Adsorptionsvorrichtung Basierend auf einem Langatate Crystal Micro für Hochtemperatur-Hochdruck-Gas Adsorption in Zeolith H-ZSM-5

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, Hochtemperatur-Absorptionsisothermen von Gasen auf Zeolith H-ZSM-5 oder anderen mikroporösen Materialien mit Hilfe eines Absorptionsmessgeräts zu erhalten, das auf einer Langatat-Kristallmikrowaage basiert. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Hochtemperatur-Gasabsorptionsmessung von mikroporösen Materialien zu beantworten, z. B. wie mikroporöse Materialien auf unserer Hochfrequenz-Oszillationsmikrowaage synthetisiert werden können. Der Hauptvorteil einer Methode, die auf einer hochfrequenten oszillierenden Mikrowaage basiert, besteht darin, dass sie kostengünstiger ist als eine kommerzialisierte formatische und eine gravimetrische Methode.

Der Hauptvorteil einer Langatat-Kristall-Mikrowaage gegenüber einer Quads-Kristall-Mikrowaage besteht darin, dass sie nicht auf Temperaturen unter 80 Grad Celsius beschränkt ist. Die angestrebte Reichweite liegt hier bei 200 bis 300 Grad Celsius. Um den Vorgang zu starten, waschen Sie zwei LCMs gründlich mit entionisiertem Wasser.

Reinigen Sie dann die LCMs in einem Ultraschallbad mit entionisiertem Wasser und trocknen Sie sie einige Minuten lang in einem Ofen bei 80 Grad Celsius. Reinigen Sie in der Zwischenzeit den LCM-Halter, die O-Ringe und die Probenkammer mit Aceton und Druckluft. Platzieren Sie beide sauberen, trockenen LCM auf dem sauberen, trockenen LCM-Halter und legen Sie ein LCM als Referenz und einen als Probenposition fest.

Verbinden Sie dann den LCM-Halter über hochtemperaturbeständige Elektrokabel mit dem Oszillator. Achten Sie besonders auf die Positionen der LCMs auf der Halterung, da nur die entsprechenden Positionen sicherstellen, dass Resonanzfrequenzen erfasst werden können. Schalten Sie abschließend den Oszillator ein.

Überprüfen Sie mit der Oszillator-Software, ob Resonanzfrequenzen für beide LCMs vorhanden sind. Verschließen, isolieren und evakuieren Sie die Probenkammer. Evakuieren und spülen Sie die Kammer mehrmals mit Stickstoffgas und stellen Sie dann den Kammerdruck auf den niedrigsten zu prüfenden Druck ein.

Sobald sich der Druck stabilisiert hat, stellen Sie die Kammertemperatur auf die niedrigste zu prüfende Temperatur ein. Sobald sich die Temperatur stabilisiert hat, messen Sie die Resonanzfrequenzen beider LCMs mit einem Butterworth Van Dyke-Ersatzschaltungsmodell, das von der Oszillatorsoftware angepasst wurde. Ermitteln und notieren Sie den F-0-Wert.

Fügen Sie dann langsam Stickstoffgas hinzu, um die Probenkammer auf den nächsten zu testenden Druck zu beaufschlagen. Warten Sie, bis sich der Druck stabilisiert hat, bevor Sie den Delta-Wert F-0 erhalten. Wiederholen Sie diesen Vorgang für jeden zu prüfenden Druck.

Erhalten Sie Delta-F-0-Werte für jede Temperatur, für die auf diese Weise eine Isotherme bestimmt wird. Bereiten Sie ein Zeolith H-ZSM-5-Synthesegemisch vor, wie im Textprotokoll beschrieben. Nach der Zubereitung muss die Mischung innerhalb von fünf Stunden verwendet werden.

Geben Sie mit einer Pipette vorsichtig mehrere Tropfen Zeolithmischung auf die mittlere Goldelektrode des Proben-LCM. Lassen Sie das Gemisch nicht mit den Oszillator-Verbindungspunkten an den äußeren Goldelektroden in Berührung kommen. Trocknen Sie das geladene LCM zwei Stunden lang in einem Ofen bei 80 Grad Celsius, um ein viskoses Gel auf der Elektrode zu erhalten.

Geben Sie 10 Milliliter entionisiertes Wasser in einen mit PTFE ausgekleideten Autoklavenreaktor. Setzen Sie dann einen PTFE-Halter in den Reaktor ein. Platzieren Sie das geladene LCM auf dem Halter, stellen Sie sicher, dass das LCM nicht mit dem flüssigen Wasser in Berührung kommt, und schließen Sie den Autoklavenreaktor.

