Adsorption dispositif basé sur un cristal Microbalance langatate pour haute température à haute pression de gaz Adsorption dans Zeolite H-ZSM-5

L’objectif global de cette expérience est d’obtenir des isothermes d’absorption à haute température de gaz sur la zéolite H-ZSM-5, ou d’autres matériaux microporeux, à l’aide d’un appareil de mesure d’absorption basé sur une microbalance cristalline de langatate. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la mesure de l’absorption de gaz à haute température de matériaux microporeux, telles que la synthèse de matériaux microporeux sur notre microbalance oscillante à haute fréquence. Le principal avantage d’une méthode basée sur une microbalance oscillante à haute fréquence est qu’elle est plus abordable qu’une méthode formatique et gravimétrique commercialisée.

Le principal avantage d’une microbalance à cristaux de langatate par rapport à une microbalance à cristaux quadruples est qu’elle n’est pas limitée à des températures inférieures à 80 degrés Celsius. La portée cible ici est de 200 à 300 degrés Celsius. Pour commencer la procédure, lavez soigneusement deux LCM avec de l’eau déminéralisée.

Nettoyez ensuite les LCM dans un bain à ultrasons avec de l’eau déminéralisée et séchez-les dans un four à 80 degrés Celsius pendant plusieurs minutes. Pendant ce temps, nettoyez le support LCM, les joints toriques et la chambre d’échantillonnage avec de l’acétone et de l’air comprimé. Placez les deux LCM propres et secs sur le support de LCM propre et sec et désignez un LCM comme référence et un autre comme position de l’échantillon.

Ensuite, connectez le support LCM à l’oscillateur par des câbles électriques résistants aux hautes températures. Portez une attention particulière à la position des LCM sur le support, car seules les positions appropriées permettent de détecter les fréquences de résonance. Enfin, allumez l’oscillateur.

À l’aide du logiciel de l’oscillateur, vérifiez la présence de fréquences de résonance pour les deux LCM. Fermez, isolez et évacuez la chambre d’échantillonnage. Évacuez et purgez plusieurs fois la chambre avec de l’azote gazeux, puis réglez la pression de la chambre à la pression la plus basse à tester.

Une fois la pression stabilisée, réglez la température de la chambre à la température la plus basse à tester. Une fois la température stabilisée, mesurez les fréquences de résonance des deux LCM à l’aide d’un modèle de circuit équivalent à Butterworth Van Dyke monté par le logiciel de l’oscillateur. Déterminez et enregistrez la valeur F-0.

Ensuite, ajoutez lentement de l’azote gazeux pour pressuriser la chambre d’échantillonnage à la prochaine pression à tester. Attendez que la pression se stabilise avant d’obtenir la valeur delta F-0. Répétez ce processus pour chaque pression à tester.

Obtenez des valeurs delta F-0 pour chaque température pour laquelle une isotherme sera déterminée de cette manière. Préparez un mélange de synthèse de zéolite H-ZSM-5 comme décrit dans le protocole de texte. Une fois préparé, le mélange doit être utilisé dans les cinq heures.

À l’aide d’une pipette, placez soigneusement plusieurs gouttes du mélange de zéolite sur l’électrode d’or centrale du LCM de l’échantillon. Ne laissez pas le mélange entrer en contact avec les points de connexion de l’oscillateur sur les électrodes extérieures en or. Faites sécher le LCM chargé dans un four à 80 degrés Celsius pendant deux heures pour obtenir un gel visqueux sur l’électrode.

Placez 10 millilitres d’eau déminéralisée dans un réacteur autoclave doublé de PTFE. Ensuite, placez un support en PTFE dans le réacteur. Placez le LCM chargé sur le support, en veillant à ce qu’il n’entre pas en contact avec l’eau liquide, et fermez le réacteur de l’autoclave.

Transférez soigneusement le réacteur de l’autoclave dans un four. Chauffez le réacteur à 150 degrés Celsius pendant 48 heures pour effectuer la cristallisation assistée par vapeur. Une fois la cristallisation terminée, lavez le LCM chargé avec de l’eau déminéralisée et séchez-le dans un four.

