This study focuses on the evaluation of isotherm models for the precise prediction of adsorption equilibrium and breakthrough dynamics. For this, the evaluation was performed using pure $N_2$, $CO_2$ and their binary mixture gas with an activated carbon (AC, Norit RB3) as an adsorbent. Both BET and breakthrough experiments were conducted at various conditions of temperature and pressure. The corresponding uptake amount of pure component adsorption was experimentally determined, and parameters of the four different isotherm models, Langmuir, Langmuir-Freundlich, Sips, and Toth, were estimated from experimental data. Then, the predictive power of each isotherm model was also evaluated with the binary experimental results of binary $N_2/CO_2$ mixtures, by means of sum of square errors (SSE). As a result, the Toth model was the most precise isotherm model in describing $CO_2$ adsorption equilibrium on the AC. Based on the breakthrough experimental result from the binary mixture adsorption, non-isothermal modeling for the adsorption bed was performed. A process simulator was used for examining breakthrough results for all of the isotherm models to precisely predict its adsorption dynamics and the Toth model was the most accurate model of all four isotherm models.
본 연구는 흡착 평형과 파과 동특성에 대한 예측의 정확성에 대하여 등온선 모델을 평가하는데 초점을 맞추었다. 이를 위하여 흡착제로서 활성탄(Norit RB3)을 사용하였고, 질소와 이산화탄소, 둘의 혼합 기체를 사용하였다. BET와 파과 실험이 다양한 온도와 압력 조건에서 시행되었으며, 순수한 질소와 이산화탄소의 흡착 실험 결과를 바탕으로 4가지 등온선 모델 (Langmuir, Langmuir-Freundlich, Sips, Toth)에 대한 파라미터 추정이 시행되었다. 혼합 기체 흡착 실험 결과를 바탕으로, 오차의 제곱의 합을 기준으로 삼아 각각의 등온선 모델의 예측능력을 평가하였다. 그 결과, Toth 등온선 모델이 활성탄으로의 이산화탄소 흡착을 가장 잘 예측하는 것으로 판단되었다. 또한, 혼합물의 파과 실험 결과를 바탕으로, 흡착 반응기의 비등온 모델링이 수행되었고, 상용화된 공정 모사기를 사용하여 등온선 모델에 따른 흡착 동특성이 파과 실험 결과를 정확히 모사할 수 있도록 하였다. 결과적으로 Toth 등온선 모델을 적용한 동특성 모사 결과가 흡착 실험 결과를 가장 잘 모사하는 것으로 판단되었다.
