Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

جهاز الامتصاص واستنادا إلى Langatate كريستال توازن دقيق لدرجة حرارة عالية الضغط العالي امتزاز الغاز في الزيوليت H-ZSM-5

Published: August 25, 2016 doi: 10.3791/54413
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 1
1Institute for Micro Process Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2Institute of Chemical Reaction Engineering, University Erlangen-Nürnberg (FAU)

Abstract

نقدم جهاز درجات الحرارة العالية والضغط العالي قياس امتصاص الغاز على أساس ارتفاع وتيرة توازن دقيق تتأرجح (5 ميغاهيرتز langatate الكريستال توازن دقيق، LCM) واستخدامه لقياس امتصاص الغاز في الزيوليت H-ZSM-5. قبل القياسات الامتزاز، تم تصنيعه الزيوليت H-ZSM-5 بلورات على القطب الذهب في وسط لكم]، دون تغطية نقاط اتصال من الأقطاب الذهب إلى مذبذب، من خلال طريقة تبلور بمساعدة البخار (SAC)، بحيث تبقى بلورات الزيوليت تعلق على توازن دقيق تتأرجح مع الحفاظ electroconductivity جيدة من [لكم خلال القياسات الامتزاز. مقارنة مع توازن دقيق الكريستال الكوارتز التقليدية (QCM) الذي يقتصر على درجة حرارة أقل من 80 درجة مئوية، ولكم] يمكن تحقيق قياسات الامتزاز من حيث المبدأ في درجات حرارة تصل إلى 200-300 درجة مئوية (أي عند أو قريبة من درجة حرارة التفاعل من التطبيق الهدف من مرحلة واحدةالتوليف بورصة دبي للطاقة من الغاز الاصطناعي)، ونظرا لغياب التحولات البلورية مرحلة ما يصل الى نقطة انصهاره (1470 درجة مئوية). تم تطبيق نظام للتحقيق في امتصاص ثاني أكسيد الكربون 2، H 2 O، والميثانول، وثنائي ميثيل الإيثر (DME)، كل في الطور الغازي، على الزيوليت H-ZSM-5 في نطاق درجات الحرارة والضغط من 50-150 درجة مئوية، و 0-18 بار، على التوالي. وأظهرت النتائج أن الأيسوثرم امتصاص هذه الغازات في H-ZSM-5 يمكن تركيبها بشكل جيد من قبل انجميور من نوع الأيسوثرم الامتزاز. وعلاوة على ذلك، المعلمات الامتزاز تحديد، أي قدرات الامتصاص، المحتوى الحراري الامتزاز، والانتروبيا الامتزاز، مقارنة جيدا إلى البيانات الأدب. في هذا العمل، وأظهرت نتائج CO 2 كمثال.

Introduction

خصائص الامتزاز تؤثر بقوة على أداء المواد الحفازة، والمعرفة وبالتالي دقيقة من هذه الخصائص يمكن أن تساعد في توصيف وتصميم وتعظيم الاستفادة من هذه المواد. ومع ذلك، يتم الحكم على خصائص امتصاص عموما من القياسات الامتزاز واحد مكون في كثير من الأحيان في درجة حرارة الغرفة أو حتى في ظل الظروف النيتروجين السائل، وبالتالي امتدادا لحالات عملية قد تؤدي إلى انحراف شديد من السلوك الحقيقي. وفي قياسات امتصاص الموقعي على المواد الحفازة وخاصة في ارتفاع درجة الحرارة وظروف الضغط العالية، لا تزال تشكل تحديا كبيرا.

