מאמר שיטה

מבנה אורגני-מכוון סוכן-סינתזה חינם עבור * בי-סוג Zeאוליט ממברנה

13.7K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/60500

⸱

22 בפברואר 2020

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

במאמר זה

סיכום

A * הגביש הזרע בי היה טעון על התמיכה הנקבובי α-Al2O3 על ידי השיטה ציפוי לטבול, ו הידרותרמית גדל ללא שימוש במבנה אורגני מבנה הסוכן. A * בי-סוג זאוליט קרום שיש פגמים מעטים מאוד היה מוכן בהצלחה על ידי שיטת הצמיחה המשנית.

תקציר

הפרדת ממברנה המירה את תשומת הלב כתהליך הפרדה בין האנרגיה החדשנית. לממברנות זאוליט פוטנציאל רב להפרדת הפחמימנים בשדות נפט ופטרוכימית בגלל הכוח התרמי, הכימי והמכני הגבוה שלהם. A * בי-סוג זאוליט הוא חומר ממברנה מעניין בגלל גודל הנקבוביות הגדולות שלה רחב Si/Al טווח. כתב יד זה מציג פרוטוקול של * בי ממברנה הכנה ההכנה על ידי שיטת צמיחה משנית שאינה משתמשת מבנה אורגני-מכוון סוכן (OSDA). פרוטוקול ההכנה מורכב מארבעה שלבים: טיפול מקדים בתמיכה, הכנה לזרעים, ציפוי מטבל והתגבשות ממברנה. ראשית, * הגביש הזרע בי מוכן על ידי סינתזה הידרותרמית קונבנציונאלי באמצעות OSDA. גביש הזרע מסונתז נטען על פני השטח החיצוני של 3 ס מ הכרישים ארוך באורך α-Al2O3 תמיכה בשיטת ציפוי טבילה. שכבת הזרע טעון מוכן עם שיטת הצמיחה המשנית באמצעות טיפול הידרותרמי ב 393 K במשך 7 ימים ללא שימוש OSDA. ממברנה של * בי יש פגמים מעטים מאוד מושגת בהצלחה. הכנת הזרעים ושלבי הציפוי משפיעים בחריפות על איכות הממברנה.

מבוא

הפרדת ממברנה הפכה את תשומת הלב לתהליך הפרדה של האנרגיה החדשנית. סוגים רבים של ממברנות פותחו בעשורים האחרונים. ממברנות פולימריים שימשו רבות להפרדת הגז, ליצירת מים לשתיה ממים ימיים1, וטיפול בשפכים2.

חומרים ממברנות אורגניים כמו סיליקה3, מסננת פחמן מולקולרי4, ו זאוליט יש יתרונות עבור תרמית, כימית, וחוזק מכני לעומת ממברנות פולימריים. לכן, ממברנות אורגניים נוטים לשמש בתנאים חמורים יותר, כגון הפרדת פחמימנים בשדות נפט פטרוכימיים.

לזאוליט יש מאפיינים ייחודיים וניפוי מולקולריים בגלל המיקרונקבוביות שלה. בנוסף, לזאוליט יש יכולת החלפת קטיון שתורמת לשליטה בתכונות הניפוי והמולקולריות של זאוליט. מספר הלישות בזאוליט נקבע על ידי יחס Si/אל של מבנה זאוליט. לפיכך, גודל המיקרונקבוביות ויחס סי/אל הם מאפייני מפתח הקובעים את מאפייני החדירות וההפרדה של ממברנות זאוליט. מסיבות אלו, זאוליט הוא סוג מבטיח של חומר ממברנה אי-אורגנית. כמה ממברנות זאוליט כבר ממוסחר עבור התייבשות של ממיסים אורגניים בשל hydrophilicity שלהם וניפוי מולקולרית נכסים5,6,7,8.

* בי-סוג זאוליט הוא חומר ממברנה מעניין בגלל גודל הנקבוביות הגדולות שלה טווח Si/Al רחב. * בי יש בדרך כלל הוכנו על ידי טיפול הידרותרמי באמצעות הידרוקסיד טטראתילאמונייום כמו מבנה אורגני-הנחיית סוכן (OSDA). עם זאת, שיטת הסינתזה באמצעות OSDA יש חסרונות כלכליים וסביבתיים. לאחרונה, שיטה בסיוע זרע לסינתזה של * בי ללא שימוש osda דווח9,10.

