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比表面積和孔徑對于衡量吸附劑的能力非常重要，但它不能指出在競爭性氣體存在時，吸附劑/吸附氣體系統(tǒng)將如何表現(xiàn)。與靜態(tài)吸附測量相比，穿透實驗考慮氣體流動效應，可測試在動態(tài)流動下氣體的吸附量。它可以：模擬實際的工藝條件來研究吸附行為、研究多組份的競爭性吸附/組份分離、研究吸附動力學/吸附選擇性。

本文將為大家介紹穿透吸附理論以及如何解析單組份和多組份系統(tǒng)穿透方程。

穿透曲線分析儀 BTA 包含多個質(zhì)量流量控制器（MFC），允許獨立控制載氣、吸附氣體和標定氣體流量。穿透曲線分析儀允許在樣品分析前通過溫度控制原位活化樣品。通過聯(lián)用質(zhì)譜儀分析穿透柱出口氣體組份，也可使用氣相色譜儀（GC）或紅外光譜儀（FTIR）等其他檢測器來監(jiān)測穿透柱的出口濃度。

具體的穿透實驗過程如下：

在穿透實驗前，首先將樣品裝入穿透柱活化，冷卻到分析所需溫度，然后將氣體通過六通閥切換至所需的吸附氣體或吸附氣體混合物。然后使用質(zhì)譜儀或其他檢測器監(jiān)測出口氣體濃度。當入口和出口濃度相同時，穿透實驗完成。以檢測器測量的出口氣體濃度變化為縱坐標，穿透時間為橫坐標繪制穿透曲線，如下圖所示：

典型的穿透曲線一般可分為三個部分：

Complete adsorption:  吸附初期時, 氣體主要是在穿透柱床層下端吸附,出口濃度為零;

Breakthrough:  隨著吸附的進行, 傳質(zhì)區(qū)不斷上移, 出口濃度逐漸增大;

Saturation:  當增大到一定程度時, 穿透曲線漸趨平緩, 相當于傳質(zhì)區(qū)已經(jīng)移出穿透柱頂部,穿透柱內(nèi)已達到飽和吸附量。

此外，穿透實驗完成后可將氣體切換回載氣，開始（程序升溫）脫附，繼續(xù)通過檢測器收集數(shù)據(jù)，以測量脫附的氣體量。

穿透實驗中吸附的氣體總量等于穿透曲線左側(cè)的面積。通過下面的穿透方程積分得到：

上式中的 deadtime 是由于實驗開始時，氣體不會立即進入質(zhì)譜儀等檢測器，要經(jīng)過一段“死時間”才能檢測到氣體?！八罆r間”是指氣體流經(jīng)穿透柱并向上流經(jīng)質(zhì)譜儀并最終到達檢測器所需的時間。確定“死時間”的一種簡單方法是將不同于吸附氣的惰性氣體混合到原料氣中，通常稱為標定氣體。

下圖顯示了使用標定氣體校準死時間后通過穿透方程計算吸附的氣體量，紅色的區(qū)域。這部分的面積是標定氣體和吸附質(zhì)氣體穿透曲線之間的面積。

對于許多系統(tǒng)，理想氣體定律足以確定氣體的摩爾流量。更復雜的氣體和蒸汽混合物可能需要使用 Peng Robinson、Redlich Kwong 或 Van der Waals 狀態(tài)方程。

除了通過穿透方程定量測吸附氣體量外，還可以從穿透曲線中得出一些定性特征。吸附氣體需要時間完全擴散通過吸附劑，因此穿透曲線的陡度提供了氣體通過吸附材料的傳質(zhì)信息。陡峭的穿透曲線表明，穿透系統(tǒng)中幾乎沒有傳質(zhì)限制。

穿透實驗還可用于收集吸附等溫線、吸附熱、選擇性和吸附動力學數(shù)據(jù)。

選擇性是測量吸附劑對一種氣體的親和力。在多組份穿透實驗中存在競爭性吸附，一種組份與另一種組份在平衡時的吸附量的比值為選擇率。

上述情況僅考慮了一種吸附氣體與惰性氣體的混合情況，研究多種吸附氣體競爭性吸附比分析單一組份數(shù)據(jù)稍微復雜一些。當多個吸附氣體通過穿透柱時，這些氣體會有選擇性地被吸附。吸附性較弱的吸附質(zhì)首先達到飽和，較強的吸附質(zhì)將繼續(xù)吸附，取代已經(jīng)吸附的較弱的吸附質(zhì)，這將引起抬升現(xiàn)象。在抬升過程中，較弱吸附質(zhì)的濃度將高于進氣濃度。較強的吸附氣體達到飽和后較弱的吸附氣體將返回其初始濃度。

多組份穿透實驗中較強吸附氣體的吸附容量的穿透方程和單組份是一樣。對于吸附性較弱的氣體，飽和時的濃度與進氣的濃度相同。最后的吸附量需要從總吸附量中減去抬升過程中脫附的氣體量，如下圖所示：

圖中橙色為較弱吸附氣體量，藍色為脫附的較弱吸附氣體量。

報告穿透實驗吸附容量時，重要的是說明實驗中使用的溫度、壓力和氣體濃度。為了結(jié)果的再現(xiàn)性，需要使用相同的實驗條件進行測量。

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