جهاز قياس الامتزاز على أساس توازن دقيق الكوارتز الكريستال (QCM) هو مفيد على الحجمي تجاريا وطرق الجاذبية في هذه الطريقة أنها غير دقيقة للغاية لتطبيقات الامتصاص الجماعية ومستقرة مرض في بيئة تسيطر عليها، وأكثر بأسعار معقولة 1-2. Howeveص، يقتصر تحليل QCM التقليدي إلى درجة حرارة أقل من 80 درجة مئوية 1-2. ومن أجل التغلب على هذا القيد، قمنا بتطوير جهاز قياس الامتزاز على أساس ارتفاع في درجة الحرارة عالية التردد توازن دقيق تتأرجح (langatate الكريستال توازن دقيق، لكم]) 3، والتي يمكن تحقيق قياسات الامتزاز من حيث المبدأ في درجات حرارة تصل إلى 200-300 درجة C، وذلك بسبب غياب التحولات البلورية مرحلة ما يصل الى نقطة انصهاره (1470 درجة مئوية) 4. ويمكننا تعريف المستخدمة في هذا العمل لديها AT-قطع (أي لوحة من الكريستال توازن دقيق تحتوي على محور س من الكريستال وارتفع بنسبة 35 ° 15 'من محور ض) وتردد الرنين من 5 ميغاهيرتز. تم تطبيق هذا الجهاز إلى قياس امتصاص ثاني أكسيد الكربون 2، H 2 O، والميثانول، وثنائي ميثيل الإيثر (DME)، كل في الحالة الغازية، على الزيوليت H-ZSM-5 في درجات حرارة تتراوح بين 50-150 درجة مئوية، ومجموعة الضغط من 0-18 شريط 3، الذي يهدف إلى validatiعلى نماذج محاكاة لتعظيم الاستفادة من bifunctional المحفزات الأساسية قذيفة لإنتاج مرحلة واحدة من بورصة دبي للطاقة من 5-6 الغاز الاصطناعي. كيفية تشغيل هذا الجهاز لقياس امتصاص الغاز المعروضة في قسم البروتوكول.

تم تصنيعه قبل القياسات الامتزاز، الزيوليت H-ZSM-5 البلورة (0.502 ملغ) في القطب الذهب في وسط [لكم من قبل تبلور بمساعدة البخار (SAC) طريقة وفقا لدي لا كنيسة وآخرون. 7، في مثل هذه الطريقة أن البلورة الزيوليت لا تزال تعلق على توازن دقيق تتأرجح. كما هو مبين في الشكل 1، ولكم] المستخدمة في جهاز قياس الامتصاص ومصقول أقطاب الذهب على كلا الجانبين، والتي تساعد على ربط لكم] إلى المذبذب. منذ بلورات الزيوليت على نقاط اتصال من الأقطاب الذهب إلى مذبذب من شأنه أن يقلل إلى حد كبير من electroconductivity (كما هو مبين في الشكل رقم 1)، وبالتاليحساسية قياس لكم]، أودعت الزيوليت H-ZSM-5 بلورات على LCM عبر طريقة SAC لا تغطي هذه النقاط اتصال 3. وتتلخص تفاصيل حول تركيب الزيوليت H-ZSM-5 على LCM لفترة وجيزة في قسم البروتوكول التالي ويظهر في بروتوكول الفيديو في التفاصيل.

Protocol

تنبيه: يرجى التشاور مع جميع بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في تركيب الزيوليت H-ZSM-5 هي شديدة السمية ومسرطنة. قد يكون النانوية مخاطر إضافية مقارنة مع نظرائهم الأكبر. الرجاء استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند تنفيذ رد فعل النانوية بما في ذلك استخدام الضوابط الهندسية (غطاء الدخان، صندوق قفازات) ومعدات الحماية الشخصية (النظارات الواقية والقفازات ومعطف المختبر، كامل طول السراويل مغلقة اصبع القدم أحذية). وعلاوة على ذلك، تولي اهتماما خاصا عندما أداء القياسات الامتزاز مع الميثانول وبورصة دبي للطاقة، بما ان كلا من المواد الخطرة القابلة للاشتعال والانفجار.

