Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (6), 950–958
Thermodynamics of gas mixtures in nanoporous materials: Extension to non-ideal systems at high pressures
Tatiana A. Kuznetsova – Chemistry Department, Lomonosov Moscow State University, Russian Federation; tchess54@mail.ru
Eugene A. Ustinov – Ioffe Institute, St. Petersburg, Russian Federation; eustinov@mail.ioffe.ru
Corresponding author: E. A. Ustinov, eustinov@mail.ioffe.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2024-15-6-950-958
ABSTRACT In this work, we developed a phenomenological approach to describe the equilibrium adsorption of nonideal gas mixtures in nanoporous adsorbents over a wide pressure range. The key point of the developed approach is an observation that the Gibbs free energy of a gas mixture is close to its ideal term. This feature, being more general than the empirical Raoult’s law in the ideal adsorbed solution theory (IAST), was combined with the distribution of elements of the adsorption volume (EAV) of the porous material over potentials in the spirit of Polanyi’s theory. We applied this approach to the adsorption of individual and binary gas mixtures of CO2, CH4, and N2 on an activated carbon in a wide pressure range up to 13 MPa. The approach provides high accuracy in predicting the adsorption of gas mixtures based on individual adsorption isotherms and obeys the Gibbs-Duhem equation, which confirms its thermodynamic consistency.
KEYWORDS high-pressure adsorption, supercritical gases, nanoporous carbons, mixture adsorption, adsorbed phase thermodynamics, equation of state.
ACKNOWLEDGEMENTS The research was carried out within the framework of the state assignment on topic No. 121031300090-2 (TAK) and No. 0081-2022-0008 (EAU).
FOR CITATION Kuznetsova T.A., Ustinov E.A. Thermodynamics of gas mixtures in nanoporous materials: Extension to non-ideal systems at high pressures. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (6), 950–958.
[In Russian] Кузнецова Т.А., Устинов Е.А.
Термодинамика газовых смесей в нанопористых материалах: Расширение на неидеальные системы при высоких давлениях
АННОТАЦИЯ В этой работе мы разработали феноменологический подход для описания равновесной адсорбции неидеальных газовых смесей в нанопористых адсорбентах в широком диапазоне давлений. Ключевым моментом разработанного подхода является наблюдение, что свободная энергия Гиббса газовой смеси близка к своему идеальному значению. Эта особенность, являющаяся более общей, чем эмпирический закон Рауля в теории идеального адсорбционного раствора (IAST), была объединена с распределением элементов адсорбционного объема (EAV) пористого материала по потенциалам в духе теории Поляни. Мы применили этот подход к адсорбции индивидуальных и бинарных газовых смесей CO2, CH4 и N2 на активированном угле в широком диапазоне давлений до 13 МПа. Этот подход обеспечивает высокую точность прогнозирования адсорбции газовых смесей на основе индивидуальных изотерм адсорбции и подчиняется уравнению Гиббса-Дюгема, что подтверждает его термодинамическую непротиворечивость.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА адсорбция при высоком давлении, закритические газы, нанопористый углерод, адсорбция смесей, термодинамика адсорбционной фазы, уравнение состояния.
