Dispositivo de adsorción Basado en una microbalanza de cristal Langatate de alta temperatura y alta presión de adsorción de gas en la zeolita H-ZSM-5

El objetivo general de este experimento es obtener isotermas de absorción a alta temperatura de gases en zeolita H-ZSM-5, u otros materiales microporosos, utilizando un dispositivo de medición de absorción basado en una microbalanza de cristal de langatato. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la medición de la absorción de gas a alta temperatura de materiales microporosos, como por ejemplo cómo sintetizar materiales microporosos en nuestra microbalanza oscilante de alta frecuencia. La principal ventaja de un método basado en microbalanza oscilante de alta frecuencia es que es más asequible que un método formatico y un método gravimétrico comercializados.

La principal ventaja de una microbalanza de cristal de langato sobre una microbalanza de cristal cuádruple es que no se limita a temperaturas inferiores a 80 grados centígrados. El alcance objetivo aquí es de 200 a 300 grados centígrados. Para comenzar el procedimiento, lave a fondo dos LCM con agua desionizada.

A continuación, limpie los LCM en un baño de ultrasonidos con agua desionizada y séquelos en un horno a 80 grados centígrados durante varios minutos. Mientras tanto, limpie el soporte LCM, las juntas tóricas y la cámara de muestras con acetona y aire comprimido. Coloque ambos LCM limpios y secos en el soporte de LCM limpio y seco y designe un LCM como referencia y otro como posición de la muestra.

A continuación, conecte el soporte LCM al oscilador mediante cables eléctricos resistentes a altas temperaturas. Preste especial atención a las posiciones de los LCM en el soporte, ya que solo las posiciones adecuadas garantizan que se puedan detectar las frecuencias de resonancia. Finalmente, encienda el oscilador.

Usando el software del oscilador, verifique la presencia de frecuencias de resonancia para ambos LCM. Cierre, aísle y evacúe la cámara de muestras. Evacúe y purgue la cámara con gas nitrógeno varias veces y luego ajuste la presión de la cámara a la presión más baja que se va a probar.

Una vez que la presión se haya estabilizado, ajuste la temperatura de la cámara a la temperatura más baja que se va a probar. Una vez que la temperatura se haya estabilizado, mida las frecuencias de resonancia de ambos LCM utilizando un modelo de circuito equivalente a Butterworth Van Dyke instalado por el software del oscilador. Determine y registre el valor F-0.

Luego, agregue lentamente gas nitrógeno para presurizar la cámara de muestra a la siguiente presión que se va a probar. Espere a que la presión se estabilice antes de obtener el valor delta F-0. Repita este proceso para cada presión que se vaya a probar.

Obtenga los valores de delta F-0 para cada temperatura para la que se determinará una isoterma de esta manera. Prepare una mezcla de síntesis de zeolita H-ZSM-5 como se describe en el protocolo de texto. Una vez preparada, la mezcla debe utilizarse en un plazo de cinco horas.

Con una pipeta, coloque con cuidado varias gotas de la mezcla de zeolita en el electrodo de oro central del LCM de muestra. No permita que la mezcla entre en contacto con los puntos de conexión del oscilador en los electrodos de oro exteriores. Seque el LCM cargado en un horno a 80 grados centígrados durante dos horas para producir un gel viscoso en el electrodo.

Coloque 10 mililitros de agua desionizada en un reactor de autoclave revestido de PTFE. Luego, coloque un soporte de PTFE en el reactor. Coloque el LCM cargado en el soporte, asegurándose de que el LCM no entre en contacto con el agua líquida, y cierre el reactor de autoclave.

Transfiera con cuidado el reactor de autoclave a un horno. Calentar el reactor a 150 grados centígrados durante 48 horas para realizar la cristalización asistida por vapor. Una vez completada la cristalización, lave el LCM cargado con agua desionizada y séquelo en un horno.

Luego, deje que el LCM se enfríe a temperatura ambiente. Coloque el LCM cargado en un horno y, a una velocidad de tres Kelvin por minuto, caliente el resonador a 450 grados Celsius para la calcinación. Programe un tiempo de espera de cuatro horas a 450 grados centígrados, seguido de una velocidad de enfriamiento de igual a igual, Kelvin por minuto a temperatura ambiente.

Luego, sumerja el LCM cargado en un milimolar de cloruro de amonio para realizar el intercambio iónico. Repita el proceso una vez para completar el intercambio iónico. Calcinar el LCM cargado una vez más por el mismo método para obtener el LCM cargado con cristales H-ZSM-5.

En primer lugar, coloque los LCM de referencia y de muestra en el soporte y asegúrese de que se puedan detectar las frecuencias de resonancia. A continuación, cierre y evacúe la cámara de muestras. Caliente los LCM durante la noche al vacío para activar la zeolita.

Ajuste la temperatura en la cámara de muestras a 50 grados centígrados para las mediciones de absorción y espere a que la temperatura se estabilice. Conecte el LCM de muestra al oscilador y mida su frecuencia de resonancia para obtener el valor de la frecuencia de resonancia del LCM de muestra cargado. A continuación, conecte el oscilador al LCM de referencia y mida su frecuencia de resonancia para obtener el valor de la frecuencia de resonancia del LCM de referencia.

Utilizando la ecuación de Sauerbrey y las diferencias medidas en las frecuencias de resonancia, determine la masa del H-ZSM-5 depositado en la muestra LCM. Para comenzar las mediciones de absorción, llene lentamente la cámara de muestra con el gas seleccionado hasta la primera presión deseada. Una vez que la temperatura se haya estabilizado, mida y registre las frecuencias de resonancia de los LCM de referencia y de muestra.

Repita estas mediciones a varias presiones diferentes. Para cada medición, calcule la masa combinada de H-ZSM-5 y el gas absorbido utilizando la ecuación de Sauerbrey y luego reste la masa depositada de H-ZSM-5. La diferencia es la masa del gas absorbido.

Utilice las masas calculadas del gas absorbido a cada presión para determinar la isoterma de absorción de gas a esa temperatura. Las isotermas de absorción de dióxido de carbono determinadas por este procedimiento se ajustan por un método de mínimos cuadrados a un modelo de isoterma de Langmuir de un solo sitio, a partir del cual se pueden calcular las constantes de equilibrio de absorción para cada temperatura. Estas constantes de equilibrio se utilizan en un gráfico de Van't Hoff, que proporciona la entalpía de absorción y la entropía de absorción para el dióxido de carbono en H-ZSM-5.

Los parámetros de absorción de dióxido de carbono en H-ZSM-5 utilizando esta técnica basada en LCM están cerca de los valores reportados en la literatura para la absorción de dióxido de carbono en otras zeolitas de tipo MFI. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en 30 minutos para una medición si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que un buen control de la temperatura de la muestra mediante un buen aislamiento de la cámara de muestras y el precalentamiento cuidadoso del gas pies es crucial para una alta igualdad de medición.

Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo sintetizar los cristales de zeolita en la superficie deseada del LCM y usar el dispositivo LCM para mediciones de absorción de gas a alta temperatura. No olvide que trabajar con materiales tóxicos, inflamables o explosivos puede ser extremadamente peligroso y siempre se deben tomar precauciones, como una retención de humos o una guantera mientras se realiza este procedimiento. Tras su desarrollo, esta técnica abrió el camino para que los investigadores en el campo de la catálisis o los microprosólidos exploraran la absorción de gases multicomponantes, especialmente en condiciones de alta temperatura y presión.