1. توليف الزيوليت H-ZSM-5 على LCM

  1. إعداد خليط التوليف الزيوليت
    ملاحظة: كان الخليط التوليف النهائي تكوين المولي التالية كما مقتبس من دي لا كنيسة وآخرون 7: 1 شافي 2: 50 H 2 O: 0.07 نا 2 O: 0.024 طن ​​سنويا 2 O: 0.005 آل 2 يا 3. وهكذا، فإن النظرية سي / آل نسبة المولي من الزيوليت توليفها H-ZSM-5 هو 100.
    1. حل 0.14 غرام هيدروكسيد الصوديوم في 20.30 ز دي المتأينة المياه عن طريق التحريك. بدلا من ذلك، مزيج 3.64 غرام من 1 M هيدروكسيد الصوديوم مع 16.8 ز دي المتأينة المياه.
    2. إضافة 1.16 ز tetrapropylammonium هيدروكسيد (TPAOH) حل، ويحرك حل حتى يبدو واضحا.
    3. إضافة 5.0 غرام رابع إيثيل orthosilicate (TEOS) حل قطرة قطرة، ويحرك حل حتى يبدو واضحا.
    4. حافظ على التحريك، في حين اضاف 0،09 غرام نترات الألومنيوم nonahydrate (آل (NO 3) 3 · 9H 2 O، الصلبة) إلى الحل.
    5. حافظ على التحريك حتى يذوب الصلبة nonahydrate نترات الألومنيوم. لاحظ أن إعداد الزيوليت تركيب خليط ينبغي أن تستخدم خلال 5 ساعة بسبب الشيخوخة لها.
  2. توليف الزيوليت ZSM-5 على LCM عبر SAC 3
  3. تنظيف LCM قبل تركيب الزيوليت
    1. غسل LCM تماما مع دي المتأينة المياه.
    2. وضع LCM في كوب مع الماء دي المتأينة، وتنظيفه في حمام بالموجات فوق الصوتية.
    3. تجفيف لكم] في 80 درجة مئوية في الفرن.
  4. توليف الزيوليت
    1. وضع بعناية عدة قطرات من أعد الخليط التوليف الزيوليت على القطب في وسط لكم] كما هو مبين في الشكل 1 باستخدام ماصة، منذ فقط الزيوليت المودعة في القطب الذهب يمكن أن تتسبب في التحول تردد الرنين للLCM 8. وعلاوة على ذلك، وتجنب نشر خليط التوليف على نقاط اتصال من الأقطاب الذهب إلى مذبذب، منذ الزيوليت على نقطة اتصال من شأنه أن يقلل إلى حد كبير من electroconductivity وبالتالي حساسية قياس لكم]. وبالإضافة إلى ذلك، وإزالة بلورات الزيوليت على نقاط الاتصال بعد depositioسوف ن تدمير الأقطاب.
    2. تجفيف لكم] مع خليط التوليف في 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة للحصول على مرحلة هلامية لزجة جدا على ذلك.
    3. إضافة كمية صغيرة من الماء دي المتأينة (حوالي 10 مل) في الأوتوكلاف اصطف تفلون (80 مل) من أجل إنتاج البخار خلال توليف الزيوليت.
    4. وضع صاحب تفلون في الأوتوكلاف، والذي يدعم LCM أفقيا فوق الماء السائل في الجزء السفلي من الأوتوكلاف خلال توليف الزيوليت.
    5. إبقاء الأوتوكلاف في الفرن على 150 درجة مئوية لمدة 48 ساعة لتجميع الزيوليت على LCM عبر طريقة SAC.
    6. مباشرة بعد SAC، وغسل LCM المغلفة مع الماء دي المتأينة وجففها في 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
    7. إزالة قالب العضوية في بلورات الزيوليت بواسطة التكليس في فرن درجة حرارة عالية في مناخ التأكسدي. برنامج الفرن على النحو التالي: أ) زيادة درجة الحرارة من المحيط إلى 450 درجة مئوية بمعدل 3 درجات مئوية دقيقة -1. ب) الحفاظ علىدرجة الحرارة في 450 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. ج) انخفاض درجة الحرارة من 450 درجة مئوية إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل 3 درجات مئوية دقيقة -1.
    8. حل 26.75 ز الأمونيوم كلوريد (NH 4 CL، الصلبة) في 0.4 L دي المتأينة المياه. إضافة المزيد من الماء دي المتأينة في حل بحيث NH 4 الكلور الحل النهائي هو 0.5 لتر ولديه تركيز 1 مول دسم -3.
    9. وضع LCM المغلفة في حل الكلور NH 4 (0.2 لتر) في كوب، والتبادل الأيوني نا-ZSM-5 بلورات المغلفة على LCM عند 20 درجة مئوية لمدة 2 ساعة. كرر التبادل الأيوني باستخدام 0.2 لتر جديد NH 4 الكلورين حل للحصول على NH 4 -ZSM 5 البلورات.
    10. الحصول على H-ZSM-5 عن طريق تحميص النهائي باستخدام نفس المعايير على النحو المذكور في الخطوة 1.2.2.7.

