مقالة منهجية

الهيكل العضوي توجيه وكيل خالية من التوليف ل * BEA من نوع غشاء زيوليت

13.7K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/60500

⸱

فبراير 22, 2020

 ,  ,  , 
1Research Organization for Nano & Life Innovation, Waseda University, 2Department of Applied Chemistry, Waseda University, 3Advanced Research Institute for Science and Engineering, Waseda University

في هذه المقالة

ملخص

تم تحميل الكريستال البذور BEA * على α-Al2O3 دعم مسامية من خلال طريقة الغمس الطلاء، ونمت هيدرو حرارية دون استخدام عامل توجيه الهيكل العضوي. * تم إعداد غشاء الزيوليت من نوع BEA وجود عيوب قليلة جدا بنجاح من خلال طريقة النمو الثانوي.

الملخص

وقد لفت فصل الغشاء الانتباه كعملية فصل جديدة لتوفير الطاقة. تتمتع أغشية الزيوليت بإمكانات كبيرة لفصل الهيدروكربونات في حقول النفط والبتروكيماويات بسبب قوتها الحرارية والكيميائية والميكانيكية العالية. * BEA من نوع الزيوليت هو مادة غشاء مثيرة للاهتمام بسبب حجمالمسام الكبيرة ومجموعة واسعة من Si / Al. تقدم هذه المخطوطة بروتوكولًا لإعداد غشاء BEA * من خلال طريقة نمو ثانوية لا تستخدم عامل توجيه بنية عضوية (OSDA). يتكون بروتوكول التحضير من أربع خطوات: المعالجة المسبقة للدعم ، وإعداد البذور ، وطلاء الغمس ، وتبلور الأغشية. أولاً، يتم إعداد الكريستال البذور * BEA بواسطة التوليف الحراري المائي التقليدي باستخدام OSDA. يتم تحميل الكريستال البذور توليفها على السطح الخارجي من 3 سم طويلة أنبوبي α-Al2O3 الدعم من قبل طريقة تراجع الطلاء. يتم إعداد طبقة البذور المحملة مع طريقة النمو الثانوي باستخدام المعالجة الحرارية المائية في 393 K لمدة 7 أيام دون استخدام OSDA. يتم الحصول على غشاء BEA * وجود عيوب قليلة جدا بنجاح. إعداد البذور وخطوات تراجع الطلاء تؤثر بقوة على جودة الغشاء.

المقدمة

وقد لفت فصل الغشاء الانتباه كعملية فصل جديدة للطاقة الموفرة. وقد وضعت العديد من أنواع الأغشية على مدى العقود الماضية. وقد استخدمت على نطاق واسع الأغشية البوليمرية لفصل الغاز، وخلق المياه الصالحة للشرب من مياه البحر1،ومعالجة مياه الصرف الصحي2.

المواد الغشائية غير العضوية مثل السيليكا3،منخل الكربون الجزيئي4،والزيوليت لديها مزايا للقوة الحرارية والكيميائية والميكانيكية بالمقارنة مع الأغشية البوليمرية. لذلك، تميل الأغشية غير العضوية إلى الاستخدام في ظل ظروف أكثر شدة، مثل فصل الهيدروكربونات في حقول النفط والبتروكيماويات.

Zeolite لديه خصائص فريدة من نوعها الامتصاص والغربلالجزيئي بسبب الجراثيم. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الزيوليت بالقدرة على تبادل التّقاًّلات التي تساهم في التحكم في الامتصاص والممتلكات المنفّزة للزيتوليت. يتم تحديد عدد التسيونات في الزيوليت من خلال نسبة Si/Al من بنية الزيوليت. لذلك ، فإن حجم الجراثيم ونسبة Si / Al هي الخصائص الرئيسية التي تحدد خصائص النفاذ والفصل لأغشية الزيوليت. لهذه الأسباب، الزيوليت هو نوع واعد من المواد غشاء غير العضوية. وقد تم بالفعل تسويق بعض أغشية الزيوليت لتجفيف المذيبات العضوية بسبب هيدروفيليسيتيوخصائص هاوية وخصائص النخل الجزيئي5،6،7،8.

