목차
흡착 등온선의 소개 및 중요성
중량 측정 흡착 분석의 원리
흡착 등온선을 측정하는 중량 측정 방법은 정확도, 감도 및 넓은 측정 범위가 특징입니다. 이 방법은 흡착제와 접촉하는 동안 제올라이트의 질량 변화를 정확하게 측정하는 것을 기반으로 합니다. 이 방법을 사용하면 흡착 동역학 및 평형 데이터를 직접 기록할 수 있습니다.
제올라이트는 흡착된 물이나 잔류 물질을 제거하고 “신선한” 흡착 부위를 사용할 수 있도록 측정 전에 활성화, 즉 열 건조를 합니다(3). 이는 등온선 측정을 위한 재현 가능한 시작점을 보장하는 유일한 방법이기 때문에 필수적입니다. 그런 다음 샘플을 고감도 마이크로 저울의 측정 설정에 넣습니다.
중량 측정 흡착 분석의 핵심은 흡착제의 정의된 부분 압력에 노출되는 동안 시료의 질량 변화를 지속적으로 측정하는 것입니다. 시료는 측정 챔버의 고정밀 마이크로 저울에 배치됩니다. 특정 온도를 설정한 후 흡착제의 분압을 서서히 높이거나 낮춥니다(4).
흡착 또는 탈착 과정으로 인한 시료의 질량 변화는 실시간으로 기록됩니다. 각 압력 레벨에서 평형에 도달하면 하중이 결정됩니다. 일반적인 마이크로그램 분해능을 갖춘 정밀 저울과 제어식 대기 조정 기능이 결합되어 낮은 하중이나 낮은 압력에서도 매우 정확한 등온선을 보장합니다. 온도 변화를 위해 시료를 오븐이나 온도 조절기에 보관하여 다양한 온도에서 등온 측정을 수행할 수 있습니다.
측정 절차 및 데이터 분석
온도 준비:
- 원하는 측정 온도를 설정하고 안정화합니다.
- 온도와 습도는 제올라이트에 매우 중요하며, 약간의 변동도 측정 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.
대기 측정:
- 측정 셀에서 분압 또는 흡착제의 농도를 점진적으로 증가시킵니다.
- 각 단계는 평형에 도달할 때까지 유지됩니다(일정한 샘플 질량).
질량 측정:
- 마이크로 저울로 질량 변화를 지속적으로 기록합니다.
- 질량 증가는 흡착에 해당하며, 흡착된 양은 단계별로 기록됩니다.
흡착 평가:
- 흡착 등온선은 개별 값(일정한 온도에서의 하중 대 압력)으로부터 생성됩니다.
- 일반적인 평가 모델: 프런들리히, 랑뮤어, 두비닌-아스타코프 방정식.
- 제올라이트에 특히 적합합니다: 두비닌-아스타코프 방정식 (미세 기공 특성 및 에너지 이질성 포착).
데이터 분석:
- 원시 데이터의 모델 기반 평가.
- 특성 매개변수 결정:
- 최대 흡착 용량
- 이질성 매개변수
- 흡착제와 흡착제의 친화성
정확도에 영향을 미치는 요인:
- 저울의 안정성
- 샘플의 균질성
- 온도와 압력의 정밀한 제어
흡착에 미치는 온도 영향
온도는 제올라이트의 흡착 등온선의 측정과 진행에 결정적인 영향을 미칩니다. 온도가 증가함에 따라 제올라이트의 평형 하중은 일반적으로 일정한 분압에서 감소합니다. 그 이유는 흡착이 발열 과정이기 때문입니다. 온도가 높을수록 흡착력을 극복하는 데 더 많은 열 에너지를 사용할 수 있기 때문에 탈착이 촉진됩니다(5).
제올라이트의 최대 하중은 온도에 직접적이고 큰 영향을 받습니다. 온도가 높아질수록 제올라이트가 흡수할 수 있는 흡착제의 최대 양은 일반적으로 감소합니다. 온도가 낮을수록 더 많은 흡착제가 결합하는 반면, 온도가 높을수록 흡착이 더 어려워지고 탈착이 증가합니다. 예를 들어 실험에 따르면 제올라이트 13X의 질소 로딩은 0°C에서 30°C보다 약 30% 더 높은 것으로 나타났습니다(5).
