Dispositivo de adsorção Baseado em um Langatate Microbalança de Cristal de alta temperatura de adsorção de gás de alta pressão em Zeolite H-ZSM-5

O objetivo geral deste experimento é obter isotermas de absorção de alta temperatura de gases em Zeólita H-ZSM-5, ou outros materiais microporosos, usando um dispositivo de medição de absorção baseado em uma microbalança de cristal langatato. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da medição de absorção de gás de alta temperatura de materiais microporosos, como sintetizar materiais microporosos em nossa microbalança oscilante de alta frequência. A principal vantagem de um método baseado em microbalança oscilante de alta frequência é que ele é mais acessível do que um método formatático e gravimétrico comercializado.

A principal vantagem de uma microbalança de cristal langatado sobre uma microbalança de cristal quádruplo é que ela não está limitada a temperaturas abaixo de 80 graus Celsius. O alcance alvo aqui é de 200 a 300 graus Celsius. Para iniciar o procedimento, lave bem dois LCMs com água deionizada.

Em seguida, limpe os LCMs em um banho de ultrassom com água deionizada e seque-os em um forno a 80 graus Celsius por vários minutos. Enquanto isso, limpe o suporte LCM, os anéis de vedação e a câmara de amostra com acetona e ar comprimido. Coloque os LCMs limpos e secos no suporte de LCM limpo e seco e designe um LCM como referência e outro como a posição da amostra.

Em seguida, conecte o suporte LCM ao oscilador por cabos elétricos resistentes a altas temperaturas. Preste atenção especial às posições dos LCMs no suporte, pois apenas as posições apropriadas garantem que as frequências de ressonância possam ser detectadas. Finalmente, ligue o oscilador.

Usando o software oscilador, verifique a presença de frequências de ressonância para ambos os LCMs. Feche, isole e evacue a câmara de amostra. Evacue e purgue a câmara com gás nitrogênio várias vezes e, em seguida, ajuste a pressão da câmara para a pressão mais baixa a ser testada.

Uma vez estabilizada a pressão, ajuste a temperatura da câmara para a temperatura mais baixa a ser testada. Uma vez que a temperatura tenha se estabilizado, meça as frequências de ressonância de ambos os LCMs usando um modelo de circuito equivalente Butterworth Van Dyke instalado pelo software do oscilador. Determine e registre o valor F-0.

Em seguida, adicione lentamente gás nitrogênio para pressurizar a câmara de amostra até a próxima pressão a ser testada. Aguarde até que a pressão se estabilize antes de obter o valor delta F-0. Repita este processo para cada pressão a ser testada.

Obter valores delta F-0 para cada temperatura para a qual uma isoterma será determinada desta forma. Prepare uma mistura de síntese de zeólita H-ZSM-5 conforme descrito no protocolo de texto. Depois de preparada, a mistura deve ser usada em até cinco horas.

Com uma pipeta, coloque cuidadosamente várias gotas da mistura de zeólita no eletrodo de ouro central do LCM da amostra. Não deixe a mistura entrar em contato com os pontos de conexão do oscilador nos eletrodos de ouro externos. Seque o LCM carregado em um forno a 80 graus Celsius por duas horas para obter um gel viscoso no eletrodo.

Coloque 10 mililitros de água deionizada em um reator de autoclave revestido com PTFE. Em seguida, coloque um suporte de PTFE no reator. Coloque o LCM carregado no suporte, certificando-se de que o LCM não entre em contato com a água líquida, e feche o reator da autoclave.

Transfira cuidadosamente o reator de autoclave para um forno. Aqueça o reator a 150 graus Celsius por 48 horas para realizar a cristalização assistida por vapor. Quando a cristalização estiver concluída, lave o LCM carregado com água deionizada e seque-o em um forno.

Em seguida, deixe o LCM esfriar até a temperatura ambiente. Coloque o LCM carregado em um forno e, a uma taxa de três Kelvin por minuto, aqueça o ressonador a 450 graus Celsius para calcinação. Programe um tempo de espera de quatro horas a 450 graus Celsius, seguido por uma taxa de resfriamento da mesma forma, há Kelvin por minuto à temperatura ambiente.

Em seguida, mergulhe o LCM carregado em um cloreto de amônio milimolar para realizar a troca iônica. Repita o processo uma vez para completar a troca iônica. Calcine o LCM carregado mais uma vez pelo mesmo método para obter o LCM carregado com cristais H-ZSM-5.

Primeiro, coloque os LCMs de referência e de amostra no suporte e certifique-se de que as frequências de ressonância possam ser detectadas. Em seguida, feche e evacue a câmara de amostra. Aqueça os LCMs durante a noite sob vácuo para ativar o Zeólito.

Ajuste a temperatura na câmara de amostra para 50 graus Celsius para as medições de absorção e espere que a temperatura se estabilize. Conecte o LCM de amostra ao oscilador e meça sua frequência de ressonância para obter o valor da frequência de ressonância do LCM de amostra carregado. Em seguida, conecte o oscilador ao LCM de referência e meça sua frequência de ressonância para obter o valor da frequência de ressonância do LCM de referência.

Usando a equação de Sauerbrey e as diferenças medidas nas frequências de ressonância, determine a massa do H-ZSM-5 depositado no LCM da amostra. Para iniciar as medições de absorção, encha lentamente a câmara de amostra com o gás selecionado até a primeira pressão desejada. Uma vez que a temperatura tenha se estabilizado, meça e registre as frequências de ressonância dos LCMs de referência e amostra.

Repita essas medições em várias pressões diferentes. Para cada medição, calcular a massa combinada de H-ZSM-5 e do gás absorvido utilizando a equação de Sauerbrey e, em seguida, subtrair a massa depositada de H-ZSM-5. A diferença é a massa do gás absorvido.

Utilizar as massas calculadas do gás absorvido a cada pressão para determinar a isoterma de absorção do gás a essa temperatura. As isotermas de absorção de dióxido de carbono determinadas por este método são ajustadas por um método de mínimos quadrados a um modelo de isoterma de Langmuir de um único local, a partir do qual as constantes de equilíbrio de absorção podem ser calculadas para cada temperatura. Essas constantes de equilíbrio são usadas em um gráfico de Van't Hoff, que fornece a entalpia de absorção e a entropia de absorção para o dióxido de carbono em H-ZSM-5.

Os parâmetros de absorção de dióxido de carbono em H-ZSM-5 usando esta técnica baseada em LCM estão próximos dos valores da literatura relatados para absorção de dióxido de carbono em outros zeólitos do tipo MFI. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em 30 minutos para uma medição, se for realizada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que um bom controle de temperatura da amostra por meio de um bom isolamento da câmara de amostra e o pré-aquecimento cuidadoso do gás dos pés é crucial para uma alta igualdade de medição.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como sintetizar os cristais de zeólita na superfície desejada do LCM e usar o dispositivo LCM para medições de absorção de gás em alta temperatura. Não se esqueça de que trabalhar com materiais tóxicos, inflamáveis ou explosivos pode ser extremamente perigoso e precauções, como uma retenção de fumaça ou um porta-luvas, devem ser sempre tomadas durante a execução deste procedimento. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores na área de catálise ou microprosólidos explorarem a absorção de gases multicomponentes, especialmente em condições de alta temperatura e pressão.