소개

획기적인 흡착은 정적 흡착 측정에 비해 많은 이점을 제공합니다. 다성분 돌파 측정은 여러 가스 또는 증기 스트림을 흐르게 하여 수행됩니다. 질량 분석기는 돌파 컬럼의 출구 농도를 측정합니다. 그런 다음 데이터를 평가하여 물질의 흡착 및 분리 성능을 결정합니다. 다양한 기체와 증기에 대해 질량 분석기를 사용하여 다성분 측정을 분석할 수 있습니다. 질량 스펙트럼이 겹치는 이성질체 화합물의 경우, 획기적인 시스템의 출구 농도를 분석하는 데 FTIR이 선호되는 기기입니다.

이 노트에서는 단일 및 다성분 증기 혼합물에 대한 제올라이트 13X를 Micromeritics BreakThrough Analyzer (BTA)로 분석합니다. 물과 에탄올의 증기 흐름은 질량 분석기를 사용하여 각각 질량 18과 46으로 독립적으로 분석했습니다. 이러한 측정은 50°C에서 질소와 헬륨의 등극성 캐리어 가스 유량을 사용하여 수행되었습니다.

이 획기적인 시스템은 버블러를 통해 불활성 가스를 흐르게 하여 증기 흐름을 생성합니다. 버블러는 낮은 유량에서 포화 증기 흐름을 생성하는 데 매우 효율적인 것으로 나타났습니다. 획기적인 시스템의 모든 구성 요소는 핫박스 안에 들어 있어 증기 흐름의 응축을 방지하고 분석 내내 일정한 온도를 유지할 수 있습니다. 불활성 운반 가스에서 50°C의 물과 에탄올은 다음과 같은 증기압에서 포화 스트림을 생성합니다: 물 0.124bar, 에탄올 0.292bar.

실험적

물, 에탄올, 물과 에탄올의 혼합물을 사용하여 제올라이트 13X에서 세 가지 증기 흡착 실험을 수행했습니다. 질소와 헬륨은 모두 불활성이므로 흡착 측정을 위한 운반 기체와 추적 기체로 사용되었습니다. 분석 전에 샘플을 100°C에서 1시간 동안 활성화하고 질소 가스 흐름 하에서 200°C에서 12시간 동안 추가로 활성화하여 흡착된 모든 종을 제거했습니다.

먼저, 수증기 분석은 건조 질소와 가습 헬륨의 분할 스트림을 사용하여 50% RH에서 수행했습니다. 실험은 1.0bar의 압력과 50°C의 온도에서 수행되었습니다. 이 실험에는 총 유량 24ccm이 사용되었으며, 가습 헬륨은 12ccm, 건조 질소는 12ccm이 사용되었습니다. 이 농도에서 물의 증기압은 0.124bar입니다.

다음으로, 건조 질소와 가습 헬륨의 분할 스트림을 사용하여 에탄올 증기 분석을 다시 한 번 수행했습니다. 실험은 1.0bar의 압력과 50°C의 온도에서 진행되었습니다. 총 유량은 12 sccm의 에탄올 포화 헬륨과 12 sccm의 건조 질소로 구성된 24 sccm의 유량을 사용했습니다. 이 농도에서 에탄올의 증기압은 0.292bar입니다.

마지막 실험은 에탄올과 수증기의 혼합 스트림을 사용하여 수행되었습니다. 실험은 1.0bar의 압력과 50°C의 온도에서 진행되었습니다. 물 포화 질소 12ccm과 에탄올 포화 헬륨 12ccm으로 구성된 총 유량 24ccm이 사용되었습니다. 물과 에탄올의 증기압은 앞서 나열한 것과 동일합니다.

결과

물 돌파 곡선은 농도가 낮음에도 불구하고(증기압은 0.124bar) 제올라이트 13X에 의한 물의 흡착이 상당하다는 것을 보여줍니다. 모든 측정에서 실험 시작 후 약 45분 후에 돌파가 발생했으며, 그 결과 질량 전달 제한이 최소화될 정도로 돌파 곡선이 급격하게 나타났습니다. 각 실행 사이에 제올라이트 13X 샘플을 200°C에서 밤새 재활성화했습니다. 이 단계는 물이 제올라이트 13X에 강하게 흡착하기 때문에 완전한 재활성화를 위해 필요합니다. 또한 물은 질량 분석기에서 제거하기 어렵기 때문에 각 측정 전에 질량 분석기를 몇 시간 동안 베이크 아웃하여 대기 중의 물을 시스템 밖으로 몰아냈습니다.

후속 에탄올 돌파 측정은 먼저 하룻밤 동안 가열 재가동하지 않고 수집했습니다. 순수한 질소 스트림이 2시간 동안 컬럼을 통과했지만 에탄올 흡착 능력이 크게 떨어졌습니다. 두 번째 통과 용량은 0.49mmol/g으로 떨어졌습니다. 여기에 표시된 테스트의 경우, 제올라이트 13X를 200°C에서 하룻밤 동안 재활성화하여 모든 측정값을 측정했습니다.

에탄올 브레이크스루 곡선은 실행 간에 흡착 용량의 감소가 거의 없음을 보여줍니다. 실행 1에서는 1.58mmol/g의 에탄올이 흡착된 반면, 실행 2에서는 1.42mmol/g, 실행 3에서는 1.55mmol/g의 에탄올이 흡착되었습니다. 모든 획기적인 곡선이 가파르다는 것은 이 분석에서 질량 전달 제한이 문제가 되지 않았음을 의미합니다.

각 측정 사이에 시료를 200°C에서 밤새 재가동하여 흡착된 에탄올과 물을 모두 제거했습니다. 흡착 측정 전에 질량 분석기를 베이크 아웃하여 질량 분석기에 남아있는 물과 에탄올을 제거했습니다.

물과 에탄올 브레이크스루 곡선은 전형적인 경쟁적 흡착 거동을 보여줍니다. 또한 물과 에탄올은 부분적으로 혼합 가능하기 때문에 흡착 행동에 시너지 효과가 있을 수 있습니다. 수증기는 에탄올보다 약간 먼저 돌파하고 포화 상태에 도달하기 전에 약간의 롤업을 표시합니다. 에탄올 돌파 곡선은 그림 2에 표시된 것과 비슷해 보이지만 흡착 용량이 약간 증가했습니다. 앞서 언급했듯이 이는 물과 에탄올 흡착의 시너지 효과 때문일 가능성이 높습니다. 수증기 흡착 용량은 이전 측정에 비해 크게 억제되었으며, 에탄올의 우선 흡착으로 인해 더욱 감소했습니다. 에탄올의 우선적 흡착은 부분적으로 50°C에서 증기압이 높아져 농도가 증가하기 때문입니다.

결론

앱 노트는 제올라이트 13X의 순수한 성분 물과 에탄올 흡착뿐만 아니라 이 두 종의 경쟁 흡착을 보여주었습니다. 아래 표 1에는 세 가지 측정값의 흡착 용량이 요약되어 있습니다. 다성분 물-에탄올 돌파 실험에서는 에탄올의 우선적 흡착이 관찰되었습니다. 모든 측정에서 압력 강하는 관찰되지 않았습니다. 또한 돌파 곡선이 가파르므로 질량 전달 제한이 미미했습니다.