소개

획기적인 분석은 흐름 조건에서 흡착 물질의 흡착 용량을 측정하는 강력한 기술입니다. 획기적인 분석을 통해 사용자는 정적 흡착 측정을 통해 얻을 수 있는 것보다 공정 조건을 더 가깝게 모방할 수 있습니다. 또한 질량 분석기를 사용하여 획기적인 컬럼에서 배출 종을 결정할 때 다성분 측정을 쉽게 할 수 있습니다. 시료 준비는 간과하기 쉽지만 획기적인 분석에서 중요한 단계이며, 정확하고 일관된 결과를 보장하기 위해서는 적절한 준비가 필요합니다.

분석 전에 최상의 결과를 얻기 위해 시료의 크기를 적절히 조절해야 합니다. 입자가 너무 크면 돌파 컬럼 내에서 확산 제한이 발생하고, 입자가 너무 작으면 컬럼 전체에 걸쳐 압력 강하가 발생합니다.

압력 강하

입자 자체에 의해 가스 흐름이 억제되면 돌파 컬럼에서 압력 강하가 발생하며, 이로 인해 상류 압력에 비해 컬럼의 하류 압력이 낮아집니다. 입자 사이의 간극 공간이 너무 작아 가스가 돌파 컬럼의 출구에 도달하기 위해 통과해야 하는 구불구불한 경로를 수용하지 못하기 때문에 압력 강하가 발생합니다. 아래 그림 1은 이 효과를 보여줍니다.

그림 1. 돌파 컬럼의 입자 크기 및 압력 강하 그림. 왼쪽) 가스가 흐를 수 있는 충분한 간극 공간을 가진 큰 입자. 오른쪽) 작은 입자는 중간 공간을 적게 남겨 돌파 기둥을 가로질러 압력 강하를 초래합니다.

돌파 컬럼 내의 압력 강하는 실험 결과에 부정적인 영향을 미칩니다. 컬럼의 입구에서 출구까지 압력이 떨어질 때 컬럼 내의 압력은 일정하지 않으며, 이러한 일관되지 않은 압력은 부정확한 흡착 용량 계산으로 이어집니다. 컬럼 상류의 압력이 너무 높아지면 가스 스트림의 흐름이 방해되어 질량 흐름 컨트롤러에서 더 이상 가스가 흘러나오지 않을 수 있습니다. 또한 컬럼 상류의 압력 증가가 너무 커지면 계측기의 내부 구성품이 손상될 수 있습니다. 획기적인 시스템 내에서 압력 강하를 제거하려면 펠릿화 및 체질을 통해 시료의 입자 크기를 늘리는 조치를 취해야 합니다.

샘플 펠렛화

획기적인 시스템에서 압력 강하를 제거하는 가장 좋은 절차는 샘플을 펠렛화하는 것입니다. 펠릿화에는 일반적으로 프레스를 사용하여 샘플을 고압으로 처리한 다음 일련의 체를 사용하여 입자를 일정한 크기로 분쇄하고 선별하는 과정이 포함됩니다. 이렇게 하면 압력 강하를 방지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 입자의 크기가 비슷하고 입자 간 확산이 일정하기 때문에 날카로운 돌파 곡선을 만들 수 있습니다.

많은 샘플은 펠렛화에 필요한 높은 압축력을 견딜 수 있지만, 일부 샘플은 펠렛화 시 품질이 저하되거나 구조적으로 변할 수 있습니다. 이러한 시료의 압력 강하를 방지하는 몇 가지 옵션이 있습니다. 첫째, 바인더 재료를 사용하면 부서지거나 조각이 날 수 있는 재료를 서로 붙잡아둘 수 있습니다. 또한 시료를 유리솜이나 비드에 분산시키면 가스 흐름이 우수하면서 시료 입자를 분리하고 압력 강하를 방지할 수 있습니다. 바인더, 글라스 울 또는 글라스 비드를 선택할 때는 시료에 대한 실험을 수행하기 전에 먼저 이러한 물질을 특성화하여 흡착 가스에 대한 흡착 특성을 결정하는 것이 중요합니다. 바인더, 글라스 울 또는 글라스 비드를 분석한 후 샘플을 테스트할 수 있으며 샘플에 흡착된 양은 총 흡착된 양에서 바인더, 글라스 울 또는 글라스 비드에 흡착된 양을 뺀 값입니다.

다양한 제한 사항

돌파 컬럼 내의 확산 제한은 압력 강하와 반대되는 이유로 발생합니다. 입자 크기가 너무 크면 기체 분자가 재료의 기공 공간으로 확산하는 데 필요한 시간이 돌파에 필요한 시간보다 길어집니다. 이러한 현상은 흡착 기체의 확산이 느린 미세 다공성 물질에서 가장 많이 발생합니다. 아래 그림 2는 이 효과를 보여줍니다.

돌파 컬럼 내의 확산 제한은 계산된 흡착 용량의 감소로 이어집니다. 이는 샘플이 돌파했지만 경로가 너무 구불구불하고 작은 간극 기공으로 확산하는 데 추가 시간이 필요하기 때문에 기공 공간이 완전히 포화되지 않았기 때문에 발생합니다. 확산 제한의 시작은 돌파 곡선이 날카로운 피크가 아닌 완만한 경사면일 때 나타납니다. 입자 크기를 줄이면 이 효과를 완화할 수 있지만 각 흡착제/흡착제 쌍마다 확산 속도가 달라집니다. 따라서 획기적인 실험을 진행하는 동안 시료에 완전히 확산될 수 있는 입자 크기를 파악하는 것이 목표입니다.

