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Jun 05, 2024

신규수의 흡착엔탈피 특성 규명

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 19097(2016) 이 기사 인용 13k 액세스 59회 인용 지표 세부 정보 수분 흡착은 많은 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 19097(2016) 이 기사 인용

13,000회 액세스

59 인용

측정항목 세부정보

열 에너지 저장, 담수화 및 물 수확을 포함한 많은 응용 분야에서 수분 흡착이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이러한 응용 분야를 개발하려면 흡착제-흡착물 및 흡착물-흡착물 상호 작용을 모두 이해하고 제올라이트 및 금속-유기 골격(MOF)과 같은 다공성 물질-흡착물 시스템의 흡착/탈착 공정에 필요한 에너지를 이해하는 것이 필수적입니다. 본 연구에서는 기존의 시차주사열량계(DSC)와 열중량 분석기(TGA)를 이용한 탈착 실험을 수행하여 물을 흡착물로 사용하여 제올라이트와 MOF-801의 흡착/탈착 엔탈피를 특성화하는 기술을 제시합니다. 이 방법을 사용하면 이전에 특성화되지 않은 흡착제의 흡착 엔탈피가 흡수량과 온도의 함수로 추정되었습니다. 우리의 특성 분석에 따르면 유형 I 제올라이트의 흡착 엔탈피는 잠열의 두 배 이상으로 증가할 수 있는 반면 MOF-801의 흡착 엔탈피는 광범위한 증기 흡수에 대해 거의 일정합니다.

흡착 엔탈피의 추정은 흡착 가열 및 냉각1,2,3,4,5,6,7,8,9, 흡착 담수화10,11,12, 흡착제를 사용한 가스 분리 및 저장 시스템13,14,15을 포함한 많은 응용 분야에 필수적입니다. . 흡착 엔탈피는 이러한 시스템을 작동하는 데 필요한 에너지 또는 에너지 밀도를 결정하기 때문에 이러한 시스템을 효율적으로 모델링하는 데 중요한 매개변수입니다. 흡착 및 증발/응축 엔탈피가 높고 지구 온난화 가능성이 0이기 때문에 다양한 흡착수 시스템이 흡착 가열 및 냉각 응용 분야에서 상당한 주목을 받아 왔습니다1,3,4,5,6. 평균 흡착 엔탈피는 일반적으로 다음과 같습니다. 증발잠열보다 높다16. 또한, 낮은 상대 습도에서 흡착에 의한 물 포집은 전력을 사용하지 않고도 담수를 제공할 수 있습니다. 평균 흡착 엔탈피는 물 분자에 대한 친화력이 더 높은 다른 유형에 비해 IUPAC 유형 I 동작을 갖는 흡착제에서 증가하는 것으로 나타났습니다. 가장 많이 연구된 친수성 흡착제는 제올라이트이지만, 최근 개발된 금속-유기 골격(MOF)도 안정적인 순환 수열 성능을 갖춘 강력한 친수성 특성을 가지고 있습니다.

흡착 엔탈피는 가장 일반적으로 다음 두 가지 방법 중 하나로 추정됩니다: 흡착의 등방성 엔탈피 추정 및 Tian-Calvet 열량계를 사용한 직접 열량 측정. 흡착의 등방성 엔탈피는 다양한 온도에서 일정한 흡수로 측정된 흡착 평형에서 파생된 열역학적 관계로, 다음과 같이 제공됩니다. Clausius-Clapeyron 관계로도 알려져 있습니다.

여기서 , , 및 는 각각 흡착 등방성 엔탈피, 보편적 기체 상수, 압력, 온도 및 증기 흡수를 나타냅니다. 등입체 흡착 엔탈피는 그림 1(a)에 표시된 것처럼 넓은 온도 범위에 걸쳐 측정된 식(1)과 흡착 등온선을 사용하여 흡수의 함수로 구해집니다. 이는 그림 1(b)와 같이 선형 보간법을 사용하여 MOF-80117과 물 쌍에 대해 수행되었습니다. 식 (1)을 사용하려면 기체상의 이상적인 기체 거동, 기체상과 비교하여 흡착된 종의 무시할 수 있는 부피, 가역적 물리흡착, 흡착제의 불활성 및 열역학적 평형에 도달했다고 가정해야 합니다. 본 연구에 사용된 흡착제는 물리흡착제로 간주됩니다9,17,24. 이전 연구에서도 제올라이트 CaA가 포함된 N2 및 O2 흡착물질과 제올라이트 13X 쌍이 포함된 CO2 흡착물질에 대해 등입체 방법과 열량 측정 사이에 좋은 일치가 나타났기 때문에25 등입체 방법은 흡착 공정에 대한 차등 에너지를 특성화하는 데 자주 사용됩니다. 26. 그러나 많은 친수성 흡착제와 마찬가지로 낮은 상대 압력(포화 압력에 대한 절대 압력)에서 서로 다른 온도 등온선 사이의 분리가 최소화되어 실험적 해상도와 불확실성 제한으로 인해 식별하기가 어렵습니다(그림 1(a) 참조). 13X 및 MgY 제올라이트). 이와 같이 13X 및 MgY 제올라이트에 대해 얻은 증기 흡착 용량은 그림 1(a)에 표시된 것처럼 30Pa 부근의 절대 압력인 25°C에서 1% 상대 압력에서 각각 24.6wt.% 및 28.4wt.%였습니다. 결과적으로 등방성 방법은 흡착 등온선의 분해능과 보간 기술27에 매우 민감하므로 열량 측정 방법이 더 적합합니다. 그러나 흡착의 미분 및 적분 엔탈피(후자는 상태 1~219 사이의 평균 엔탈피를 사용함)를 측정하는 열량 측정 방법에는 전문 장비가 필요하며 이는 학술 및 산업 시설에서 널리 사용할 수 없습니다. 본 논문에서는 흡착 엔탈피를 특성화하는 데 사용할 수 있는 기존의 시차주사열량계(DSC)와 열중량 분석기(TGA) 시스템을 사용하는 새로운 실험 기법과 열역학적 모델을 제시합니다. 이 방법을 통해 우리는 열에너지 저장, 기후 제어 및 수질 정화를 포함한 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있는 MgY 제올라이트24 및 MOF-80117과 같은 새로운 흡착제에 대한 수증기 흡착 엔탈피를 얻었습니다.