Выделение водорода из газовых смесей: оценка эффективности адсорбентов с применением модели IAST

Образцы коммерческих адсорбентов активированного угля AC, цеолита ZS и силикагеля SG были исследованы в процессах адсорбции водорода, метана, азота, углекислого и угарного газа для оценки эффективности их использования при очистке водорода от газовых примесей. Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа охарактеризованы состав и морфология материалов. Текстурные характеристики (удельная поверхность и характер пористости) рассчитаны по моделям БЭТ, Гурвича и BJH на основе данных по криосорбции азота. Для всех изученных газов построены изотермы адсорбции в области давлений до 25 атм при температурах от 0 до 50 °С, определены изостерические теплоты адсорбции, рассчитаны идеальные селективности в парах «примесный газ – водород». Для оценки поведения изученных адсорбентов по отношению к многокомпонентным газовым смесям проведено моделирования с использованием теории идеальных адсорбированных растворов (IAST). Данный подход позволил установить, что в реальных смесях селективность SIAST(CO₂/H₂) увеличивается в 1,5–3 раза по сравнению с расчетами по данным для индивидуальных газов. 

1. Sircar S, Golden TC. Purification of hydrogen by pressure swing adsorption. Separation Science and Technology. 2000;35(5):667-687. DOI:10.1081/SS100100183

2. Kozlov S, Fateyev V. Hydrogen energy: current state, problems, prospects. Moscow: Gazprom VNIIGAZ; 2009. 518 p. (In Russ.)

3. Du Z, Liu C, Zhai J, Guo X, et al. A review of hydrogen purification technologies for fuel cell vehicles. Catalysts. 2021;11(3):393. DOI:10.3390/catal11030393

4. Zhang R, Shen Y, Tang Z, Li W, et al. A review of numerical research on the pressure swing adsorption process. Processes. 2022;10(5):812. DOI:10.3390/pr10050812

5. Grande CA. Advances in pressure swing adsorption for gas separation. ISRN Chemical Engineering. 2012;2012:1-13. DOI:10.5402/2012/982934

6. Lopes FVS, Grande CA, Rodrigues AE. Fastcycling VPSA for hydrogen purification. Fuel. 2012;93: 510-523. DOI:10.1016/j.fuel.2011.07.005

7. Shah G, Ahmad E, Pant KK, Vijay VK. Comprehending the contemporary state of art in biogas enrichment and CO2 capture technologies via swing adsorption. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(9):6588-6612. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.11.116

8. Sircar S, Golden TC, Rao MB. Activated carbon for gas separation and storage. Carbon. 1996;34(1):1-12. DOI:10.1016/0008-6223(95)00128-X

9. Cundy CS, Cox PA. The hydrothermal synthesis of zeolites: history and development from the earliest days to the present time. Chemical Reviews. 2003;103(3):663-702. DOI:10.1021/cr020060i

10. Sadighi S., Soleymani R. Synthesis of 5A molecular sieve for hydrogen purification in pressure swing adsorbers. 2nd Iran National Zeolite Conference (2INZC). 2015. p. 27-8.

11. Orsikowsky-Sanchez A, Franke C, Sachse A, Ferrage E, et al. Gas porosimetry by gas adsorption as an efficient tool for the assessment of the shaping effect in commercial zeolites. Nanomaterials. 2021;11(5):1205. DOI:10.3390/nano11051205

12. Yan KL, Wang Q. Adsorption characteristics of the silica gels as adsorbent for gasoline vapors removal. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018;153(2):022010. DOI:10.1088/1755-1315/153/2/022010

13. BASF: Sorbead®. Available from: https://chemical-catalysts-and-adsorbents.basf.com/global/en/adsorbents/sorbead-for-ccs [Accessed 09 Jule 2025]

14. Myers AL, Prausnitz JM. Thermodynamics of mixed-gas adsorption. AIChE Journal. 1965;11(1):121-127. DOI:10.1002/aic.690110125

15. Frenkel D, Smit B. Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. San Diego: Academic Press; 2002. 638 p. (Computational science series).

16. Simon CM, Smit B, Haranczyk M. PyIAST: ideal adsorbed solution theory (IAST) python package. Computer Physics Communications. 2016;200:364-380. DOI:10.1016/j.cpc.2015.11.016

17. National institute of standards and technology. Thermophysical properties of fluid systems n.d. Available from: https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/ [Accessed 17 May 2025].

18. Keppetipola NM, Dissanayake M, Dissanayake P, Karunarathne B, et al. Graphite-type activated carbon from coconut shell: a natural source for eco-friendly non-volatile storage devices. RSC Advances. 2021;11(5):2854-2865. DOI:10.1039/D0RA09182K

19. Chen L, Wang YW, He MY, Chen Q, et al. Facile synthesis of 5A zeolite from attapulgite clay for adsorption of n-paraffins. Adsorption. 2016;22(3):309-314. DOI:10.1007/s10450-016-9776-y

20. Keller J, Staudt R. Gas adsorption equilibria. Experimental Methods and Adsorptive Isotherms. Boston: Springer Science + Business Media, Inc; 2005. 422 p.

21. Karnaukhov A. Adsorption. The texture of dispersed and porous materials. Novosibirsk: Nauka Publ. Siberian Enterprise of the Russian Academy of Sciences; 1999. 469 p. (In Russ.)

22. Jung J, Do H, Chung K, Cho M, et al. Adsorption equilibria and kinetics of CO2, CH4, CO, N2, O2, and H2 on silica-based adsorbents for H2 enhancement processes from steel off-gas for the direct reduced iron process. Chemical Engineering Journal. 2024;479:147678. DOI:10.1016/j.cej.2023.147678