사례 연구

SAA 8100 획기적인 분석기에서 압력 강하의 영향을 분석하기 위한 재료로 제올라이트 13X가 선택되었습니다. 제올라이트 13X는 알루미노실리케이트 미세 다공성 소재입니다. FAU 토폴로지에서 케이지 구조를 형성합니다. 제올라이트 13X는 13 및 7.5Å의 두 개의 균일한 기공을 가지고 있으며, 문헌에 잘 기록되어 있고 1950년대에 Mobil에서 처음 합성되었습니다.

이산화탄소와 질소의 50/50 흐름을 사용하여 상압과 30°C에서 이산화탄소 흡착 실험을 위해 두 가지 제올라이트 13X 샘플을 준비했습니다. 아래 그림 3은 두 샘플을 보여줍니다. 샘플 1은 펠릿화된 제올라이트 13X를 그대로 분석했습니다. 샘플 2는 40메시(0.42mm) 미만의 크기로 분쇄 및 체질된 펠릿화된 제올라이트 13X입니다. 분석에 앞서 두 샘플 모두 유량 20ml/min, 압력 1.0bar, 온도 200°C에서 12시간 동안 질소 흐름으로 활성화했습니다. 질소 7ml/min, 이산화탄소 7ml/min, 헬륨 1ml/min의 유량을 사용하여 시료의 이산화탄소 흡착을 분석했습니다.

샘플 1의 결과는 아래 그림 4에 나와 있습니다. 펠릿화된 샘플은 세 번의 실행에서 일관된 이산화탄소 흡착 성능을 보여주었습니다. 또한 시스템 압력은 실험 내내 안정적이었으며 대기압을 읽었습니다. 이러한 결과는 시스템 내에서 압력 강하가 거의 또는 전혀 없었음을 보여줍니다. 또한 가파른 돌파 곡선은 이 샘플에 질량 전달 제한이 존재하지 않았음을 의미합니다.

샘플 2의 결과는 아래 그림 5에 나와 있습니다. 분쇄된 제올라이트 샘플은 샘플 활성화 중과 분석 중 모두 시스템 압력이 크게 증가했습니다. 컬럼을 통과하는 원하는 가스 유량을 얻기 위해 작동 중에 레귤레이터 압력을 높여야 했습니다. 시료 분석 중에 압력이 상당히 변화하는데, 이는 저압 헬륨과 이산화탄소가 고압 질소와 혼합된 결과입니다. 이는 시스템을 통한 가스의 흐름을 방해합니다. 시스템에서 질량 전달 제한에 대한 우려는 거의 없지만 압력 강하가 존재하는 것은 분명합니다.

시스템 압력이 지속적으로 변화하고 컬럼 전체에서 압력이 어떻게 변하는지는 알 수 없으므로 이 데이터를 사용하여 획기적인 흡착 용량을 계산할 수 없습니다. 시스템에서 관찰되는 압력 강하의 대부분에 기여하는 컬럼의 작은 부분이 있을 수도 있고, 압력 강하가 컬럼 전체에 고르게 분포되어 있을 수도 있습니다. 사용자가 이러한 압력 추세를 관찰하는 경우 위에서 설명한 방법을 사용하여 샘플을 제거하고 크기를 조정해야 합니다.

권장 사항

샘플은 입자 크기가 너무 작아 압력 강하를 초래하는 것과 너무 커서 확산 제한을 초래하는 것 사이에서 균형을 유지해야 합니다. 이러한 문제에 대한 몇 가지 해결책이 아래에 제시되어 있습니다. 일반적으로 입자 크기에 대한 정답은 없으며, 추가 조사를 통해서만 흡착제/흡착제 쌍에 대한 이상적인 입자 크기를 결정할 수 있습니다.

이 연구 결과의 요약은 다음과 같습니다:

• 샘플은 항상 최상의 획기적인 결과를 얻을 수 있도록 일관된 크기를 유지해야 합니다.
• 가장 날카로운 혁신 곡선
• 미세 분말로 구성된 시료의 경우 압력 강하가 문제입니다.
  • 펠릿화기와 체를 사용하여 입자의 크기를 적절하게 조정할 수 있습니다. Micromeritics
    테스트에서 입자 크기가 10~40메시 사이일 때 좋은 결과를 얻었습니다.
  • 일부 분말 샘플은 적절하게 펠릿화하기 위해 바인더가 필요할 수 있습니다.
  • 유리솜 또는 비드를 사용하여 펠릿화할 수 없거나 바인더와 함께
    사용할 수 없는 샘플을 분리할 수 있습니다.
• 확산 제한은 기공이 작은 미세 다공성/나노 다공성 시료의 문제입니다.
  흡착제 가스 분자의 주문에 대한 창
  • 확산 제한은 샘플에 따라 다릅니다.
  • BET 분석을 통한 적절한 샘플 특성화는 기공 크기 분포를 결정할 수 있습니다.