Bringen Sie den Autoklavenreaktor vorsichtig in einen Ofen. Erhitzen Sie den Reaktor 48 Stunden lang auf 150 Grad Celsius, um die dampfunterstützte Kristallisation durchzuführen. Sobald die Kristallisation abgeschlossen ist, waschen Sie das beladene LCM mit entionisiertem Wasser und trocknen Sie es in einem Ofen.

Lassen Sie das LCM dann auf Raumtemperatur abkühlen. Stellen Sie das geladene LCM in einen Ofen und erhitzen Sie den Resonator mit einer Geschwindigkeit von drei Kelvin pro Minute auf 450 Grad Celsius zur Kalzinierung. Programmieren Sie eine Haltezeit von vier Stunden bei 450 Grad Celsius, gefolgt von einer Abkühlrate von ebenso, dort Kelvin pro Minute auf Raumtemperatur.

Tränken Sie dann das geladene LCM in einem Millimolar Ammoniumchlorid, um einen Ionenaustausch durchzuführen. Wiederholen Sie den Vorgang einmal, um den Ionenaustausch abzuschließen. Das beladene LCM wird erneut auf die gleiche Weise kalziniert, um das mit H-ZSM-5-Kristallen beladene LCM zu erhalten.

Legen Sie zunächst sowohl die Referenz- als auch die Proben-LCMs in die Halterung und stellen Sie sicher, dass die Resonanzfrequenzen erfasst werden können. Schließen Sie dann die Probenkammer und evakuieren Sie sie. Erhitzen Sie die LCMs über Nacht unter Vakuum, um den Zeolith zu aktivieren.

Stellen Sie die Temperatur in der Probenkammer für die Absorptionsmessungen auf 50 Grad Celsius ein und warten Sie, bis sich die Temperatur stabilisiert hat. Schließen Sie das Proben-LCM an den Oszillator an und messen Sie seine Resonanzfrequenz, um den Wert der Resonanzfrequenz des geladenen Proben-LCM zu erhalten. Schließen Sie dann den Oszillator an das Referenz-LCM an und messen Sie dessen Resonanzfrequenz, um den Wert der Resonanzfrequenz des Referenz-LCM zu erhalten.

Unter Verwendung der Sauerbrey-Gleichung und der gemessenen Differenzen in den Resonanzfrequenzen wird die Masse des H-ZSM-5 bestimmt, die auf dem Proben-LCM abgeschieden ist. Um mit den Absorptionsmessungen zu beginnen, füllen Sie die Probenkammer langsam mit dem ausgewählten Gas bis zum ersten gewünschten Druck. Sobald sich die Temperatur stabilisiert hat, messen und protokollieren Sie die Resonanzfrequenzen der Referenz- und Proben-LCMs.

Wiederholen Sie diese Messungen bei verschiedenen Drücken. Berechnen Sie für jede Messung die kombinierte Masse von H-ZSM-5 und dem absorbierten Gas unter Verwendung der Sauerbrey-Gleichung und subtrahieren Sie dann die abgeschiedene Masse von H-ZSM-5. Die Differenz ist die Masse des absorbierten Gases.

Verwenden Sie die berechneten Massen des absorbierten Gases bei jedem Druck, um die Gasabsorptionsisotherme bei dieser Temperatur zu bestimmen. Die mit diesem Verfahren ermittelten Kohlendioxid-Absorptionsisothermen werden mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate an ein Langmuir-Isothermenmodell mit nur einem Standort angepasst, aus dem die Absorptionsgleichgewichtskonstanten für jede Temperatur berechnet werden können. Diese Gleichgewichtskonstanten werden in einem Van't-Hoff-Diagramm verwendet, das die Absorptionsenthalpie und die Absorptionsentropie für Kohlendioxid in H-ZSM-5 liefert.

Die Absorptionsparameter von Kohlendioxid in H-ZSM-5 unter Verwendung dieser LCM-basierten Technik liegen nahe an den Literaturwerten, die für die Kohlendioxidabsorption in anderen MFI-Zeolithen berichtet wurden. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 30 Minuten für eine Messung durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist zu beachten, dass eine gute Temperaturkontrolle der Probe durch eine gute Isolierung der Probenkammer und die sorgfältige Vorwärmung des Fußgases entscheidend für eine hohe Messgleichheit ist.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die Zeolithkristalle auf der gewünschten Oberfläche des LCM synthetisieren und das LCM-Gerät für Hochtemperatur-Gasabsorptionsmessungen verwenden können. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit giftigen, brennbaren oder explosiven Materialien äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten, wie z. B. ein Abzug oder ein Handschuhfach. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik Forschern auf dem Gebiet der Katalyse oder Mikrofeststoffe den Weg, die Absorption von Mehrkomponentengasen zu erforschen, insbesondere bei hohen Temperatur- und Druckbedingungen.