* BEA من نوع الزيوليت هو مادة غشاء مثيرة للاهتمام بسبب حجمالمسام الكبيرة ومجموعة واسعة Si / Al. * تم إعداد BEA بشكل عام عن طريق المعالجة الحرارية المائية باستخدام هيدروكسيد رباعي الثيلامونيوم كعامل توجيه الهيكل العضوي (OSDA). ومع ذلك، فإن طريقة التوليف التي تستخدم OSDA لها عيوب اقتصادية وبيئية. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن طريقة بمساعدة البذور لتوليف BEA * دون استخدام OSDA9،10.

* BEA هو الكريستال بين النمو من متعدد الأشكال A ومتعددة الأشكال B. وبالتالي، "*" يمثل مادة بين النمو. في الوقت الحاضر ، لا توجد مواد السائبة التي تتكون فقط من متعدد الأشكال ألف أو باء هو معروف.

لقد قمنا بإعداد بنجاح * الأغشية BEA دون استخدام OSDA من خلال طريقة معدلة بمساعدة البذور11. كان غشاء BEA * عيوب قليلة جدا وأظهر أداء فصل عالية للهيدروكربونات بسبب تأثيره غربلة الجزيئية. ومن المعروف جيدا أن التكليس لإزالة OSDA بعد التوليف هو واحد من الأسباب الأكثر شيوعا لتشكيل عيب في أغشية الزيوليت12،13. لدينا * BEA غشاء أعدت دون استخدام OSDA أظهرت أداء فصل جيدة ربما لأن هذه الخطوة التكليس تم تخطي.

يعتمد إعداد أغشية الزيوليت على الدراية والخبرة المتراكمة في المختبر. وبالتالي ، من الصعب على المبتدئين تجميع أغشية الزيوليت وحدها. هنا ، نود أن نشارك بروتوكولًا لإعداد غشاء BEA * كمرجع لكل من يريد بدء تركيب الغشاء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1- إعداد الدعم

  1. المعالجة المسبقة للدعم
    1. قطع 3 سم طويلة أنبوبي مسامية α-Al2O3 الدعم (انظر جدول المواد).
    2. غسل الدعم بالماء المقطر لمدة 10 دقيقة. بعد ذلك، اغسل الدعم مع الأسيتون لمدة 10 دقيقة. كرر عملية الغسيل هذه 2x.
      ملاحظة: لا تلمس السطح الخارجي للدعم بعد خطوة الغسيل. لم يتم إجراء أي علاج آخر (على سبيل المثال، صوتنة، وفرك بواسطة الصنفرة، الخ)
    3. تجفيف الدعم المغسول عند 110 درجة مئوية بين عشية وضحاها قبل الاستخدام لطلاء الغمس.
      ملاحظة: قياس وزن قطعة الدعم بعد التجفيف. يتم حساب وزن الغشاء النهائي من خلال الفرق في وزن الدعم قبل وبعد تركيب الغشاء.

