Introduction

L'adsorption par percée offre de nombreux avantages par rapport aux mesures d'adsorption statique. Les mesures de percée multicomposants sont effectuées en faisant circuler plusieurs flux de gaz ou de vapeur. Un spectromètre de masse mesure la concentration à la sortie de la colonne de percée. Les données sont ensuite évaluées pour déterminer les performances d'adsorption et de séparation d'un matériau. Les mesures multicomposants peuvent être analysées à l'aide d'un spectromètre de masse pour une grande variété de gaz et de vapeurs. Pour les composés isomériques, dont les spectres de masse se chevauchent, l'IRTF est l'instrument privilégié pour analyser la concentration de sortie d'un système de percée.

Dans cette note, des mélanges de vapeurs à un ou plusieurs composants sont analysés pour la zéolithe 13X sur l'BreakThrough Analyzer (BTA) de Micromeritics . Des flux de vapeur d'eau et d'éthanol ont été analysés indépendamment, masses 18 et 46 respectivement, à l'aide d'un spectromètre de masse. Ces mesures ont été effectuées à 50 °C en utilisant des débits équimolaires de gaz vecteur d'azote et d'hélium.

Le système de percée génère des flux de vapeur en faisant circuler un gaz inerte à travers un barboteur. Les barboteurs se sont révélés très efficaces pour générer des flux de vapeur saturés à faible débit. Tous les composants du système de percée sont logés dans une boîte chaude, ce qui empêche la condensation des flux de vapeur et permet d'obtenir une température constante tout au long de l'analyse. L'eau et l'éthanol à 50 °C dans un gaz porteur inerte génèrent un flux saturé aux pressions de vapeur suivantes : 0,124 bar pour l'eau et 0,292 bar pour l'éthanol.

Expérimental

Trois expériences d'adsorption de vapeur ont été réalisées sur la zéolithe 13X avec de l'eau, de l'éthanol et un mélange d'eau et d'éthanol. L'azote et l'hélium ont été utilisés comme gaz porteur et gaz traceur pour les mesures d'adsorption, car ils sont tous deux inertes. Avant l'analyse, l'échantillon a été activé à 100 °C pendant une heure et à 200 °C pendant 12 heures supplémentaires sous flux d'azote afin d'éliminer toutes les espèces adsorbées.

Tout d'abord, l'analyse de la vapeur d'eau a été effectuée à une humidité relative de 50 % en utilisant un flux divisé d'azote sec et d'hélium humidifié. L'expérience a été réalisée à une pression de 1,0 bar et à une température de 50 °C. Un débit total de 24 sccm a été utilisé pour cette expérience, dont 12 sccm d'hélium humidifié et 12 sccm d'azote sec. La pression de vapeur de l'eau à cette concentration est de 0,124 bar.

Ensuite, l'analyse des vapeurs d'éthanol a été effectuée une nouvelle fois en utilisant un flux divisé d'azote sec et d'hélium humidifié. L'expérience a été réalisée à une pression de 1,0 bar et à une température de 50 °C. Un débit total de 24 sccm a été utilisé, composé de 12 sccm d'hélium saturé en éthanol et de 12 sccm d'azote sec. La pression de vapeur de l'éthanol à cette concentration est de 0,292 bar.

Une dernière expérience a été réalisée en utilisant des flux mixtes d'éthanol et de vapeur d'eau. L'expérience a été réalisée à une pression de 1,0 bar et à une température de 50 °C. Un débit total de 24 sccm a été utilisé, composé de 12 sccm d'azote saturé en eau et de 12 sccm d'hélium saturé en éthanol. Les pressions de vapeur de l'eau et de l'éthanol sont les mêmes que celles indiquées précédemment.

Résultats

L'eau

Les mesures de percée de la vapeur d'eau ont été effectuées en mélangeant un flux d'azote sec avec un flux d'hélium saturé en eau dans un rapport de un pour un. Le débit total était de 24 sccm, dont 12 sccm d'azote et 12 sccm d'hélium. Les résultats de la percée sont présentés dans la figure 1.

