جدول المحتويات
مقدمة وأهمية متساوي الامتزاز المتساوي الامتزاز
ويُعد استخدام مواد الامتصاص الزيوليتية لتخزين الحرارة نهجًا رائدًا في قطاع الطاقة، حيث أنها توفر كثافة طاقة تخزين عالية وسلوكًا عكسيًا في تفريغ الشحنة. والزيوليت عبارة عن ألومينوسيليكات بلورية ذات بنية مسام محددة وتتميز بتقارب وانتقائية عالية للغازات القطبية مثل بخار الماء أوثاني أكسيد الكربون (1). يعد التوصيف المستهدف لهذه المواد وتحسينها أمرًا ضروريًا من أجل جعل التطبيقات مثل تخزين الطاقة الحرارية أو التبريد أو تنقية الغازات أكثر كفاءة.
يقع في صميم جميع البحوث التطبيقية في مجال تخزين الحرارة التحديد الدقيق لمتساوي الامتزاز، الذي يصف التوازن بين التحميل والضغط الجزئي للمادة الممتزة. وهي توفر معلومات عن القدرة والانتقائية وخصائص التجديد للمادة، وبالتالي فهي أساسية لاختيار المواد وتطويرها (2). بالنسبة للتطبيقات العملية، على سبيل المثال في مجال تخزين الطاقة، يجب تحديد هذه المتساويات، في ظل ظروف واقعية، على سبيل المثال في نطاق درجات الحرارة ذات الصلة أو لمواد ماصة مختلفة.
مبدأ تحليل الامتزاز بالامتصاص الوزني
تتميز طريقة قياس الجاذبية لتحديد متساوي الامتزاز بدقتها وحساسيتها ونطاق قياسها الواسع. وتعتمد هذه الطريقة على القياس الدقيق للتغير في كتلة الزيوليت أثناء تلامسها مع مادة ممتزة. تتيح هذه الطريقة التسجيل المباشر لحركية الامتصاص وبيانات التوازن.
يتم تنشيط الزيوليت قبل القياس، أي تجفيفه حراريًا، من أجل إزالة الماء الممتز أو المواد المتبقية وإتاحة مواقع امتصاص “جديدة” (3). وهذا أمر ضروري لأنه الطريقة الوحيدة لضمان نقطة بداية قابلة للتكرار لتحديد متساوي الحرارة. ثم توضع العينة بعد ذلك في إعداد القياس على ميزان دقيق عالي الحساسية.
في صميم تحليل الامتصاص الوزني هو القياس المستمر للتغير التغير في كتلة العينة أثناء التعرض لضغوط جزئية محددة من المادة الممتصة. توضع العينة في ميزان دقيق عالي الدقة في غرفة قياس. بعد ضبط درجة حرارة محددة، يزداد الضغط الجزئي للمادة الماصة أو ينخفض تدريجيًا (4).
يتم تسجيل التغير في كتلة العينة – الناجم عن عمليات الامتزاز أو الامتصاص – في الوقت الفعلي. وبمجرد الوصول إلى التوازن عند كل مستوى ضغط، يتم تحديد الحمل. يضمن الجمع بين ميزان الدقة مع دقة الميكروغرام النموذجية وتعديل الغلاف الجوي المتحكم فيه متساوي الحرارة الدقيق للغاية حتى عند التحميلات المنخفضة أو الضغوط المنخفضة. بالنسبة لتغير درجة الحرارة، يتم الاحتفاظ بالعينة في فرن أو منظم حرارة بحيث يمكن إجراء قياسات متساوية الحرارة في درجات حرارة مختلفة.
إجراء القياس وتحليل البيانات
تحضير درجة الحرارة:
- ضبط وتثبيت درجة حرارة القياس المطلوبة.
- تعتبر درجة الحرارة والرطوبة أمرًا بالغ الأهمية للزيوليت – حتى التقلبات الطفيفة يمكن أن تؤثر على نتائج القياس.
