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穿透曲線測(cè)定的重要性及方法

安東帕 2015-12-14 | 閱讀：15112

活性炭，沸石和硅膠等吸附劑被廣泛應(yīng)用于噸級(jí)規(guī)模的吸附分離方法。吸附分離是最有效和最經(jīng)濟(jì)的分離技術(shù)。如何完整理解發(fā)生在固定床反應(yīng)器中的復(fù)雜過程，是獲得最佳分離性能的關(guān)鍵。

美國(guó)康塔儀器dynaSorb BT?系列競(jìng)爭(zhēng)性氣體吸附儀提供一個(gè)獨(dú)特的、安全的、易于使用的平臺(tái)，可以研究任意復(fù)雜的動(dòng)態(tài)吸附過程。這個(gè)平臺(tái)上具有寬泛的溫度和壓力范圍，可以調(diào)節(jié)氣體流速和明確氣體組分，從而模擬真實(shí)的工藝條件來研究吸附劑。

許多AUTOSORB iQ氣體吸附儀的用戶可能會(huì)從dynaSorb BT?的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其價(jià)值。雖然表面積和孔徑對(duì)于衡量吸附劑的能力非常重要，但它并不能指出在競(jìng)爭(zhēng)性氣體存在時(shí)，吸附劑/吸附氣體系統(tǒng)將如何表現(xiàn)，而這是新材料在用于氣體分離設(shè)計(jì)時(shí)所必需的。例如，某一材料在任何其他氣體不存在時(shí)，可以非常有效地吸附CO2，但是在O2或N2等其它氣體存在下，它的吸附效能就會(huì)大幅降低。測(cè)量吸附熱能看出這方面的跡象，但穿透曲線將消除任何疑慮。在dynaSorb BT?上測(cè)量穿透曲線是既有研究的極佳補(bǔ)充方法。

常見吸附工藝類型及吸附過程分類

常見吸附工藝類型有間歇吸附、固定床吸附、移動(dòng)床吸附、流化床吸附、連續(xù)式吸附與脫附。吸附材料又可按化學(xué)結(jié)構(gòu)、吸附機(jī)理、形態(tài)和孔結(jié)構(gòu)分析等進(jìn)行分類。吸附是一個(gè)表面?zhèn)髻|(zhì)過程，當(dāng)氣體或液體與固體接觸時(shí)，在固體表面上氣體或液體的分子會(huì)產(chǎn)生凝聚。利用多孔固體物質(zhì)的選擇性吸附分離和凈化氣體或液體混合物的過程稱為吸附分離。根據(jù)吸附的作用力不同，可將吸附過程分為物理吸附（吸附作用力為范德華力）與化學(xué)吸附（吸附作用力為化學(xué)鍵合力）。一個(gè)完整的吸附分離過程通常是由吸附與解吸（脫附）循環(huán)操作構(gòu)成，由于實(shí)現(xiàn)吸附和解吸操作的工程手段不同，過程分變壓吸附和變溫吸附。

為什么穿透曲線的測(cè)定如此重要？

l 大多數(shù)技術(shù)分離過程是基于穿透特性的固定床吸附

l 可以得到客體分子不同的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

l 可以測(cè)量氣體混合物和技術(shù)相關(guān)的氣體速度

l 從商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模到實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的按比例縮小技術(shù)

l 最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以轉(zhuǎn)移到技術(shù)工藝流程

l 穿透曲線的結(jié)果對(duì)工程是一個(gè)典型的基準(zhǔn)

以固定床吸附為例，如果以空氣為原料，以碳分子篩為吸附劑，通過變壓吸附的方法分離空氣中的氮?dú)夂脱鯕?，達(dá)到提純氮?dú)獾哪康?。物質(zhì)在吸附劑（固體）表面的吸附必須經(jīng)過兩個(gè)過程：一是通過分子擴(kuò)散到達(dá)固體表面，二是通過范德華力或化學(xué)鍵合力的作用吸附于固體表面。因此，要利用吸附實(shí)現(xiàn)混合物的分離，被分離組分必須在分子擴(kuò)散速率或表面吸附能力上存在明顯差異。由于N2和O2都是非極性分子，兩者的物性相近，與碳分子篩表面的結(jié)合力差異不大，因此碳分子篩對(duì)N2和O2的吸附并無選擇性，但是N2和O2在碳分子篩微孔內(nèi)的擴(kuò)散速度存在明顯差異，O2的速度比N2快，因此當(dāng)空氣與碳分子篩接觸時(shí)，O2將優(yōu)先吸附于碳分子篩而從空氣中分離出來，使得空氣中的N2得以提純。由于該吸附分離過程是一個(gè)速率控制的過程，因此，吸附時(shí)間的控制非常重要。其可以通過測(cè)定吸附柱的穿透曲線來確定。

