介紹
氮和氧氣體是應用最廣泛的工業化學品之一，其應用涵蓋醫療保健、冶金、化肥合成和食品保鮮等領域。儘管它們在大氣中含量豐富，但由於它們的動力學直徑和沸點相近，分離出純淨的氮氣和氧氣仍然是一項巨大的工程挑戰。氮氣的動力學直徑為3.64 Å，而氧氣的動力學直徑為3.46 Å，因此基於尺寸的分離方法將非常困難且效率低下。此外，氮氣和氧氣的沸點也十分接近，氮氣約77 K，氧氣約90 K。這使得傳統的低溫蒸餾成為高能耗且成本高昂的操作。為了克服這些限制，商業分離技術已經研發出基於吸附的替代分離方法。Li-X沸石（LiX）是一種商業化的鋰交換沸石，它利用材料中強大的四極矩選擇性地吸附氮氣而非氧氣。此外，該分離方法還可以在接近環境溫度下進行，從而提供了一種經濟高效的解決方案。

分析條件
本研究使用新型 AccuSorp HP 高壓吸附分析儀，在 15、25 和 35 ℃ 下，以最高 10 bar 的壓力，在 LiX 材料上採集了氮氣和氧氣的吸附等溫線。然後利用這些等溫線計算了吸附熱。此外，還利用 MicroActive 資料處理軟體的內建功能，透過理想吸附溶液理論 (IAST) 預測評估了材料中氮氣和氧氣的選擇性。

實驗
本研究使用 AccuSorp HP 吸附儀在 LiX 沸石上收集了氮氣和氧氣的吸附等溫線。測得壓力最高可達 10 bar，分析溫度分別為 15 ℃、25 ℃ 及 35 ℃。選擇 10 bar 作為最大壓力是出於安全考慮，因為在高氧濃度和壓力下，不銹鋼可能會燃燒，從而影響氧氣吸附等溫線的採集。然而，氮氣不存在安全隱患，在所選溫度下，氮氣吸附等溫線可在高達 200 bar 的壓力下收集。

分析前，使用 VacPrep 真空除氣儀在 300 ℃ 下對 LiX 樣品進行 8 小時的除氣處理。然後將樣品轉移至 AccuSorp HP 吸附儀進行分析。樣品容器為 2 mL 不鏽鋼容器。為了保持分析溫度，使用恆溫控制器，並將溫度分別設定為 15 ℃、25 ℃ 或 35 ℃ 以進行相應的分析。為了獲得適當的吸附量，使用了空白校正，因為氮氣和氧氣在高壓下都會偏離理想氣體行為，就像 AccuSorp HP 中使用的壓力一樣。

表1：氮氧吸附分析的分析條件

結果與討論
氮氣和氧氣吸附
使用 AccuSorp HP 吸附儀，在 LiX 上收集了氮氣和氧氣的吸附等溫線，最大壓力為 10 bar，分別見圖 1 和圖 2。吸附等溫線的採集溫度分別為 15、25 和 35 ℃。

圖1：LiX N2在15、25和35℃的吸附等溫線

圖 2：LiX O2 在 15、25 和 35 ˚C 的吸附等溫線。

即使在室溫下，LiX 也表現出強烈的氮氣吸附能力，在 1 bar 下吸附容量約為 1 mmol/g，在 10 bar 下吸附容量超過 2.5 mmol/g。氮氣的吸附主要由氮氣的四極矩與沸石中交換的鋰之間的相互作用所驅動。相較之下，氧氣的吸附較弱，在 1 bar 下吸附容量約為 0.2 mmol/g，在 10 bar 下吸附容量在 1.1 至 1.4 mmol/g 之間（本實驗測試的三個溫度下皆如此）。

吸附熱的分析
使用MicroActive數據處理軟體分析了LiX的等溫線數據，以確定氮氣和氧氣的吸附熱。吸附熱是指吸附分子吸附在材料表面時所釋放的能量。數值越高，表示交互作用越強。正如預期的那樣，LiX對氮氣的吸附容量顯著高於氧氣，這與更高的吸附熱直接相關。具體而言，氮氣的吸附熱在零覆蓋度時超過25 kJ/mol，並隨著覆蓋度的增加而逐漸降低。相較之下，氧氣的吸附熱在所有測量的覆蓋度水準下均保持相對穩定，約為14 kJ/mol（見圖3）。

圖 3：氮氣（左）和氧氣（右）在 LiX 上的吸附熱

IAST理論
理想吸附溶液理論 (IAST)（A.L. Myers 和 J.M. Prausnitz，AICHE Journal，1965）可用於 MicroActive 資料處理軟體，以根據單組分吸附資料預測多組分吸附。本研究利用此功能，結合所得的 AccuSorp HP 數據，預測了LiX中氮氣相對於氧氣的吸附選擇性。計算得到的選擇性隨溫度升高和混合物中氮氣濃度增加而降低（見圖 4）。在 15 ℃ 和低氮氣濃度下，氮氣/氧氣吸附選擇性約為 20，而在高氮氣濃度下則降至略高於 10。在所有測試溫度下觀察到類似的趨勢，但 15 ℃ 下的預測選擇性值最高。

圖 4：LiX 在 15（上）、25（中）和 35（下）℃ 下的氮/氧選擇性。氮氣（成分 1）/氧氣（成分 2）

結論
使用 AccuSorp HP 系統，在高達 10 bar 的壓力下，對 Lithium-X (LiX) 沸石進行了氮氣和氧氣的吸附等溫線測量。測量分別在 15、25 和 35 ℃ 下進行，並利用高階報告功能分析了等量吸附熱和理想吸附溶液理論 (IAST)。實驗數據表明，在環境條件下，LiX 沸石對氮氣的選擇性吸附優於氧氣，在 15 ℃ 和 10 bar 條件下，氮氣的最大吸附容量達到 3 mmol/g。本應用說明重點介紹了 AccuSorp HP 在高壓吸附分析方面的功能，並闡述如何使用 MicroActive 軟體中的高階報告功能處理資料。