قياس الغلاف الجوي:
- الزيادة التدريجية للضغط الجزئي أو تركيز الممتز في خلية القياس.
- يتم الاحتفاظ بكل خطوة حتى الوصول إلى الاتزان (كتلة عينة ثابتة).
قياس الكتلة:
- التسجيل المستمر للتغير في الكتلة باستخدام ميزان دقيق.
- تتوافق زيادة الكتلة مع الامتزاز – يتم تسجيل الكمية الممتزة في كل خطوة.
تقييم الامتزاز:
- يتم إنشاء متساوي الامتزاز من القيم الفردية (التحميل مقابل الضغط عند درجة حرارة ثابتة).
- نماذج التقييم النموذجية: معادلة فروندليتش ولانجموير ودوبينين-أستاخوف.
- مناسبة بشكل خاص للزيوليت: معادلة دوبينين-أستاخوف (تلتقط خواص المسام الدقيقة وعدم التجانس النشط).
تحليل البيانات:
- التقييم القائم على النموذج للبيانات الخام.
- تحديد البارامترات المميزة:
- سعة الامتصاص القصوى
- معلمات التباين
- انجذاب المادة الماصة إلى المادة الممتزة
العوامل المؤثرة في الدقة:
- ثبات الموازين
- تجانس العينة
- تحكم دقيق في درجة الحرارة والضغط
تأثير درجة الحرارة على الامتزاز
تؤثر درجة الحرارة تأثيرًا حاسمًا على قياس ومسار متساوي الامتزاز في الزيوليت. فمع زيادة درجة الحرارة، ينخفض عادةً تحميل التوازن للزيوليت عند ضغط جزئي ثابت. ويرجع السبب في ذلك إلى أن الامتزاز عملية طاردة للحرارة: فدرجات الحرارة المرتفعة تعزز الامتزاز، حيث يتوفر المزيد من الطاقة الحرارية للتغلب على قوى الامتزاز (5).
ويتأثر الحمل الأقصى للزيوليت بشكل مباشر وكبير بدرجة الحرارة: فكلما زادت درجة الحرارة، تقل الكمية القصوى من المادة الممتزة التي يمكن أن يمتصها الزيوليت بشكل عام. في درجات الحرارة المنخفضة، يتم ربط المزيد من المادة الممتزة، بينما في درجات الحرارة المرتفعة يصبح الامتزاز أكثر صعوبة ويزداد الامتزاز. تُظهر التجارب، على سبيل المثال، أن تحميل النيتروجين للزيوليت 13X يكون أعلى بحوالي 30% عند درجة حرارة صفر درجة مئوية مقارنةً بدرجة حرارة 30 درجة مئوية (5).
في درجات الحرارة المنخفضة، غالبًا ما تُظهر متساوي الحرارة منحنى أكثر انحدارًا وحمل تشبع أعلى؛ وفي درجات الحرارة المرتفعة، عادةً ما تكون أكثر تسطحًا وتصل إلى قيم قصوى أقل. في درجات الحرارة المرتفعة بما فيه الكفاية، يمكن أن تصبح متساوي الحرارة خطية تقريبًا وتضعف خاصية التشبع النموذجية.
ومن خلال مقارنة متساوي الحرارة لنفس المادة والممتز عند درجات حرارة مختلفة، يمكن حساب إنثالبي الامتزاز المتساوي الحرارة، وهي أرقام رئيسية ذات صلة بالتصميم التقني والديناميكي الحراري. يجب إجراء القياسات دائمًا عند درجة حرارة مضبوطة وموثقة بدقة، حيث يمكن أن تؤدي حتى التقلبات المعتدلة في درجات الحرارة إلى انحرافات كبيرة في قدرات الامتزاز المحددة.