* בי הוא גביש הגידול של פולימורף A ו פולימורף B. ובכך, "*" מייצג חומר התפתחות. כיום, אין חומרים בתפזורת המורכב רק של פולימורף A או B ידוע.

הכנו בהצלחה * ממברנות בי מבלי להשתמש OSDA על ידי שינוי זרע שיטה בסיוע11. הממברנה * בי היו מעטים מאוד והציגו ביצועי הפרדה גבוהים עבור פחמימנים בשל האפקט ניפוי המולקולרי שלה. ידוע היטב כי calcination כדי להסיר osda לאחר סינתזה היא אחת הסיבות השכיחות ביותר של היווצרות פגם ב זאוליט ממברנות12,13. הממברנה שלנו * בי מוכן ללא שימוש OSDA הראה טוב הפרדה ביצועים אולי בגלל זה צעד calcination היה דילג.

הכנת ממברנות זאוליט מבוססת על ידע וניסיון שנצבר במעבדה. כתוצאה מכך, קשה למתחילים לסנתז ממברנות זאוליט בלבד. כאן, היינו רוצים לחלוק פרוטוקול של * בי ממברנה הכנה התייחסות לכל מי שרוצה להתחיל סינתזה הממברנה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנה לתמיכה

  1. טיפול מקדים בתמיכה
    1. גזור 3 ס"מ ארוך הכרישים נקבובי α-Al2O3 תמיכה (ראה טבלת חומרים).
    2. רוחצים את התמיכה במים מזוקקים במשך 10 דקות. לאחר מכן, לשטוף את התמיכה עם אצטון עבור 10 דקות. חזור על תהליך זה כביסה 2x.
      הערה: אל תגעו במשטח החיצוני של התמיכה לאחר שלב השטיפה. שום טיפול אחר לא בוצע (למשל, sonication, ו שפשוף על ידי נייר זכוכית, וכו ')
    3. מייבשים את התמיכה השטיפה ב-110 ° c בלילה לפני השימוש לציפוי מטבל.
      הערה: למדוד את המשקל של פיסת התמיכה לאחר ייבוש. משקל הקרום הסופי מחושב על ידי ההבדל במשקל התמיכה לפני ואחרי סינתזה הממברנה.