La courbe de percée de l'eau montre qu'il y a une adsorption substantielle de l'eau par la zéolithe 13X même si la concentration est faible (la pression de vapeur est de 0,124 bar). La percée s'est produite environ 45 minutes après le début de l'expérience pour toutes les mesures et les courbes de percée résultantes étaient nettes, de sorte que les limitations du transfert de masse sont minimes. Entre chaque essai, l'échantillon de zéolithe 13X a été réactivé pendant une nuit à 200 °C. Cette étape est nécessaire car l'eau s'adsorbe dans la zéolithe 13X. Cette étape est nécessaire car l'eau s'adsorbe fortement dans la zéolithe 13X et a été nécessaire pour une réactivation complète. En outre, l'eau est difficile à éliminer des spectromètres de masse. Avant chaque mesure, le spectromètre de masse a été mis au four pendant plusieurs heures pour chasser l'eau de l'atmosphère du système.

Éthanol

Des expériences de percée de vapeur d'éthanol ont été menées en mélangeant un flux d'azote sec avec un flux d'hélium saturé en éthanol dans un rapport de un pour un. Le débit total était de 24 sccm, dont 12 sccm d'azote et 12 sccm d'hélium. Les résultats de la percée sont présentés à la figure 2.

Les mesures ultérieures de percée de l'éthanol ont d'abord été collectées sans réactivation à chaud pendant la nuit. Un flux d'azote pur a traversé la colonne pendant deux heures, mais la capacité d'adsorption de l'éthanol a chuté de manière substantielle. La capacité au deuxième passage est tombée à 0,49 mmol/g. Pour les tests présentés ici, la zéolithe 13X a été réactivée pendant une nuit à 200 °C pour toutes les mesures.

Les courbes de percée de l'éthanol montrent qu'il y a une baisse minimale de la capacité d'adsorption entre les séries. Au cours de la première série, 1,58 mmol/g d'éthanol a été adsorbé, contre 1,42 mmol/g lors de la deuxième série et 1,55 mmol/g lors de la troisième série. Toutes les courbes de rupture sont abruptes, ce qui signifie que les limitations du transfert de masse n'ont pas été un problème au cours de ces analyses.

Éthanol-eau

Des expériences de percée éthanol-eau ont été menées en mélangeant un flux d'hélium saturé en eau avec un flux d'azote saturé en éthanol. Le débit total était de 24 sccm, dont 12 sccm d'azote et 12 sccm d'hélium. Alors que les débits d'azote et d'hélium étaient identiques, les débits d'éthanol et d'eau différaient, l'eau ayant une pression de vapeur inférieure à celle de l'éthanol à 50 °C. Les résultats de la percée sont présentés dans la figure 3.

Entre chaque mesure, les échantillons ont été réactivés pendant une nuit à 200 °C pour éliminer tout l'éthanol et l'eau adsorbés. Avant les mesures d'adsorption, le spectromètre de masse a également été cuit pour éliminer l'eau et l'éthanol restant dans le spectromètre de masse.

Les courbes de percée de l'eau et de l'éthanol présentent un comportement d'adsorption compétitif typique. En outre, l'eau et l'éthanol sont partiellement miscibles, de sorte qu'il existe probablement un effet synergique dans leur comportement d'adsorption. La vapeur d'eau perce légèrement avant l'éthanol et présente un léger enroulement avant d'atteindre la saturation. Les courbes de percée de l'éthanol ressemblent à celles de la figure 2, mais la capacité d'adsorption a légèrement augmenté. Comme mentionné précédemment, cela est probablement dû à un effet synergique de l'adsorption combinée de l'eau et de l'éthanol. La capacité d'adsorption de la vapeur d'eau a été considérablement réduite par rapport aux mesures précédentes et a encore diminué en raison de l'adsorption préférentielle de l'éthanol. L'adsorption préférentielle de l'éthanol est partiellement due à l'augmentation de sa concentration en raison d'une pression de vapeur plus élevée à 50 °C.

Conclusions

La note d'application a montré l'adsorption d'eau et d'éthanol purs dans la zéolithe 13X ainsi que l'adsorption compétitive de ces deux espèces. Le tableau 1 ci-dessous résume les capacités d'adsorption des trois mesures. Dans l'expérience de percée multicomposant eau-éthanol, une adsorption préférentielle de l'éthanol a été observée. Dans toutes les mesures, aucune chute de pression n'a été observée. En outre, les courbes de percée étaient abruptes, de sorte que les limitations du transfert de masse étaient insignifiantes.