التطبيق العملي ودراسات الحالة
يتمثل أحد التطبيقات النموذجية في دراسة امتصاص بخار الماء للزيوليت عند درجة حرارة 25 درجة مئوية وزيادة الضغوط الجزئية. تُظهر متساوي الحرارة زيادة حادة في التحميل عند ضغوط جزئية منخفضة نسبيًا، ويرجع ذلك إلى التقارب العالي للزيوليت للجزيئات القطبية. يتم اختبار قابلية التجدد من خلال إعادة تجفيف العينة في الفراغ أو في درجة حرارة مرتفعة – وهو جانب رئيسي لتطبيقات التخزين الحراري الدوري (3). بالنسبة لثاني أكسيد الكربون، يمكن استخدام طريقة قياس الجاذبية بشكل مماثل، حيث يسمح الزيوليت بحمولات عالية حتى في الضغوط المعتدلة.
تشمل معلمات التقييم النموذجية الحد الأقصى للتحميل وإمكانية الوصول في نطاق ضغط العمل، ومعلمات التقارب والتفاعل مثل إنثالبي الامتصاص، وكذلك الانتقائية تجاه الغازات أو المكونات الأخرى. يلزم إجراء سلسلة إضافية من القياسات لتحديد الحركية.
تؤكد الأدبيات العلمية الدور المركزي للتحليل الوزني في توصيف مواد الامتزاز الحديثة. إن تحديد متساوي الامتزاز بالجاذبية لمتساوي الامتزاز هو العمود الفقري المنهجي للتطوير والتقييم المستهدف للزيوليت في مجال تخزين الطاقة. يوفر الابتكار في هندسة العمليات، إلى جانب أنظمة القياس عالية الجودة، لفرق المختبرات والبحث والتطوير أقصى قدر من جودة البيانات وموثوقية التطبيق – وهو أمر بالغ الأهمية للتقدم في الإدارة المستدامة للحرارة وتخزين الطاقة الحرارية.
الخاتمة
أثبت تحليل الامتزاز الوزني نفسه كطريقة لا غنى عنها لتوصيف الزيوليت في التخزين الحراري. دقته العالية وقابليته للتكرار تجعل من الممكن تحديد متساوي الامتزاز الدقيق، والذي يعمل كأساس لاختيار المواد وتحسين العملية. وقد ثبت أن التحكم الدقيق في درجة الحرارة على وجه الخصوص عامل حاسم، حيث إن التقلبات الصغيرة في درجات الحرارة لها تأثير كبير على سعة التخزين.
لا توفر هذه الطريقة بيانات كمية عن القدرة على الامتصاص فحسب، بل توفر أيضًا رؤى قيمة حول الخصائص الديناميكية الحرارية للمواد. وهذا يجعله أداة أساسية لتطوير أنظمة تخزين الطاقة الفعالة ويساهم بشكل كبير في التقدم في تكنولوجيا الطاقة المستدامة. تتيح أنظمة القياس الحديثة قياسات آلية وموحدة تضمن أعلى مستويات الجودة وقابلية المقارنة بين النتائج.
قائمة المصادر
(1) https://mediatum.ub.tum.de/doc/820976/820976.pdf – دراسات علوم المواد على الممتزات الزيوليتية لتخزين الحرارة
(2) https://webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/tu-berlin/diss/2002/hauer_andreas.pdf – تقييم الممتزات الصلبة في أنظمة الامتزاز المفتوحة لتخزين الحرارة (Hauer، رسالة دكتوراه 2002)
(3) https://www.eso.org/sci/facilities/develop/detectors/optdet/docs/diploma_hose.pdf – تحليل الكربون المنشط والزيوليت – متساوي الامتزاز الجاذبية (Hose, 2000)
(4) https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/34866/1/ArifianYosefBenediktAwan_Untersuchung_zurSorption_von_Kohlendioxid_in_neuartigen_por%C3%B6sen_Materialien.pdf – أطروحة البكالوريوس: التحقيق في امتصاص ثاني أكسيد الكربون في المواد المسامية الجديدة – قياس مبدأ الجاذبية
(5) https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00074130/Diss_Schmittmann.pdf – تأثير درجة الحرارة على ديناميكيات امتزاز الألكانات قصيرة السلسلة على الزيوليت (Schmittmann, Diss. 2021)
