[論文レビュー] Theoretical development on the isosteric heat of adsorption and experimental confirmation

Kyaw Thu, Sourav Mitra+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、低圧から高圧にわたる多層吸着を含め、非理想気体の挙動および有限な吸着相体積を考慮した、等スティック熱のきめ細やかな熱力学的モデルを構築した。このモデルは、非極性吸着種系において実験データと優れた一致を示し、吸着等温線および等スティック熱の両方の予測精度を検証した。

ABSTRACT

Theoretical framework for the isosteric heat of adsorption is developed treating the effects of the non-ideal gas behavior and the adsorbed phase volume. Rigorous thermodynamic treatment for the adsorbed phase volume is presented for multi-layer adsorption from low to high pressures. The proposed model for the isosteric heat of adsorption along with the adsorbed phase volume is validated and verified using experimental data for several, judiciously selected adsorbent + adsorbate (nonpolar molecules) systems. The predictions by the model exhibit excellent agreement with the experimental data for both adsorption isotherms and the isosteric heat of adsorption.

研究の動機と目的

• 非理想気体の挙動および有限な吸着相体積を含む理論的に妥当な等スティック熱のフレームワークを構築すること。
• 低圧から高圧にわたる多層吸着にまで熱力学的取り扱いを拡張すること。
• 吸着等温線および等スティック熱の両方について、実験データと比較してモデルを検証すること。
• 非極性分子を含む吸着プロセスの予測精度を向上させること。

提案手法

• 気相反での非理想気体の挙動を考慮した、きめ細やかな熱力学的関係式を用いた理論的導出。
• 吸着等温線データから導出された吸着相モル体積を、等スティック熱の計算に組み込む。
• 等圧平衡圧の変化と等スティック熱を関連付けるために、修正されたクラウジウス＝クラペイロン方程式を適用する。
• 実験的吸着等温線を用いて等スティック熱を計算し、モデル予測と比較する。
• 低圧から高圧にわたる複数の非極性吸着剤-吸着種系（例：N2、CH4、CO2）において体系的な検証を実施する。
• 全圧力範囲にわたる適用性を確保するため、多層吸着モデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非理想気体の挙動を考慮することにより、等スティック熱の予測精度はどのように変化するか？
• RQ2 有限な吸着相体積の影響は、等スティック熱の計算における熱力学的一致性にどのような影響を及えるか？
• RQ3 提案されたモデルは、低圧から高圧にわたる範囲で、吸着等温線および等スティック熱を正確に予測できるか？
• RQ4 非極性系の実験データに対してモデルを検証した場合、その性能はいかがであるか？
• RQ5 多層吸着効果を組み込むことにより、モデルの忠実度はどの程度向上するか？

主な発見

• 本モデルは、複数の非極性系において、吸着等温線および等スティック熱の両方について、実験データと優れた一致を示した。
• 吸着相体積を組み込むことで、特に高圧域において熱力学的一致性が顕著に向上した。
• 等スティック熱の圧力依存性、特に高負荷域における特徴的な低下を、モデルが的確に捉えた。
• 低圧から高圧にわたる全圧力範囲で予測が正確に保たれ、多層吸着処理の有効性が検証された。
• 非理想気体効果を組み込むことで、特に高圧域において理想気体近似よりも精度が向上した。
• 実験的検証により、本モデルの頑健性および実用的吸着システム設計への信頼性が確認された。