DVS를 이용해 흡착열(Heat of adsorption)을 구하는 방법
DVS Carbon 분석을 통해 수증기나 이산화탄소 흡착열 구하는 방법
흡착열의 개요와 측정하는 이유
※ DVS Carbon을 통한 수분, 이산화탄소의 흡착 시 대부분의 경우에 발열 과정이므로 이번 포스팅에서는 발열을 기준으로 설명하겠습니다.
흡착열(Heat of adsorption)은 기체 또는 액체 분자가 고체 표면에 흡착할 때 방출되는 열에너지를 말합니다. 이는 높은 자유에너지를 가지고 있던 가스 분자가 표면에 흡착하는 과정에서 자유 에너지가 감소하며 발생합니다. 흡착열은 흡착이 일어나는 소재 및 흡착질의 종류와 주변 환경에 따라서 달라지며 흡착 메커니즘을 이해하는 데 중요한 열역학적 지표 중 하나로 활용됩니다.
→ 링크: MCC DVS Carbon 분석 ←요금과 방법 확인하기
DVS Carbon 측정 결과를 통해 흡착열을 구해보자!
[①다양한 온도에서 흡착 실험] → [②필요 데이터 추출] → [③주요 관계식에 대입] → [④흡착량에 따른 흡착열 계산 완료!]
DVS를 이용하면 흡착제에 일정량의 가스가 흡착했을 때 결정되는 등량흡착열(Isosteric heat of sorption)을 구할 수 있는데요. 분석을 위해서는 먼저 다양한 온도에서의 흡착량 데이터가 필요하고 분석 시 몇 가지 주의 사항을 준수해야 합니다.
1. 온도 범위 설정 시
같은 농도에서 온도가 높아질수록 흡착량이 낮아지는 구간을 선택합니다.
→ 일반적으로 온도가 높을수록 흡착량이 낮아지지만 예외의 경우가 있습니다.
2. 분석 조건 설정 및 분석 시
DVS Carbon을 이용해 2개 이상의 온도에서 흡착 분석을 한다.
→ 반드시 분석은 포화 조건(dm/dt)로 합니다.
Tip. 측정 온도 케이스가 많고 Step size(간격)이 좁으며 포화 기준치가 엄격할수록 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
이렇게 분석을 진행하고 나면, 이전 저희 포스팅에서 다루었던 것처럼 각 온도에서 시료의 흡착등온선을 얻을 수 있습니다. 분석에 대해 자세한 내용이 궁금하시다면 아래 링크를 참조해 주세요.
주요 관계식에 분석 결과를 적용하기
흡착열을 구하기 위해서는 아래의 Clausius-Clapeyron Equation을 이용합니다. 일부 형태의 차이가 있을 수 있지만 DVS 분석에서는 다음과 같은 형태로 변형해 분석할 수 있습니다.
P : 부분압, R : 기체상수, T: 온도(K), C: 적분상수, Q: 흡착열
이해를 돕기 위하여 온도 별 이산화탄소 흡착 분석 데이터를 예시로 흡착열을 구하는 방법을 설명드려 보겠습니다.
↑↑이런 분석에 대해서 자세한 내용이 궁금하다면 아래 링크를 눌러주세요.
DVS 분석 결과를 통해 등량흡착열을 구하는 방법
- 포화 흡착양을 농도(=부분압)에 따른 흡착 등온선을 그린다(그림1. 흡착 등온선).
- 동일한 포화흡착량을 보이는 부분압을 각 온도케이스마다 정리한다 (그림1의 동그라미 체크된 부분)
- 부분압(P)을 ln(P)로 변환하고, 온도를 1/T (절대온도)로 변환 후 X축으로 하여 그래프로 나타낸다 (그림2).
- 각 분석마다 추세선을 형성하여 Clausius-Clapeyron Equation에 따른 기울기를 찾으면 (-Qst/R)이 된다.
- 기울기에 R(기체상수)를 곱하여 등량흡착열을 구한다(그림 3).
그림1. 흡착등온선
그림2
그림3. 등량흡착열
마무리
이번 포스팅에서는 소재의 흡착열을 구하는 방법을 간단히 살펴보았습니다. 다만, 흡착열을 보다 정확하게 측정하려면 적합한 피팅 모델을 선정하는 과정이 필요합니다. 이 부분은 다루려면 내용이 깊고 분량이 많아지기 때문에, 이번 글에서는 DVS 결과를 활용해 간단히 흡착열을 분석하는 방법을 소개하는 것으로 마무리하겠습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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