穿透曲線的預(yù)測(cè)是固定床吸附過程設(shè)計(jì)與操作的基礎(chǔ)

1.穿透曲線（吸附中流體通過吸附床層，流出物中吸附質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的曲線。）

在傳質(zhì)阻力為零，吸附速度無限大，兩相瞬間可以達(dá)到平衡的理想情況下，穿透曲線為直角折線。
由于存在傳質(zhì)阻力，以及流動(dòng)速度分布和吸附等溫線類型等因素的影響，實(shí)際上的穿透曲線為曲線。

2.吸附質(zhì)從流出物中出現(xiàn)的時(shí)間稱穿透時(shí)間，此時(shí)穿透曲線的相應(yīng)點(diǎn)稱為穿透點(diǎn)(breakthrough point)。

3.從流體開始進(jìn)入床層至流出物濃度為流體濃度的時(shí)間稱干點(diǎn)時(shí)間，達(dá)到干點(diǎn)時(shí)間時(shí)穿透曲線的相應(yīng)點(diǎn)稱為流干點(diǎn)。

穿透曲線的測(cè)量方法

1.為測(cè)量穿透曲線，載氣與吸附物質(zhì)定量混合。

2.已知濃度的混合氣流穿過含有樣品的固定床吸附器。

3.以時(shí)間分辨方式，在固定床的出口處檢測(cè)濃度。

4.通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行死體積校正，即測(cè)量在不吸附吸附質(zhì)氣體的惰性材料上的響應(yīng)信號(hào)。

5.根據(jù)吸附器和樣品的堆積密度，吸附劑的質(zhì)量可以在5克和50克之間變化。建議吸附器直徑和顆粒的直徑之間的比率至少是10：1。

DynaSorb BT 吸附穿透曲線分析儀的實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

穿透曲線測(cè)定及突破實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域：

? Technical Adsorbents 吸附劑技術(shù)

? Material Research 材料研究

? Chemical Engineering 化學(xué)工程

? Energy Storage 能量?jī)?chǔ)存

? Gas Storage 氣體儲(chǔ)存

? Separation Technologies 分離技術(shù)

? Environmental 環(huán)境

? Selectivity Studies 選擇性研究

美國(guó)康塔儀器

美國(guó)康塔儀器(Quantachrome Instruments)被公認(rèn)為是對(duì)樣品權(quán)威分析的優(yōu)秀供應(yīng)商，它可為實(shí)驗(yàn)室提供全套裝備及完美的粉末技術(shù)，及極佳的性能價(jià)格比?？邓静粌H通過了ISO9001及歐洲CE認(rèn)證，也取得了美國(guó)FDA IQ/OQ認(rèn)證。作為開發(fā)粉體及多孔材料特性儀器的世界領(lǐng)導(dǎo)者，美國(guó)康塔儀器產(chǎn)品涵蓋比表面、物理吸附、化學(xué)吸附、高壓吸附、蒸汽吸附、競(jìng)爭(zhēng)性氣體吸附、真密度、堆密度、開/閉孔率、粒度粒形、Zeta電位、孔隙率、壓汞儀、大孔分析、微孔分析、濾器分析等諸多領(lǐng)域。

康塔儀器不僅受到科學(xué)界的青睞，裝備了哈佛、耶魯、清華等世界各個(gè)著名大學(xué)，而且已經(jīng)向全世界的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展，以滿足那里開發(fā)和改進(jìn)新產(chǎn)品的研究與工藝需求。工廠中也依靠康塔儀器的顆粒特性技術(shù)更精確地鑒別多孔材料，控制質(zhì)量，或高效率查找生產(chǎn)中問題的根源通過顆粒技術(shù)使產(chǎn)品上一個(gè)臺(tái)階，在當(dāng)今工業(yè)界已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

康塔克默儀器貿(mào)易（上海）有限公司作為美國(guó)康塔儀器公司在中國(guó)的全資子公司。集市場(chǎng)開發(fā)、儀器銷售、備件供應(yīng)、售后服務(wù)和應(yīng)用支持于一體，它擁有國(guó)際水準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)功能、形象和硬件配套設(shè)施，包括上海和北京的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室和應(yīng)用支持專家隊(duì)伍。康塔克默儀器貿(mào)易（上海）有限公司使美國(guó)康塔儀器幾千家中國(guó)用戶同步享受國(guó)際品質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，將掀開美國(guó)康塔儀器公司在中國(guó)及亞太地區(qū)的全新篇章！