2. * BEA البذور الكريستال التوليف

  1. إعداد هلام تخليق الكريستال البذور
    1. أضف 26.2 غرام من السيليكا الغروية (انظر جدول المواد)و 8.39 غرام من هيدروكسيد رباعي الإيثيلاممونيوم (TEAOH) (انظر جدول المواد)إلى زجاجة 250 مل مصنوعة من البولي بروبلين (الحل A). يُحرّك الخليط باستخدام محرّك مغناطيسي لمدّة 20 دقيقة في درجة حرارة 50 درجة مئوية في حمام مائي. بعد ذلك، حرك الخليط باستخدام التحريك المغناطيسي لمدة 20 دقيقة في درجة حرارة الغرفة.
    2. إضافة 8.39 غرام من TEAOH، 5.79 غرام من الماء المقطر، 1.08 غرام من NaOH (انظر جدول المواد)،و 0.186 غرام من NaAlO2 (انظر جدول المواد)في beaker تفلون (الحل B). يُحرّك الخليط باستخدام محرّك مغناطيسي لمدّة 20 دقيقة في درجة حرارة الغرفة.
    3. إضافة الحل B إلى الحل A في زجاجة 250 مل. مزيج من الحل A و B سوف تصبح حليبي. قم بتغليف الزجاجة ومصافحته بقوة باليد لمدة 5 سنوات. بعد ذلك، حرك الخليط باستخدام التحريك المغناطيسي لمدة 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة. الجل الذي تم الحصول عليه بعد 24 ساعة من التحريك يسمى هلام التوليف.
      ملاحظة: لا يمكن خلط الحل اللبني مع التحريك المغناطيسي في البداية لأنه يشكل هلام الثابت. ال 5 دقيقة تهتز باليد يجعل الحل حليبي لينة ويسمح التحريك مع التحريك المغناطيسي. التكوين النهائي للهلام التوليف هو 24Na2O: 1Al2O3: 200SiO2: 60TEAOH: 2905H2O.
  2. بلوره
    1. صب هلام التوليف في الأوتوكلاف المبطنة تفلون. ضع الأوتوكلاف في فرن الهواء على 100 درجة مئوية لمدة 7 أيام.
  3. إخماد
    1. إخماد الأوتوكلاف بالماء المتدفق لمدة 30 دقيقة بعد التبلور.
  4. الترشيح
    1. إزالة الرواسب البيضاء في الأوتوكلاف عن طريق الترشيح. غسل الرواسب البيضاء مع 200 مل من الماء المغلي لإزالة المواد غير المتبلور وغير المتبلور. تجفيف الرواسب المغسولة عند 110 درجة مئوية بين عشية وضحاها. الرواسب المجففة هي كريستال البذور.
      ملاحظة: تم استخدام مرشح شبكة 200 نانومتر (انظر جدول المواد)للحصول على الكريستال. وكانت نسبة Si/Al من الكريستال الذي تم الحصول عليه ~ 19 كما تم تحليلها من قبل قياس الطيف الأشعة السينية التشتت الطاقة (EDX). تم الحصول على حوالي 2.3 غرام من كريستال البذور عن طريق توليف ة واحدة. يشير إجراء الإعداد إلى تقرير سابق لشويمان وآخرين مع بعض التعديلات14.
  5. * BEA إعداد الطين البذور لتراجع الطلاء
    1. أضف 0.50 غرام من بلورات البذور إلى 100 مل من الماء المقطر لإعداد ملاط بذور 5 غرام/لتر. تنفيذ سونيكيشن من الطين البذور لمدة 1 ساعة لتفريق بلورات البذور.

3. البذر على الدعم عن طريق تراجع الطلاء

  1. إعداد دعم لمعدات الطلاء تراجع.
    1. إصلاح دعم أنبوبي مع قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام شريط تفلون لسد داخل الدعم.
  2. تراجع الطلاء
    1. صب الطين البذور في أنبوب زجاجي مع قطر 19 ملم. تزج الدعم الثابت في الطين البذور سكب وانتظر لمدة 1 دقيقة. بعد ذلك، سحب الطين البذور عموديا في ~ 3 سم / ق. تجفيف الدعم في 70 درجة مئوية لمدة 2 ساعة بعد تراجع الطلاء.
      ملاحظة: تم تشغيل عملية طلاء الغمس الموضحة في 3.2.1 2x. يستخدم هذا البروتوكول معدات محلية الصنع لطلاء الغمس. يتم توصيل جانب واحد من الأنبوب الزجاجي بغطاء سيليكون بنقرة يمكن سحب الطين من البذور منها. يتم توفير التفاصيل حول معدات طلاء الغمس في الفيديو.
  3. 3- التكس
    1. Calcine دعم تراجع المغلفة في 530 درجة مئوية لمدة 6 ساعة.
      ملاحظة: تم تنفيذ خطوة التكليس لإزالة OSDA حجب الجراثيم من بلورات البذور وربط كيميائيا البذور على سطح الدعم. وكانت معدلات الزيادة والانخفاض في درجة الحرارة في خطوة التكليس 50 درجة مئوية / دقيقة.
  4. قياس وزن كريستال البذور على الدعم
    1. بعد التكليس، قم بقياس وزن الدعم. يتم حساب كمية كريستال البذور المحملة من خلال الفرق في وزن الدعم قبل وبعد طلاء الغمس.
      ملاحظة: متوسط وزن الكريستال المبذر المحملة على دعم هو ~ 17 ملغ.