2. القياسات الامتزاز باستخدام القائمة على LCM قياس الامتزاز جهاز 3

ملاحظة: في هذا العمل، ولكم]دون طلاء واحدة مغطاة H-ZSM-5 (المعد في المقطع الأخير) يسمى "LCM إشارة" و "عينة لكم]"، على التوالي. وعلاوة على ذلك، ويطلق على [لكم عينة قبل ترسب الزيوليت "عينة LCM تفريغ". في منشور سابق في مجلة الكيمياء الفيزيائية C 3، وصفا تفصيليا للجهاز قياس امتصاص القائم على LCM يمكن العثور عليه. في هذا العمل، وقدم تشغيل الجهاز لقياس امتصاص الغاز في هذا البروتوكول القصير وعلى بروتوكول الفيديو في التفاصيل.

  1. التحضير قبل القياسات الامتزاز
    1. اختبارات على آثار الحرارة والضغط على الفرق في الترددات الرنانة من المرجعية ويمكننا تعريف عينة تفريغ
      1. تنظيف يا الدائري، صاحب لكم]، وحجرة العينة مع الأسيتون وضغط الهواء.
      2. وضع إشارة وتفريغ عينة يمكننا تعريف في كوب مع غير المتأينة المياه وتنظيفها في مايحمام trasound.
      3. وضع بعناية المرجع نظيفة ويمكننا تعريف عينة تفريغها على حامل لكم]، وهذا مرتبط إلى مذبذب عبر الكابلات الكهربائية مقاومة درجات الحرارة العالية.
      4. الاختبار التمهيدي ويمكننا تعريف تثبيتها باستخدام مذبذب لضمان أن الترددات الرنانة يمكن أن يتم الكشف عن بنجاح.
      5. إغلاق حجرة العينة، وإخلائه بواسطة مضخة فراغ.
      6. تغيير الضغط في حجرة العينة عن طريق الجرعات النقي N 2.
      7. السيطرة على درجة الحرارة داخل غرفة عينة بواسطة وحدة تحكم في درجة الحرارة.
      8. قياس الترددات الرنانة من المرجعية ويمكننا تعريف عينة تفرغ في نطاقات درجة الحرارة والضغط درس، أي 50-150 درجة مئوية و0-16 بار، من أجل معرفة تأثير درجة الحرارة والضغط على الفرق في الترددات الرنانة لل المرجعية ويمكننا تعريف عينة تفريغ ( المعادلة 2 في الخطوة 2.2.4). تظهر الاختبارات التي المعادلة 2 أصغر من 300 هرتز في نطاق الضغط من 0-16 بار). استخدام القيم تحدد من المعادلة 2 في المعادلة سوربري في الخطوة 2.2.4 لحساب كمية كثف من الغازات على الزيوليت.
    2. تفعيل عينة لكم]
      1. تنظيف يا الدائري، صاحب لكم]، وحجرة العينة مع الأسيتون وضغط الهواء.
      2. وضع لكم] إشارة في كوب مع دي المتأينة المياه، وتنظيفه في حمام بالموجات فوق الصوتية.
      3. وضع بعناية لكم] إشارة نظيفة وعينة [لكم على حامل لكم]، وهذا مرتبط إلى مذبذب عبر الكابلات الكهربائية مقاومة درجات الحرارة العالية.
      4. الاختبار التمهيدي لجيش التحرير الشعبى الصينىيمكننا تعريف الهندسة المدنية باستخدام مذبذب لضمان أن الترددات الرنانة يمكن أن يتم الكشف عن بنجاح.
      5. إغلاق حجرة العينة، وإخلائه بواسطة مضخة فراغ.
      6. تفعيل [لكم عينة في درجات حرارة عالية (50 درجة مئوية على الأقل أعلى من درجة حرارة القياسات الامتزاز، و 200 درجة مئوية في هذا العمل) في فراغ حالة بين عشية وضحاها لضمان أنه ليس هناك سوى كمية الغاز يكاد يذكر وكثف على H-ZSM-5 .
  2. قياسات الامتزاز
    ملاحظة: في هذا العمل، يتم تقديم قياس امتصاص ثاني أكسيد الكربون 2 عند 50 درجة مئوية لإعطاء مثال على ذلك. ويمكن الاطلاع على البيانات التي تم الحصول عليها من قياس (على سبيل المثال، الترددات الرنانة) والجماهير المحسوبة كثف CO 2 على H-ZSM-5 في الجدول S1 من معلومات دعم النشر السابق لدينا 3.
