材料化学

ガスの吸着・分離・貯蔵

分子吸着平衡と輸送を実用的なガス分離・貯蔵に結びつけ、選択性、作動容量、再生、プロセス制約を重視します。

直観捕らえ、分け、放出する

多孔質吸着材は混合ガスを通しながら特定成分を優先して保持できます。しかし強い結合が常に有利とは限りません。実用材は対象を捕集し、許容エネルギーで放出し、容量を失わず高速に繰り返す必要があります。

吸着床を通る混合原料を追います。選択吸着は破過を遅らせ、再生で容量が回復します。実床では熱・物質移動 фронトも加わります。

定義: 吸着選択性

混合物中の成分A、Bについて、理想吸着溶液理論（IAST）の選択性は通常 Sₐ/ᵦ=(xₐ/xᵦ)/(yₐ/yᵦ) と表します。xとyは平衡時の吸着相・気相モル分率です。モデル量であり、プロセス分離係数と同一とは限りません。

平衡は性能の一部にすぎません。固定床プロセスは拡散、発熱、圧力損失、供給組成、サイクル時間、吸着材成形にも依存します。破過曲線は出口に捕集対象が現れ始める時点を示します。

例: 理想選択性の解釈

解答

S=2/(1/4)=8です。この組成・平衡状態では吸着相がBに対してAに富みます。ただし実カラムの純度、生産性、サイクル作動容量、エネルギー効率を単独で示すものではありません。

q=\frac{q_{\mathrm{sat}}bP}{1+bP},\\qquad \Delta q_{\mathrm{work}}=q(P_{\mathrm{ads}},T_{\mathrm{ads}})-q(P_{\mathrm{des}},T_{\mathrm{des}})

Langmuir式は等価で独立なサイトと単分子層飽和を仮定する有用な理想化です。不均一表面や骨格転移には複雑なモデルが必要です。作動容量は吸着・再生条件間の吸着量差であり、単一条件の最大量ではありません。

高いHenry係数は希薄成分捕集に有利でも、吸着が強すぎると再生負担が増します。混合物の非理想性、水の競争吸着、熱効果、拡散、成形バインダー、機械劣化は理想計算の順位を逆転させ得ます。適切な基準と比べ、全サイクル性能とプロセスエネルギーを評価します。

The Adsorption of Gases on Plane Surfaces of Glass, Mica and Platinum · I. Langmuir, 1918
Thermodynamics of Mixed-Gas Adsorption · A. L. Myers, J. M. Prausnitz, 1965
Post-Combustion CO2 Capture Using Solid Sorbents: A Review · A. Samanta, A. Zhao, G. K. H. Shimizu, P. Sarkar, R. Gupta, 2012