4. * إعداد غشاء BEA من خلال طريقة النمو الثانوية

  1. التحضير لتوليف الجل
    1. أضف 92.9 غرام من الماء المقطر، و 9.39 غرام من NaOH، و 1.15 غرام من NaAl2O إلى زجاجة بولي بروبلين 250 مل. يُحرّك الخليط باستخدام محرّك مغناطيسي لمدّة 30 دقيقة عند درجة حرارة 60 درجة مئوية في حمام مائي. بعد ذلك، إضافة 81.6 غرام من السيليكا الغروية بطريقة تدريجية في الخليط. يُحرّك الخليط باستخدام محرّك مغناطيسي لمدّة 4 سّات عند درجة حرارة 60 درجة مئويّة في حمام مائيّ. الجل الذي يتم الحصول عليه بعد التحريك لمدة 4 ساعة يسمى هلام التوليف.
      ملاحظة: تمت إضافة السيليكا الغروية ببطء بمعدل قطرة واحدة (~ 0.05 غرام) في الثانية. التكوين النهائي للهلام التوليف هو 30Na2O: 1Al2O3: 100SiO2: 2000H2O. ويستند إجراء إعداد هلام التوليف على كاميمورا وآخرون مع بعض التعديلات9.
  2. بلوره
    1. صب هلام التوليف في الأوتوكلاف اصطف تفلون التي يتم وضع الدعم المصنف عموديا. يتم وضع الأوتوكلاف في فرن الهواء على 120 درجة مئوية لمدة 7 أيام.
  3. إخماد
    1. إخماد الأوتوكلاف بالماء المتدفق لمدة 30 دقيقة بعد التبلور.
  4. الغسيل والتجفيف
    1. غسل الغشاء في الماء المغلي لمدة 8 ساعات وتجف بين عشية وضحاها. هذا هو غشاء BEA * .
  5. قياس وزن الغشاء
    1. بعد التجفيف، وقياس وزن الغشاء المعدة. يتم حساب وزن الغشاء من خلال الفرق في وزن الدعم قبل وبعد التبلور.
      ملاحظة: متوسط وزن غشاء BEA * على كل دعم هو ~ 74 ملغ.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يوضح الشكل 1 إجراء إعداد كريستال بذور BEA* . ويبين الشكل 2 نمط حيود الأشعة السينية (XRD) من الكريستال البذور توليفها * BEA. ظهرت قمم انعكاس قوي نموذجية (101) و (302) حول 2q = 7.7 و 22.1 درجة. بالإضافة إلى ذلك ، لم يلاحظ أي ذروة انعكاس واضحة بخلاف الزيوليت من نوع BEA* . وأظهرت هذه النتائج أن المرحلة النقية من * BEA زيوليت تم توليفها بنجاح.

تظهر صورة نموذجية FE-SEM لبلورة البذور المركبة في الشكل 3....

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

هناك أنواع كثيرة من مصادر سي وآل لتوليف الزيوليت. ومع ذلك، لا يمكننا تغيير المواد الخام لإعداد هذا الغشاء من نوع BEA* . إذا تم تغيير المواد الخام، يمكن تغيير مرحلة الزيوليت تبلور و / أو معدل النمو.

لا يمكن استخدام الأكواب الزجاجية لإعداد هلام التوليف لأن هلام التوليف له قلوية عالية. ويمكن استخدام الزجاجات والأكواب المصنوعة من البولي إيثيلين والبولي بروبلين وتفلون بدلا من ذلك.

لإعداد أعلى جودة * غشاء BEA، طبقة البذور موحدة على السطح الخارجي للدعم أنبوبي أمر ضروري. حج...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

شكر وتقدير

وقد دعم هذا العمل جزئيا من قبل JST CREST (الوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا، خلق بذور تكنولوجية REvolutionary لبرنامج الابتكار في مجال العلوم والتكنولوجيا)، منحة رقم JPMJCR1324، اليابان.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
a-Al2O3 دعمشركة Noritake Co. Ltd.NS-1متوسط حجم المسام ، 150 نانومتر ؛ القطر الخارجي ، 10 مم ؛ القطر الداخلي ، 7 مم
السيليكا الغرويةنيسان الكيميائيةST-SSiO2< / sub> 30.5٪ ، Na2< / sub>O 0.44٪ ، H2< / sub>O 69.1٪
مرشح شبكي (غشاء PTFE)المسام JGWP04700 Omnipore، 200 نانومتر
NaAl2< / sub>OKanto Chemical34095-01Na2O 31.0-35.0٪; Al2< / sub>O3< / sub> 34.0-39.0٪
NaOHKanto Chemical37184-0097٪
Tetraethylammonium هيدروكسيدSigma-Aldrich302929-500MLمحلول 35٪ بالوزن
حجم

