在这次采访中，Hiden Isochema的产品经理Darren Broom向AZoM介绍了一项新技术，该技术有望加速气体分离材料的开发。亚博网站下载
首先，您能给我们简单介绍一下气体分离和它的重要性吗?
工业气体有广泛的应用范围，从保存食品和碳酸饮料，到焊接，炼钢和炼油。与此同时，天然气在全球范围内被用作能源，用于家庭烹饪和取暖，而半导体行业是特种气体的主要消费者，用于制造电脑、智能手机和许多其他设备使用的电子元件。
在任何情况下，都必须生产纯气体，这通常涉及气体分离或净化过程。因此，气体分离影响了现代生活的许多方面，如果没有它，我们的生活将会非常不同。
气体分离的典型方法是什么?
气体可以用不同的方法分离，而选择通常取决于所需的纯度和规模。蒸馏是常用的方法，特别是在大规模生产中，但它是能源密集型的。例如，低温空气蒸馏被用来生产氮气、氧气和氩气。然而，更节能的气体分离方法包括在变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)等过程中使用膜和多孔材料。亚博网站下载PSA和TSA使用纳米多孔材料从混合物中提取所需气体或亚博网站下载去除不需要的污染物。这些材料，亚博网站下载包括活性炭、硅和沸石，选择性地吸附不同的气体，取决于温度和压力，以及气固相互作用的性质。
传统上，用什么技术来分析分离气体的新材料?亚博网站下载
开发用于PSA或TSA的新型纳米多孔材料的一个重要方面是表征其吸附性能。对于分离过程，必须了解存在亚博网站下载气体混合物时材料的行为。这涉及到测量多组分气体吸附平衡和动力学。最重要的信息可能是平衡吸附行为——在给定温度和压力下平衡吸附的每种气体的数量，以及气相组成。
两种主要类型的测量使用开放或封闭系统。传统上，体积测量技术用于此目的，尽管有几种变体，其中一些包括重量测量——即使用微天平来确定样品重量的变化，以响应气体从混合物的吸附。
开式容积系统包括在样品上流动气体混合物，并测量出口气体成分和流速。综合进口和出口流量和组成，允许计算的数量，每个气体吸附的样品。这有时被称为a动态列的突破测量。然而，由于难以准确地测量成分变化的气体的总流速，这种方法的准确性有局限性。
同时，封闭式容积系统更为精确，但测量十分困难。在这种情况下，气体混合物通过再循环泵在封闭回路中循环。气体混合物被强制通过吸附床，直到达到平衡。在平衡状态下，使用气相色谱仪分析气体混合物的成分气相色谱（GC）或质谱仪（MS），并使用已知体积的系统中的初始和最终气体成分和压力进行摩尔平衡计算，以计算每种气体的吸附量。虽然准确，但这种方法的困难在于每个点的测量可能需要一天左右，这意味着需要数周的实验时间我们经常需要收集一个好的数据集。
你能告诉我们关于“积分质量平衡”(IMB)的新方法吗?
开式系统体积测量比闭式系统更快，但由于出口流量测量精度的问题，其精度较低。IMB方法使用一个开放的速度系统，但无需测量出口流量，而是通过确定样品的总重量变化作为时间的函数。由受控成分组成的气体混合物流经悬浮在微天平上的样品，而出口成分则用质谱仪确定。对这个系统的质量平衡方程进行积分，然后可以计算每一种气体的吸附量。这个计算过程就是我们称之为“整体质量平衡”(IMB)方法的原因。
IGA-003-MC仪器用于实施IMB方法。图片来源:Hiden Isochema
我们已经能够测量20点二元气体吸附等温线在仅仅4小时使用这种技术。相比之下，精确度相当的封闭系统至少需要20天的实验时间。它也只需要几克的样品。因此，它代表了气体分离吸附剂表征的重大进展。
这项技术是如何被证明的?你能给我们讲讲这个过程吗?
在最近的一篇论文中，我们演示了IMB方法的实际实现，通过使用IGA-003- mc(我们的智能重量分析仪(IGA)气体和蒸汽吸附仪器范围内的模型之一)，复制了之前在5A分子筛上测量的数据。测量使用了氮(N2)和氧(O2)，压力为9.15巴。该吸附剂和这些条件与空分生产纯氧有关2用于各种用途，包括生产医用氧气。
为了证明和验证这项技术，我们需要选择一组测量值，这些测量值之前有可靠的数据可用。为此，我们与美国克利夫兰州立大学的Orhan Talu教授合作。塔鲁教授向我们提供了一些他在1996年发表的研究中使用的相同材料。然后，我们使用IGA-003-MC仪器在相同条件下复制测量结果。我们发现了很好的一致性，这使我们确信IMB方法的准确性。
Hiden Isochema有限公司和克利夫兰州立大学之间的合作是如何实现的?