Ensuite, laissez le LCM refroidir à température ambiante. Placez le LCM chargé dans un four et à une vitesse de trois Kelvin par minute, chauffez le résonateur à 450 degrés Celsius pour la calcination. Programmez un temps de maintien de quatre heures à 450 degrés Celsius, suivi d’un taux de refroidissement de même, il Kelvin par minute à température ambiante.

Ensuite, trempez le LCM chargé dans un chlorure d’ammonium millimolaire pour effectuer l’échange d’ions. Répétez le processus une fois pour terminer l’échange d’ions. Calcinez à nouveau le LCM chargé par la même méthode pour obtenir le LCM chargé de cristaux H-ZSM-5.

Tout d’abord, placez les LCM de référence et d’échantillon dans le support et assurez-vous que les fréquences de résonance peuvent être détectées. Ensuite, fermez et évacuez la chambre d’échantillonnage. Chauffez les LCM pendant la nuit sous vide pour activer la zéolite.

Réglez la température dans la chambre d’échantillonnage à 50 degrés Celsius pour les mesures d’absorption et attendez que la température se stabilise. Connectez le LCM de l’échantillon à l’oscillateur et mesurez sa fréquence de résonance pour obtenir la valeur de la fréquence de résonance du LCM de l’échantillon chargé. Ensuite, connectez l’oscillateur au LCM de référence et mesurez sa fréquence de résonance pour obtenir la valeur de la fréquence de résonance du LCM de référence.

À l’aide de l’équation de Sauerbrey et des différences de fréquences de résonance mesurées, déterminez la masse du H-ZSM-5 déposée sur le LCM de l’échantillon. Pour commencer les mesures d’absorption, remplissez lentement la chambre d’échantillonnage avec le gaz sélectionné jusqu’à la première pression souhaitée. Une fois la température stabilisée, mesurez et enregistrez les fréquences de résonance des LCM de référence et de l’échantillon.

Répétez ces mesures à plusieurs pressions différentes. Pour chaque mesure, calculez la masse combinée de H-ZSM-5 et du gaz absorbé à l’aide de l’équation de Sauerbrey, puis soustrayez la masse déposée de H-ZSM-5. La différence est la masse du gaz absorbé.

Utilisez les masses calculées du gaz absorbé à chaque pression pour déterminer l’isotherme d’absorption du gaz à cette température. Les isothermes d’absorption du dioxyde de carbone déterminées par cette procédure sont ajustés par la méthode des moindres carrés à un modèle isotherme de Langmuir à un seul site, à partir duquel les constantes d’équilibre d’absorption peuvent être calculées pour chaque température. Ces constantes d’équilibre sont utilisées dans un graphique de Van’t Hoff, qui fournit l’enthalpie d’absorption et l’entropie d’absorption pour le dioxyde de carbone dans H-ZSM-5.

Les paramètres d’absorption du dioxyde de carbone dans H-ZSM-5 à l’aide de cette technique basée sur le LCM sont proches des valeurs publiées pour l’absorption du dioxyde de carbone dans d’autres zéolithes de type MFI. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 30 minutes pour une mesure si elle est effectuée correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler qu’un bon contrôle de la température de l’échantillon grâce à une bonne isolation de la chambre d’échantillonnage et à un préchauffage minutieux du gaz des pieds est crucial pour une grande égalité de mesure.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de synthétiser les cristaux de zéolite sur la surface souhaitée du LCM et d’utiliser l’appareil LCM pour les mesures d’absorption de gaz à haute température. N’oubliez pas que travailler avec des matériaux toxiques, inflammables ou explosifs peut être extrêmement dangereux et que des précautions, telles qu’une retenue de fumée ou une boîte à gants, doivent toujours être prises lors de cette procédure. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la catalyse ou des microprosolides pour explorer l’absorption de gaz multicomposants, en particulier dans des conditions de température et de pression élevées.