المراجع

  1. Ghaffour, N., Missimer, T. M., Amy, G. L. Technical review and evaluation of the economics of water desalination: Current and future challenges for better water supply sustainability. Desalination. 309, 197-207 (2013).
  2. Hickenbottom, K. L., et al. Forward osmosis treatment of drilling mud and fracturing wastewater from oil and gas operations. Desalination. 312, 60-66 (2013).
  3. Kanezashi, M., Shazwani, W. N., Yoshioka, T., Tsuru, T. Separation of propylene/propane binary mixtures by bis(triethoxysilyl) methane (BTESM)-derived silica membranes fabricated at different calcination temperatures. Journal of Membrane Science. 415-416, 478-485 (2012).
  4. Xu, L., Rungta, M., Koros, W. J. Matrimid® derived carbon molecular sieve hollow fiber membranes for ethylene/ethane separation. Journal of Membrane Science. 380, 138-147 (2011).
  5. Morigami, Y., Kondo, M., Abe, J., Kita, H., Okamoto, K. The first large-scale pervaporation plant using tubular-type module with zeolite NaA membrane. Separation and Purification Technology. 25, 251-260 (2001).
  6. Kondo, M., Komori, M., Kita, H., Okamoto, K. Tubular-type pervaporation module with zeolite NaA membrane. Journal of Membrane Science. 133, 133-141 (1997).
  7. Mitsubishi Chemical strains out profit with zeolites. Nikkei Asian Review. , Available from: http://asia.nikkei.com/magazine/20160512-WEALTHIER-UNHEALTHIER/Tech-Science/Mitsubishi-Chemical-strains-out-profit-with-zeolites (2019).
  8. Hoof, V. V., Dotremont, C., Buekenhoudt, A. Performance of Mitsui NaA type zeolite membranes for the dehydration of organic solvents in comparison with commercial polymeric pervaporation membranes. Separation and Purification Technology. 48, 304-309 (2006).
  9. Kamimura, Y., Chaikittisilp, W., Itabashi, K., Shimojima, A., Okubo, T. Critical Factors in the Seed-Assisted Synthesis of Zeolite Beta and "Green Beta" from OSDA-Free Na+-Aluminosilicate Gels. Chemistry An Asian Journal. 5, 2182-2191 (2010).
  10. Majano, G., Delmotte, L., Valtchev, V., Mintova, S. Al-Rich Zeolite Beta by Seeding in the Absence of Organic Template. Chemistry of Materials. 21, 4184-4191 (2009).
  11. Sakai, M., et al. Formation process of *BEA-type zeolite membrane under OSDA-free conditions and its separation property. Microporous and Mesoporous Materials. 284, 360-365 (2019).
  12. Choi, J., et al. Grain Boundary Defect Elimination in a Zeolite Membrane by Rapid Thermal Processing. Science. 325, 590-593 (2009).
  13. Dong, J., Lin, Y. S., Hu, M. Z. -C., Peascoe, R. A., Payzant, E. A. Template-removal-associated microstructural development of porous-ceramic-supported MFI zeolite membranes. Microporous and Mesoporous Materials. 34, 241-253 (2000).
  14. Schoeman, B. J., Babouchkina, E., Mintova, S., Valtchev, V. P., Sterte, J. The Synthesis of Discrete Colloidal Crystals of Zeolite Beta and their Application in the Preparation of Thin Microporous Films. Journal of Porous Materials. 8, 13-22 (2001).
  15. Sasaki, Y., et al. Polytype distributions in low-defect zeolite beta crystals synthesized without an organic structure-directing agent. Microporous and Mesoporous Materials. 225, 210-215 (2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

BEA

مقالات ذات صلة