材料化学

气体吸附、分离与储存

将分子吸附平衡和传质联系到实际气体分离与储存，重点关注选择性、工作容量、再生及流程约束。

直觉捕获、区分、释放

多孔吸附剂可在混合气流过时优先捕获某一组分。但结合强并非总是有利：实用材料必须捕获目标、以可接受能耗释放，并快速循环且不损失容量。

观察混合进料通过吸附床：选择性吸附会延迟穿透，再生可恢复容量。真实床层还存在热质传递前沿。

定义: 吸附选择性

混合物组分 A、B 的理想吸附溶液理论（IAST）选择性常写作 Sₐ/ᵦ=(xₐ/xᵦ)/(yₐ/yᵦ)，其中 x、y 分别为平衡吸附相和气相摩尔分数。它是模型量，不自动等同于流程分离因子。

平衡只是性能的一部分。固定床流程还受扩散、吸附放热、压降、进料组成、循环时间和吸附剂成型影响。穿透曲线显示出口开始出现被捕获组分的时刻。

例题: 解释理想选择性

解答

S=2/(1/4)=8：在该组成和平衡状态下，吸附相相对于 B 富集了 A。但它本身不能证明真实塔器的纯度、产能、循环工作容量或能效。

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 形式适用于等价独立位点和单层饱和的理想化情形；非均匀表面和框架转变可能需要更复杂模型。工作容量是吸附与再生条件之间的吸附量差，而非单点最大负载。

高亨利系数可能利于稀组分捕集，但吸附过强会加重再生负担。混合物非理想性、水竞争吸附、热效应、扩散、成型粘结剂和机械劣化均可能逆转理想计算的排序。应与相关基准比较完整循环性能和流程能耗。

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