美國micromeritics / 2024年三月份電子報 - 高壓突破曲線分析壓力對碳捕獲的影響

介紹

等溫線通常使用靜態吸附測量來收集其數據，因為它比在突破曲線分析系統上收集等溫資料更容易、更快捷。然而，靜態測量無法模擬流量或氣體雜質，因此可能有必要在不同壓力下收集突破性數據來分析和最佳化您的製程。

本應用說明將重點放在變化的壓力如何影響材料吸附的數量，以及測量不同壓力下的突破曲線如何允許操作者建立等溫線。透過突破曲線分析量測的等溫線永遠不會與使用靜態吸附測量產生的等溫線完全相關。流動的影響會對吸附等溫線產生巨大影響，特別是當涉及壓力降或傳質限制 (mass transfer limitation)時。

實驗

使用 Zeolite 13X 在 Micromeritics BreakThrough 突破曲線分析儀上分析 1 bar 至 10 bar（絕對壓力）之間的不同壓力下的高壓二氧化碳吸附。這些分析數值是在 30 °C 和總流量 21 sccm 下所收集的。 氣體由 10 sccm N₂、10 sccm CO₂ 和 1 sccm He 組成。在這些實驗中，氦氣被用作追蹤氣體，以確定突破性實驗的開始。 使用追蹤氣體，因為無論壓力如何，氣體的總流量都保持不變，但是由於總死區空間(volume of total dead space)的相同體積中氣體的壓縮，每個實驗的死時間(Daed time)會發生變化

每次分析前，沸石 13X 在 100 °C 下活化一小時，然後升至 200 °C，再活化 12 小時。每次測量後，樣品需要完全活化才能讓樣品完全再生，而室溫活化在 1 bar 下就足夠了，更大的壓力分析需要更高的活化溫度。 此外，每次測量後，質譜儀都會充滿二氧化碳，需要短暫烘烤 1 - 2 小時，然後才能進行下一次分析。

結果

在 1、2、3、5、7 和 10 bar 絕對壓力下對 13X 沸石進行了突破性測量。對於每次測量，CO₂ 的流速為 10 sccm。 圖 1 顯示了所有突破性測量的結果。 時間零對應於測量中氦氣的突破，因此實驗的死區時間已被減去。

所有沸石 13X 突破曲線均顯示尖峰，顯示幾乎沒有傳質限制。這種行為可是預期的，因為沸石 13X 已顯示出優異的 CO₂ 吸附能力，孔窗 (Pore window)遠大於 CO₂ 的動力學直徑。 此外，系統中沒有觀察到壓力降，這也是預期的，因為沸石 13X 以其顆粒形式按原樣進行分析。

表 1. 以 1 至 10 bar 的突破測量吸收的 CO₂。

下面的圖 2 顯示了求解突破方程式並繪製每次突破測量的吸附總量時所產生的等溫線。 表 1 也顯示了每個壓力下的吸附量。

結論

Zeolite 13X 是一種在大氣壓力和高壓下有效的 CO₂ 吸附劑。 沸石 13X 在 10 bar 總壓下的 CO₂ 吸附量為 15 mmol/g。 整個突破過程 測量結果表明，它幾乎沒有壓力降，也沒有傳質限制，如尖銳的突破曲線所示。

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