性

實驗結論

MicroActive V6.0 和 3Flex V6.0 升級了 IAST 模型功能，可根據純組分的吸附等溫線預測二元體系的氣體吸附行為。本應用筆記以活性炭為例，詳細介紹了該功能。本實驗結果顯示，IAST 模型預測結果和實際穿透曲線結果之間有一定一致性，也存在差異性，將來可進一步地詳細研究其細節。