2. * ביאטריס הזרע סינתזה הגביש

  1. הכנת ג'ל לסינתזה של גביש זרעי
    1. הוסף 26.2 גרם של סיליקה קולאידית (ראה טבלה של חומרים) ו 8.39 g של הידרוקסיד הטמטונמוניום (TEAOH) (ראה טבלת חומרים) לתוך בקבוק 250 משנת-mL העשוי פוליפרופילן (פתרון a). מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי במשך 20 דקות ב-50 ° c באמבט מים. לאחר מכן, מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי עבור 20 דקות בטמפרטורת החדר.
    2. הוסף 8.39 g של TEAOH, 5.79 g של מים מזוקקים, 1.08 g של NaOH (ראה טבלת חומרים), ו 0.186 g של naoh2 (ראה שולחן החומרים) לתוך גביע טפלון (פתרון B). מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי עבור 20 דקות בטמפרטורת החדר.
    3. הוסף פתרון B לפתרון A בבקבוק 250 mL. התערובת של הפתרון A ו-B יהיה חלבי. כסה את הבקבוק ולנער אותו במרץ ביד עבור 5 דקות. לאחר מכן, מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי עבור 24 שעות בטמפרטורת החדר. ג'ל שהושג לאחר 24 שעות של ערבוב נקרא ג'ל סינתזה.
      הערה: לא ניתן לערבב את התמיסה החלבית עם מערבב מגנטי בתחילה, משום שהוא יוצר ג'ל קשיח. 5 דקות לרעוד ביד עושה את הפתרון החלבי רך מאפשר ערבוב עם שטירר מגנטי. ההרכב הסופי של ג'ל סינתזה הוא 24Na2o: 1al2o3: 200Sio2: 60TEAOH: 2905h2o.
  2. תגבשות
    1. יוצקים את ג'ל הסינתזה לתוך החיטוי מרופדת טפלון. מניחים את החיטוי בתנור אוויר ב 100 ° c עבור 7 ימים.
  3. רעבוני
    1. כיבוי החיטוי עם מים זורמים עבור 30 דקות לאחר התגבשות.
  4. סינון
    1. להסיר את המשקע הלבן ב החיטוי על ידי סינון. שטוף את המשקע הלבן עם 200 מ ל של מים רותחים כדי להסיר חומרים אמורפיים ובלתי מתגבדים. מייבשים את המשקע ב-110 ° c למשך הלילה. המשקע היבש הוא גביש הזרע.
      הערה: השתמשו במסנן רשת שינוי 200 ננומטר (ראו טבלת חומרים) כדי להשיג את הגביש. יחס Si/אל של הגביש המתקבל היה ~ 19 כפי שנותחו על ידי אנרגיה מפזרים רנטגן הספקטרומטריה (EDX). כ 2.3 g של גביש הזרע הושגה על ידי סינתזה אחת. הליך ההכנה מתייחס לדו ח הקודם של שוסטק ואח ' עם כמה שינויים14.
  5. * ביאטריס זרע הכנה לציפוי מטבל
    1. הוסף 0.50 גרם של גבישי זרעים לתוך 100 מ ל של מים מזוקקים כדי להכין 5 g/L זרעי משקה. ביצוע sonication של הזרע מתוך 1 h כדי לפזר את גבישי הזרעים.

3. זריעת התמיכה בציפוי מטבל

  1. הגדר תמיכה עבור ציוד ציפוי מטבל.
    1. תקן תמיכה צינורי עם מוט נירוסטה באמצעות סרט טפלון כדי לחבר את החלק הפנימי של התמיכה.
  2. ציפוי מטבל
    1. יוצקים את הזרע משקה לתוך צינור זכוכית עם קוטר 19 מ"מ. הישאב את התמיכה הקבועה לתוך הזרע שנשפך והמתן 1 דקות. לאחר מכן, לסגת את הזרע לטבול אנכית ב ~ 3 ס מ/s. יבש את התמיכה ב 70 ° c עבור 2 h לאחר ציפוי מטבל.
      הערה: תהליך ציפוי הטבילה המוצג ב3.2.1 הופעל על 2x. פרוטוקול זה משתמש בציוד תוצרת בית לציפוי מטבל. צד אחד של צינור זכוכית מחובר עם כובע סיליקון עם ברז ממנו משקה הזרע יכול להיות מסוגר. הפרטים על ציוד ציפוי מטבל מסופקים בווידאו.
  3. 3. קלקינציה
    1. הקלצין את התמיכה מצופה מטבל ב 530 ° צלזיוס עבור 6 ה.
      הערה: שלב הקלקינציה נעשה כדי להסיר OSDA חסימת מיקרונקבוביות של גבישי הזרעים וכימיקלים לאגד את הזרעים על פני השטח תמיכה. להגדיל ולהקטין את שיעורי הטמפרטורה של השלב calcination היו 50 ° c/min.
  4. מדידת המשקל של גביש הזרע על התמיכה
    1. לאחר calcination למדוד את המשקל של התמיכה. כמות גביש הזרע שנטענה מחושבת לפי ההפרש במשקל התמיכה לפני ואחרי ציפוי מטבל.
      הערה: המשקל הממוצע של גביש הזריעה הטעון על תמיכה הוא ~ 17 מ ג.

