简介

在许多工业过程中，水蒸气存在于原料中或者作为一种常见的副产物存在。由于水蒸气和目标气体组分存在竞争吸附，导致吸附剂对目标气体组分的吸附性能会因水蒸气存在与否而发生改变。因此，在设计吸附工艺时，应该在接近实际过程中对吸附剂进行评价，也就是在没有水的情况下进行吸附实验。本文阐述了CO₂ 和 H₂O的穿透曲线测试结果。采用专业的催化剂分析仪BELCAT II进行测试，采用四极杆质谱仪BELMASS对吸附/解吸量进行定量。

测试

将作为吸附剂的5A沸石分子筛样品放入三重结构样品管中，在400度的氦气流量下进行预处理，而后在CO₂/H₂O/He (50 SCCM)混合气体流量下测量穿透曲线。然后，用氦气吹扫样品管作为再活化处理，并进行TPD（程序升温脱附）测试。对空白样品管也进行同样的测试。根据各曲线的差异评估各过程中的吸附/脱附量和整个测量中的质量平衡。

使用BELMASS来评价双组分吸附气体的浓度变化。通过质谱结果来计算CO₂的吸附和脱附量， m/z=44， H₂O ：m/z=18。

吸附剂：

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

前处理：

100% He 氦气 (50 SCCM) ，400 °C，60分钟

穿透曲线测试：

测试混合气体 CO₂ (1000 ppm)/ H₂O (8000 ppm)/He (50 SCCM)的出口浓度

氦气吹扫：

氦气 (50 SCCM)， 25°C，50分钟 

TPD：

100% 氦气 (50 SCCM) ，升温速度 10°C/min ，从25 °C 到 200 °C

结果与讨论

图1显示了CO₂/H₂O 穿透曲线，He 冲洗脱附和TPD测试结果。从图中可以看出，相比于H₂O, CO₂ 更快达到突破点，这表明CO₂的吸附速率要高于H₂O，另一方面，在1500到4000s之间，CO₂的浓度变得大于1的事实来看，我们认为在双组分穿透曲线测试中，吸附的CO₂被取代而导致解吸。这彰显了相比于CO₂, H₂O与吸附剂之间存在更强的吸附作用。从后续实验可以看出，H₂O在氦气吹扫中不易解吸，需要在TPD测试中才能完全脱附。

Fig. 1 CO₂/ H₂O 穿透曲线—5A沸石分子筛的TPD 测试 

Fig.2 5A沸石分子筛CO₂ 单组份和CO₂/H₂O双组分穿透曲线的对比

Table 1: 每一步的吸附脱附量 (cm3/g)和质量平衡

*脱附量/吸附量 ×100

从图2中可以看出，单组份CO₂和双组分气体混合物中的CO₂在10分钟均达到了穿透曲线的终点。从表一中单组份CO₂脱附数据可以看出，80% 的CO₂ 在氦气冲洗后解吸，CO₂在TPD过程中解吸。因此，推测5A分子筛表面存在一些较强的CO₂吸附位点。另外，如表一所示，双组分系统中CO₂吸附量要低于单组份系统，这是由于水蒸气的强吸附作用。但是， 吸附量和脱附总量是达到平衡的。结果表面，测试的可信度很高。

因此， 通过BELCATII 和 BELMASS能够很好地探究 CO₂/H₂O 吸附行为。这项功能有助于CO₂气体的吸附分离，实现碳中和的目标。