저온에서는 등온선이 가파른 곡선을 그리며 포화 부하가 높은 반면, 고온에서는 일반적으로 평평해지고 최대값이 낮아집니다. 충분히 높은 온도에서는 등온선이 거의 선형이 되고 일반적인 포화 특성이 약화될 수 있습니다.
서로 다른 온도에서 동일한 물질과 흡착제의 등온선을 비교하여 등방성 흡착 엔탈피를 계산할 수 있으며, 이는 기술 및 열역학적 설계에 필요한 핵심 수치입니다. 온도가 약간만 변동해도 측정된 흡착 용량에 상당한 편차가 발생할 수 있으므로 항상 제어되고 정확하게 문서화된 온도에서 측정을 수행해야 합니다.
실제 적용 및 사례 연구
일반적인 응용 분야는 25°C에서 제올라이트의 수증기 흡수를 조사하고 분압을 증가시키는 것입니다. 등온선은 상대적으로 낮은 분압에서 가파른 하중 증가를 보이는데, 이는 극성 분자에 대한 제올라이트의 높은 친화력 때문입니다. 재생성은 진공 또는 고온에서 샘플을 재건하여 테스트하는데, 이는 순환 열 저장 애플리케이션의 핵심적인 측면입니다(3). CO2의 경우 중량 측정법을 유사하게 사용할 수 있으며, 제올라이트는 적당한 압력에서도 높은 부하를 허용합니다.
일반적인 평가 파라미터에는 작동 압력 범위에서의 최대 부하 및 접근성, 흡착 엔탈피와 같은 친화도 및 상호 작용 파라미터, 다른 가스 또는 성분에 대한 선택성 등이 포함됩니다. 동역학을 결정하려면 일련의 추가 측정이 필요합니다.
과학 문헌은 현대 흡착 물질 특성 분석에서 중량 분석의 중심적인 역할을 확인시켜 줍니다. 흡착 등온선의 중량 측정은 에너지 저장 분야에서 제올라이트의 표적 개발 및 평가를 위한 방법론적 근간입니다. 고품질 측정 시스템과 결합된 프로세스 엔지니어링 혁신은 실험실, 연구 및 개발 팀에게 지속 가능한 열 관리 및 열 에너지 저장 분야의 발전에 필수적인 최고의 데이터 품질과 어플리케이션 신뢰성을 제공합니다.
결론
중량 흡착 분석은 열 저장 분야에서 제올라이트의 특성을 분석하는 데 없어서는 안 될 필수적인 방법으로 자리 잡았습니다. 높은 정확도와 재현성을 통해 재료 선택 및 공정 최적화의 기초가 되는 정확한 흡착 등온선을 결정할 수 있습니다. 특히 작은 온도 변동도 저장 용량에 상당한 영향을 미치기 때문에 정밀한 온도 제어는 매우 중요한 요소로 입증되고 있습니다.
이 방법은 흡착 용량에 대한 정량적 데이터뿐만 아니라 재료의 열역학적 특성에 대한 귀중한 통찰력도 제공합니다. 따라서 효율적인 에너지 저장 시스템 개발에 필수적인 도구이며 지속 가능한 에너지 기술의 발전에 크게 기여합니다. 최신 측정 시스템을 사용하면 자동화된 표준화된 측정을 통해 최고의 품질과 결과의 비교 가능성을 보장할 수 있습니다.
출처 목록
(1) https://mediatum.ub.tum.de/doc/820976/820976.pdf – 열 저장용 제올라이트 흡착제에 대한 재료 과학 연구
(2) https://webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/tu-berlin/diss/2002/hauer_andreas.pdf – 열 저장을 위한 개방형 흡착 시스템에서의 고체 흡착제 평가(Hauer, Diss. 2002)
(3) https://www.eso.org/sci/facilities/develop/detectors/optdet/docs/diploma_hose.pdf – 활성탄 및 제올라이트 분석 – 흡착 등온선 중량 측정(Hose, 2000)
(4) https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/34866/1/ArifianYosefBenediktAwan_Untersuchung_zurSorption_von_Kohlendioxid_in_neuartigen_por%C3%B6sen_Materialien.pdf – 학사 논문: 새로운 다공성 물질의 이산화탄소 흡착 조사 – 측정 원리 중력 측정법
(5) https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00074130/Diss_Schmittmann.pdf – 온도가 제올라이트에 대한 단쇄 알칸의 흡착 역학에 미치는 영향(Schmittmann, Diss. 2021)