4. * בי ממברנה הכנה על ידי שיטת גדילה משנית

  1. הכנה לסינתזה של ג'ל
    1. הוסף 92.9 g של מים מזוקקים, 9.39 g של NaOH, ו 1.15 g של Naoh2O לתוך בקבוק פוליפרופילן 250 mL. מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי במשך 30 דקות ב-60 ° c באמבט מים. לאחר מכן, להוסיף 81.6 g של סיליקה מבחינה קולאידית בצורה החורגת לתוך התערובת. מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי במשך 4 שעות ב 60 ° c באמבט מים. ג'ל המתקבל לאחר ערבוב עבור 4 h נקרא ג'ל סינתזה.
      הערה: סיליקה קולטראידית התווסף באיטיות בקצב של טיפה אחת (~ 0.05 g) לשנייה. ההרכב הסופי של ג'ל סינתזה היא 30Na2o: 1al2o3: 100sio2: 2000h2o. הליך ההכנה של ג'ל הסינתזה מבוסס על קאמאימורה ואח ' עם כמה שינויים9.
  2. תגבשות
    1. יוצקים את ג'ל הסינתזה לתוך טפלון מרופדת כאשר התמיכה הנזרע ממוקם אנכית. החיטוי ממוקם בתוך תנור אוויר ב 120 ° c עבור 7 ימים.
  3. רעבוני
    1. כיבוי החיטוי עם מים זורמים עבור 30 דקות לאחר התגבשות.
  4. כביסה וייבוש
    1. רוחצים את הקרום במים רותחים במשך 8 שעות ויבש בן לילה. . זו קרום בי. בי. בי
  5. מדידת משקל הקרום
    1. לאחר ייבוש, למדוד את המשקל של הקרום המוכן. משקל הקרום מחושב על ידי ההבדל במשקל התמיכה לפני ואחרי התגבשות.
      הערה: המשקל הממוצע של קרום * בי על כל תמיכה הוא ~ 74 mg.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 1 מציג את הליך ההכנה של גביש הזרע של "בי". איור 2 מציג את התבנית של עקיפה לקרני רנטגן (xrd) של גביש הזרע של בי. פסגות השתקפות חזקה של (101) ו (302) סביב 2q = 7.7 ו-22.1 ° הופיעו. בנוסף, אין השתקפות ברורה פסגות אחר מאשר * בי-סוג זאוליט נצפו. תוצאות אלה הראו כי השלב הטהור של * ביאטריס זאוליט היה מסונתז בהצלחה.

תמונה טיפוסית FE-SEM של גביש הזרע מסונתז מוצג באיור 3. קריסטלים של זרעי כדוריות נצפו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

ישנם סוגים רבים של Si ו-אל מקורות סינתזה של זאוליט. עם זאת, אנחנו לא יכולים לשנות את חומרי הגלם להכנה של קרום זה * בי סוג. אם משתנים חומרי גלם, ניתן לשנות את השלב של זאוליט ו/או קצב הצמיחה.

לא ניתן להשתמש בכוסות זכוכית לצורך סינתזה של הכנת ג'ל, משום שלג'ל הסינתזה יש סיסיות גבוהה. בקבוקי פוליאתילן, פוליפרופילן, ו טפלון ניתן להשתמש במקום.

כדי להכין ממברנה באיכות גבוהה * בי, שכבת זרעים אחידה על המשטח החיצוני של תמיכה צינורי הוא חיוני. גודל גבישי הזרעים והפצתם שלהם הם ד...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

. למחברים אין מה לגלות

תודות

עבודה זו היתה נתמכת חלקית על ידי JST קרסט (יפן מדע וטכנולוגיה הסוכנות, יצירת זרעים טכנולוגיים מהפכני עבור תוכנית חדשנות במדע וטכנולוגיה), גרנט מספר JPMJCR1324, יפן.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
a-Al2O3 תמיכהב-Noritake Co. Ltd.NS-1גודל נקבוביות ממוצע, 150 ננומטר; קוטר חיצוני, 10 מ"מ; קוטר פנימי, 7 מ"מ
סיליקה קולואידיתניסאן כימיקלST-SSiO2 30.5%, Na2O 0.44%, H2O 69.1%
מסנן רשת (ממברנת PTFE)OmniporeJGWP04700גודל נקבוביות, 200 ננומטר
NaAl2OKanto Chemical34095-01Na2O 31.0-35.0%; Al2O3 34.0-39.0%
NaOHKanto Chemical37184-0097%
Tetraethylammonium hydroxideSigma-Aldrich302929-500ML35 wt% תמיסה

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

BEAX

מאמרים קשורים