我认识塔鲁教授好几年了。我们之前曾在各种专家吸附会议上会面，最显著的可能是2013年5月在巴尔的摩举行的吸附基础（FOA）会议，以及2014年11月在美国国家标准与技术研究所（NIST）举行的“吸附科学中的测量需求”研讨会。塔鲁教授在该领域享有良好声誉，并于2007年至2010年担任国际吸附学会（IAS）主席。亚博老虎机网登录
我们过去曾讨论过合作，但当Hiden Isochema的团队首次将IMB方法作为测量多组分气体吸附的可行方法时，我们意识到我们需要帮助来完善和验证这项技术。Talu教授是显而易见的选择，因为他在测量和表征多孔材料对多组分气体的吸附方面有数十年的经验。亚博网站下载当他同意与我们在这个项目上合作时，我们确实非常高兴。此外，他鼓励我们修改计算吸附量的方法，其结果在我们最近的论文中有详细介绍。
能够分析更多材料的优点是什么?亚博网站下载
目前，从单组分数据计算多组分气体吸附等温线的理论模型过于依赖，如理想吸附溶液理论(IAST)。这种计算的结果总是需要用实验来验证，因为模型并不总是适用或准确的，这取决于吸附剂-吸附剂系统。然而，现有的实验技术非常耗时。
如IMB方法所提供的一种更快的方法，将允许在实际的时间框架内使用实验测量而不是依赖理论来筛选更多的材料。亚博网站下载例如，化学家正在开发新的纳米多孔材料，因此可以直接表征一种材料在特定分离过程中的性能，而无需依赖可亚博网站下载能不准确的模型。同时，由于缺乏不同吸附剂-吸附剂体系的准确、有效的数据，分子模拟的多组分吸附理论研究也在一定程度上受到限制。更广泛地采用IMB方法将显著增加此类研究可用的实验数据量。这将有助于化学工程师对多组分吸附的理论研究和新分离过程的开发，也有助于利用PSA和TSA对不同类型气体分离的新吸附剂进行实验筛选。
这项技术目前和未来的一些应用是什么？
我们为验证该技术而进行的测量与氧气生产的空气分离有关2如果应用广泛，这项技术是至关重要的。小规模和便携式医疗O2发电机广泛用于个人使用，但PSA O2为应对当前的冠状病毒危机，紧急野战医院已经安装了装满沸石的发电机2物资供应对治疗病人至关重要。
然而，气体分离还有许多其他重要的应用，我们认为IMB方法能够提供准确的数据2例如，来自发电厂的烟气就非常有意义，因为这将有助于解决由于温室气体排放量增加而造成的困难而严重的气候变化问题。其他未来目标包括用于天然气升级和沼气净化的分离，以及氢气（H2)生产和纯化。两个小时2天然气对于未来向低碳能源的过渡非常重要，在未来化石燃料的使用将逐渐被淘汰。
你能告诉我们更多关于Hiden Isochema的信息吗?
Hiden Isochema是设计和制造用于表面化学和材料科学研究、开发和生产应用的气体和蒸汽吸附仪器的世界领先者。亚博网站下载亚博老虎机网登录
我们从1992年开始生产吸附测量系统，当时Hiden Analytical第一次开始生产智能重量分析仪(IGA)。经过十年的持续成功，Hiden Isochema随后成为Hiden Analytical的全资子公司，以进一步专注于开发和制造吸附剂专用仪器。这两家公司现在都是Hiden Instruments集团的成员。
从那时起，我们扩大了我们的产品范围，包括压力吸附系统，专用突破性分析仪，和膜渗透分析仪。2013年，我们推出了一种新型的吸附微天平，称为XEMIS，它提供了高压操作和腐蚀性物质的兼容性。我们还继续加强我们的声誉，提供高质量和多功能的仪器，同时提供行业领先水平的技术支持。
我们的仪器在世界各地的大学、研究机构和研发实验室的高水平学术和工业研究实验室，以及众多的过程和质量控制装置中都有发现。
读者在哪里可以找到更多的信息?
你可以通过下面的链接查看全文:
积分质量平衡(IMB)法测定纳米多孔材料中多组分气体吸附平衡亚博网站下载
你可以在我们的网站上阅读更多关于IGA-003 MC的信息，使用这个链接:iga - 003 MC
有关Hiden Isochema提供的产品和服务的详细信息，请访问www.hidenisochema.com．你也可以跟着我们推特．
关于达伦扫帚
Darren Broom是Hiden Isochema公司的产品经理。他于2002年获得英国索尔福德大学材料物理亚博网站下载学博士学位，之后在荷兰欧盟委员会能源研究所做了3年的博士后研究，研究储氢材料。2007年，他回到英国加入了Hiden Isochema。
2011年，施普林格出版了关于储氢材料表征的书，此后他扩大了对气固相互作用分析的兴趣，包括用于气体分离的多孔吸附剂的表征。亚博网站下载自2015年以来，他也是国际能源署(IEA)氢技术合作计划(TCP)任务32和任务40的六名英国代表之一。https://www.ieahydrogen.org/)．
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