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一、引言

水蒸氣作為原料或副產物存在于許多物理和化學過程中，當使用吸附過程時，眾所周知材料的吸附性能會因水蒸氣的存在與否而變化。這是由于各組分在吸附劑上的競爭吸附所致，通過在多組分共存條件下評估吸附劑，可以更接近實際條件地評估其性能。本應用說明介紹了使用BELCAT II（MICROTRAC）測量在低濃度和高濃度水蒸氣存在下CO?吸附穿透曲線的示例，并使用CO?和濕度探頭作為檢測器（非色散紅外檢測器）。

二、實驗

在對吸附劑（沸石MS-5A）進行預處理后，進行了CO?的吸附/脫附曲線測量，并通過室溫下的N?吹掃脫附物理吸附量，通過TPD測量（程序升溫脫附）脫附化學吸附量，實驗同時使用空白樣品管進行對照測量，并利用輸出波形差異確認了各過程的吸附和脫附量以及整個測量中的物料平衡。為了同時量化CO?和H?O組分，使用了CO?和濕度傳感器的輸出值。圖1顯示了BELCAT II的流程圖和設備外觀。

[測試測量1：低濃度CO?]

將沸石分子篩5A（MS-5A，重量：0.1 g，粒徑：250至500μm）裝入三重樣品管中，并在以下條件下進行吸附/脫附測量。

(1). 預處理：

在100%-N?（50 SCCM）流動下，溫度以20°C/min升至400°C，保持60分鐘，然后冷卻至25°C。

(2). 吸附穿透曲線：

在25°C下引入以下組成的吸附氣體100分鐘（6000秒），總流速50SCCM。

—單組分測試：1000 ppm CO?（參比氣為N?）

—雙組分測試：1000 ppm CO? + 8000 ppm H?O（參比氣為N?）

(3). 氮氣吹掃脫附：

在25°C下以100% N?（50 SCCM）吹掃50分鐘

(4). TPD脫附：

溫度以10°C/分鐘的速率從25°C升至400°C，并在100%-N?（50 SCCM）流動下保持20分鐘

[測試測量2：高濃度CO?]

將沸石分子篩5A（MS-5A，重量：3 g，粒徑：250至500μm）裝入三重樣品管中，并在以下條件下進行吸附/解吸測量。

(1). 預處理：

在100%-N?（50 SCCM）流動下，溫度以20°C/min升至400°C，保持60分鐘，然后冷卻至25°C。

(2). 吸附穿透曲線：

在50°C下引入以下組成的吸附氣體300分鐘（18,000秒）。

雙組分測量：14%-CO?、7%-H?O和N?（參比氣）

(3). 氮氣吹掃脫附：

在50°C下以100% N?（50 SCCM）吹掃300分鐘

(4). TPD脫附：

溫度以1°C/分鐘的速率從50°C升至400°C，并在100%-N?（50 SCCM）流動下保持60分鐘。

下圖顯示了裝有1克吸附劑的三重管樣品池。

圖1. BELCAT II的設備外觀和流程圖

三、結果與討論

圖2顯示了低濃度CO?評估中1,000 ppm單組分CO?和含水蒸氣的雙組分CO?的吸附穿透測量和脫附測量（吹掃和升溫）的比較結果。

在雙組分測量中，CO?比H?O更早達到穿透點和終點。這表明在這些條件下，MS-5A可以吸附更多的H?O。如表1所示，雙組分測量中CO?的吸附量低于單組分測量中的CO?吸附量，因此可以說CO?的吸附能力在H?O存在下降低。此外，在5,000到8,000秒之間，CO?濃度比也高于單組分運行，這表明在雙組分測量的穿透曲線中，樣品上吸附的CO?被H?O置換脫附。還可以確認在脫附過程中，H?O不易被N?吹掃脫附，而是在TPD過程中完全脫附。吸附和脫附過程中幾乎完全獲得的質量平衡表明了此測量的真實性。因此，通過結合BELCAT II與CO?和H?O非色散紅外傳感器測量吸附-穿透曲線和脫附，可以研究不僅單組分而且多組分混合物中各個組分的吸附行為。

圖2 通過吸附穿透曲線、N?吹掃和TPD過程對比含/不含水蒸氣條件下CO?（1000 ppm）的吸附與脫附行為

表1 單組分CO?和CO?/H?O二元組分氣體混合物的吸附和脫附量（mmol/g）

圖3顯示了假設來自工廠廢氣的氣體混合物中相對高濃度的14% CO?和7% H?O的吸附穿透測量結果。

在這些條件下，CO?和H?O的濃度分別比圖2中高約140倍和9倍，表明CO?比H?O更集中。

表2顯示，即使在這些條件下，MS-5A也可以吸附更多的H?O。此外，在大約3,000到15,000秒之間，CO?濃度比高于1。在CO?和H?O的雙組分吸附穿透曲線測量中，樣品上吸附的CO?隨后被H?O置換脫附的量與圖2的結果相同。

圖3 CO?（14%）和H?O（7%）混合氣體在吸附穿透曲線、N?吹掃及TPD過程中的吸附與脫附行為

表2 CO?和H?O二元氣體混合物的吸附和脫附量（mmol/g）

四、總結

這些結果表明，BELCAT II可以結合CO?和H?O非色散紅外傳感器來評估和研究二氧化碳的吸附和脫附行為，包括單組分CO?、雙組分CO?和H?O的吸附/穿透曲線評估，旨在為碳中和未來尋找解決方案。