BELCAT II的穿透曲线（竞争吸附）测试功能

简介

水蒸汽作为一种原材料和副产品存在于许多生产过程中。当水蒸气作为一种吸附剂时，目标组分的吸附性能随水蒸汽的存在与否而发生变化，因为每一个组分的吸附剂可以竞争性的吸附到吸附质上。因此，在多组分存在的情况下，进行吸附剂性能评估可以得到更接近实际情况的实验数据。利用图1所示的催化剂分析仪BELCAT II进行CO₂和H₂O的穿透曲线测试，并使用BELMass在线质谱定量分析，可以掌握多组分的吸附和穿透行为。

吸附穿透曲线是一种应用广泛的测定吸附过程的设计参数和吸附速率的方法。在本篇文章中，我们测试了穿透曲线，同时报告了通过氦气吹扫的抓取再生处理的结果，和TPD测试结果，这个TPD实验目的用于单组份CO₂的回收，而CO₂是导致温室气体的物质之一。

CO₂的吸附穿透曲线评估

使用 5Å 分子筛

单组分体系测试

5Å沸石分子筛作为吸附剂被填充到BELCAT II的三联样品管组合中，400℃下前处理，通入1% - CO₂ /He (50 SCCM)气，进行穿透曲线测量。之后，通入氦气吹扫样品管进行再生处理，并进行TPD测试（程序升温脱附）。此外，使用空样品管进行上述同样的测试。根据峰形的差异，计算各个过程的吸附量，脱附量和整个测试过程的质量平衡。

用内置热导池检测器TCD作为检测器。

吸附剂: 5Å 沸石分子筛(质量：0.1 g, 粒径: 250 到 500 μm) 。

前处理: 在100%He(50ccm)气流中，温度以10℃/min速率升至400℃保持60分钟,然后降温至25℃。

穿透曲线: 1% CO₂/He (50 SCCM) 环流 25min，温度25℃。

He 吹扫:  25℃下，通入100% He (50 SCCM) 环流 50min 。

TPD: 在100%He(50ccm)气流中，将温度以10℃/min从25℃ 升至200℃保持20min。

单组分测试结果

图2显示了穿透曲线的测试结果。在气体循环约5min后达到穿透点，约10min后达到终点。另一方面，再生过程约需50min，在TPD测试中，约10%的CO₂发生解吸。因此，我们认为MS-5Å上有一部分强吸附的活性位。此外，通过吸附和脱附获得了较高的质量平衡。因此，通过连续测量穿透曲线，氦吹扫和TPD测试，可以同时对吸附量和脱附量（再生处理）进行定量分析。图3显示了空白管和样品管（填充满样品）的差异。

图2: 5Å 沸石分子筛的CO₂ 穿透曲线-TPD 测试

---- 空白 ,  ―样品 ,  ¡穿透点 ,  l终点

图3：空白和样品的CO₂浓度差异。吸附量和脱附量根据空白和样品的差异来计算（阴影部分）。正峰：吸附（穿透曲线）；负峰：脱附（He吹扫，TPD）

双组分(CO₂/H₂O)吸附评价

5 Å分子筛的穿透曲线

双组分体系测试

吸附穿透曲线测试完成后，样品管用氦气吹扫净化，然后进行TPD测试（程序升温脱附）。另外，对空样品管进行上述同样的操作。根据每个峰形的差异，计算各个过程的吸附-脱附量和整个测试过程的质量平衡。为了同时测定CO₂和H₂O两种组分，使用在线质谱（BELMass）作为检测器，CO₂和H₂O质荷比m/z分别为44和18。

样品: 5 Å 沸石分子筛(质量: 0.1 g, 粒径: 250 to 500 μm)

前处理: 温度以20℃/min 速率升至400℃保持60 min，通入100% He (50SCCM),然后冷却至25℃。

穿透曲线: 在25℃下，100min(6000s)内通入如下组成的吸附气(总流量50SCCM) 。

双组份测试: 1000 ppm - CO₂, 8000 ppm - H₂O, He参比气。

He 吹扫: 100% He (50 SCCM)在 25℃下循环50min。

TPD: 在100% He (50 SCCM)流量下，以10℃/min速率将温度从25℃升至400℃保持20 min

双组份体系测试结果

从图4可看出，CO₂比H₂O更早到达穿透点和终点，这说明CO₂比H₂O更早被吸附。另一方面，由于CO₂在1500～4000s之间的浓度比大于1，可以认为在双组份的穿透曲线测试中吸附在样品上的CO₂被H₂O替代而脱附了。测试结果表明H₂O比CO₂具有更高的吸附能力，这一点可以通过在氦气吹扫时H₂O不易脱附的事实得到证实。

图4: 5Å 沸石分子筛的CO₂ / H₂O 穿透曲线-TPD 测试

在TPD测试中，所有H₂O都被解吸。此外，从表1可看出，双组份体系中CO₂的吸附量要低于单组分体系。由于在吸附和脱附过程中基本达到质量平衡，说明该方法的可靠性没有问题。综上所述，利用BELCAT II和BELMass联用进行穿透曲线测试，不仅可以研究单组分的吸附行为，也可以研究多组分的吸附行为。

表1: 各个过程的吸附和脱附量