BELCAT II的穿透曲線（競(jìng)爭(zhēng)吸附）測(cè)試功能

2020-08-28

簡(jiǎn)介

水蒸汽作為一種原材料和副產(chǎn)品存在于許多生產(chǎn)過(guò)程中。當(dāng)水蒸氣作為一種吸附劑時(shí)，目標(biāo)組分的吸附性能隨水蒸汽的存在與否而發(fā)生變化，因?yàn)槊恳粋€(gè)組分的吸附劑可以競(jìng)爭(zhēng)性的吸附到吸附質(zhì)上。因此，在多組分存在的情況下，進(jìn)行吸附劑性能評(píng)估可以得到更接近實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用圖1所示的催化劑分析儀BELCAT II進(jìn)行CO₂和H₂O的穿透曲線測(cè)試，并使用BELMass在線質(zhì)譜定量分析，可以掌握多組分的吸附和穿透行為。

吸附穿透曲線是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)定吸附過(guò)程的設(shè)計(jì)參數(shù)和吸附速率的方法。在本篇文章中，我們測(cè)試了穿透曲線，同時(shí)報(bào)告了通過(guò)氦氣吹掃的抓取再生處理的結(jié)果，和TPD測(cè)試結(jié)果，這個(gè)TPD實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠糜趩谓M份CO₂的回收，而CO₂是導(dǎo)致溫室氣體的物質(zhì)之一。

CO₂的吸附穿透曲線評(píng)估

使用 5Å 分子篩

單組分體系測(cè)試

5Å沸石分子篩作為吸附劑被填充到BELCAT II的三聯(lián)樣品管組合中，400℃下前處理，通入1% - CO₂ /He (50 SCCM)氣，進(jìn)行穿透曲線測(cè)量。之后，通入氦氣吹掃樣品管進(jìn)行再生處理，并進(jìn)行TPD測(cè)試（程序升溫脫附）。此外，使用空樣品管進(jìn)行上述同樣的測(cè)試。根據(jù)峰形的差異，計(jì)算各個(gè)過(guò)程的吸附量，脫附量和整個(gè)測(cè)試過(guò)程的質(zhì)量平衡。

用內(nèi)置熱導(dǎo)池檢測(cè)器TCD作為檢測(cè)器。

吸附劑: 5Å 沸石分子篩(質(zhì)量：0.1 g, 粒徑: 250 到 500 μm) 。

前處理: 在100%He(50ccm)氣流中，溫度以10℃/min速率升至400℃保持60分鐘,然后降溫至25℃。

穿透曲線: 1% CO₂/He (50 SCCM) 環(huán)流 25min，溫度25℃。

He 吹掃:  25℃下，通入100% He (50 SCCM) 環(huán)流 50min 。

TPD: 在100%He(50ccm)氣流中，將溫度以10℃/min從25℃ 升至200℃保持20min。

單組分測(cè)試結(jié)果

圖2顯示了穿透曲線的測(cè)試結(jié)果。在氣體循環(huán)約5min后達(dá)到穿透點(diǎn)，約10min后達(dá)到終點(diǎn)。另一方面，再生過(guò)程約需50min，在TPD測(cè)試中，約10%的CO₂發(fā)生解吸。因此，我們認(rèn)為MS-5Å上有一部分強(qiáng)吸附的活性位。此外，通過(guò)吸附和脫附獲得了較高的質(zhì)量平衡。因此，通過(guò)連續(xù)測(cè)量穿透曲線，氦吹掃和TPD測(cè)試，可以同時(shí)對(duì)吸附量和脫附量（再生處理）進(jìn)行定量分析。圖3顯示了空白管和樣品管（填充滿樣品）的差異。

圖2: 5Å 沸石分子篩的CO₂ 穿透曲線-TPD 測(cè)試

---- 空白 ,  ―樣品 ,  ¡穿透點(diǎn) ,  l終點(diǎn)

圖3：空白和樣品的CO₂濃度差異。吸附量和脫附量根據(jù)空白和樣品的差異來(lái)計(jì)算（陰影部分）。正峰：吸附（穿透曲線）；負(fù)峰：脫附（He吹掃，TPD）

雙組分(CO₂/H₂O)吸附評(píng)價(jià)

5 Å分子篩的穿透曲線

雙組分體系測(cè)試

吸附穿透曲線測(cè)試完成后，樣品管用氦氣吹掃凈化，然后進(jìn)行TPD測(cè)試（程序升溫脫附）。另外，對(duì)空樣品管進(jìn)行上述同樣的操作。根據(jù)每個(gè)峰形的差異，計(jì)算各個(gè)過(guò)程的吸附-脫附量和整個(gè)測(cè)試過(guò)程的質(zhì)量平衡。為了同時(shí)測(cè)定CO₂和H₂O兩種組分，使用在線質(zhì)譜（BELMass）作為檢測(cè)器，CO₂和H₂O質(zhì)荷比m/z分別為44和18。

樣品: 5 Å 沸石分子篩(質(zhì)量: 0.1 g, 粒徑: 250 to 500 μm)

前處理: 溫度以20℃/min 速率升至400℃保持60 min，通入100% He (50SCCM),然后冷卻至25℃。

穿透曲線: 在25℃下，100min(6000s)內(nèi)通入如下組成的吸附氣(總流量50SCCM) 。

雙組份測(cè)試: 1000 ppm - CO₂, 8000 ppm - H₂O, He參比氣。

He 吹掃: 100% He (50 SCCM)在 25℃下循環(huán)50min。

TPD: 在100% He (50 SCCM)流量下，以10℃/min速率將溫度從25℃升至400℃保持20 min

雙組份體系測(cè)試結(jié)果

從圖4可看出，CO₂比H₂O更早到達(dá)穿透點(diǎn)和終點(diǎn)，這說(shuō)明CO₂比H₂O更早被吸附。另一方面，由于CO₂在1500～4000s之間的濃度比大于1，可以認(rèn)為在雙組份的穿透曲線測(cè)試中吸附在樣品上的CO₂被H₂O替代而脫附了。測(cè)試結(jié)果表明H₂O比CO₂具有更高的吸附能力，這一點(diǎn)可以通過(guò)在氦氣吹掃時(shí)H₂O不易脫附的事實(shí)得到證實(shí)。

圖4: 5Å 沸石分子篩的CO₂ / H₂O 穿透曲線-TPD 測(cè)試

在TPD測(cè)試中，所有H₂O都被解吸。此外，從表1可看出，雙組份體系中CO₂的吸附量要低于單組分體系。由于在吸附和脫附過(guò)程中基本達(dá)到質(zhì)量平衡，說(shuō)明該方法的可靠性沒(méi)有問(wèn)題。綜上所述，利用BELCAT II和BELMass聯(lián)用進(jìn)行穿透曲線測(cè)試，不僅可以研究單組分的吸附行為，也可以研究多組分的吸附行為。

表1: 各個(gè)過(guò)程的吸附和脫附量