    1. ضبط درجة الحرارة داخل حجرة العينة في درجة الحرارة المطلوبة من adsorpti على قياسات (أي 50 ± 0.1 ° C) من خلال وحدة تحكم في درجة الحرارة، في ظل ظروف الفراغ، أي فقط مع كمية ضئيلة من الغاز كثف.
    2. ربط مذبذب إلى [لكم عينة، وقياس تردد الرنين من خلال برنامج دعم المذبذب عن طريق تركيب البيانات التجريبية مع بتروورث-فان دايك نموذج الدائرة المكافئة.
    3. تبديل اتصال من مذبذب إلى LCM المرجعية، وقياس ترددها الرنانة.
    4. استخدام الترددات الرنانة يقاس من العينة ومرجعية يمكننا تعريف ظل ظروف فراغ لتحديد كتلة H-ZSM-5 تترسب على LCM عينة (بدون الغاز كثف) وفقا للمعادلة سوربري 2، 8:
      المعادلة 3
      أين 413 / 54413eq4.jpg "/> هو الفرق في الكتلة في ز، المعادلة 5 هو عدد من التوافقي الذي هو الدافع وراء الكريستال (في هذه الدراسة، المعادلة 6 )، المعادلة 7 هو الفرق في الترددات الرنانة من يمكننا تعريف مرجعية وعينة في هرتز، المعادلة 2 هو الفرق من الترددات الرنانة بين المرجعية وتفريغ عينة [لكم في هرتز، المعادلة 8 هي كثافة من الكريستال langatate (6.13 ز سم -3) 4، المعادلة 9 هو فعال تشديد piezoelectrically معامل القص من الكريستال langatate (1.9 × 10 12 ز سم -1 ثانية -2) 4،/files/ftp_upload/54413/54413eq10.jpg "/> هو تردد الرنين للLCM المرجعية، أي LCM تفريغها، معادلة 11 ، منطقة LCM (1،539 سم 2) 3.
      ملاحظة: في هذا العمل، كتلة H-ZSM-5 المودعة في القطب الذهب في وسط LCM هي 0،502 ملغ، والذي يسبب تحولا تردد الرنين من 14100 هرتز عند 50 درجة مئوية.
    5. السيطرة على ضغط الغاز ثاني أكسيد الكربون 2 داخل حجرة العينة التي كتبها الجرعات الغاز النقي من اسطوانة الغاز عبر وحدة تحكم التدفق الجماعي (للميثانول وبورصة دبي للطاقة، من المبخر يدويا عن طريق صمام الجرعات في الغرفة)، أو عن طريق الإخلاء عن طريق مضخة فراغ . هنا، استخدام مجموعة ضغط من قياسات امتصاص ثاني أكسيد الكربون 2 من 0-16 شريط كما هو مبين في الشكل 2.
    6. انتظر حتى تم التوصل إلى شروط التوازن ودرجة حرارة ثابتة، على سبيل المثال، تتراوح درجة الحرارة خلال 50 ± 0.1 درجة مئوية.
    7. شاركnnect المذبذب إلى [لكم عينة، وقياس تردد الرنين لها بعد التعرض للغاز في ضغط معين.
    8. تبديل اتصال من مذبذب إلى LCM المرجعية، وقياس ترددها الرنانة في ظل نفس الظروف.
    9. وفقا للمعادلة سوربري هو مبين أعلاه، وحساب مجموع كتلة H-ZSM-5 تترسب على LCM عينة والغاز كثف على H-ZSM-5 تحت هذا الضغط الغاز. من خلال طرح كتلة H-ZSM-5 (بدون الغاز كثف) تحدد في الخطوة 2.2.4، كتلة CO 2 كثف على H-ZSM-5 يتم بموجبها الحصول على هذه ضغط الغاز.
    10. تكرار قياسات الترددات الرنانة لعينة ومرجعية يمكننا تعريف لضغوط متفاوتة، من أجل الحصول على جميع الجماهير من CO 2 كثف على عينة H-ZSM-5 تحت ضغوط الغاز المختلفة.
    11. وأخيرا، يجب الحصول على الأيسوثرم امتزاز الغاز عند 50 درجة مئوية في نطاق الضغط درس من 0-16 شريط عبر حساب كل الجماهير من CO 2 كثفعلى عينة H-ZSM-5 تحت ضغوط الغاز مختلفة وفقا لالخطوة 2.2.9.
    12. لالأيسوثرم الامتزاز في درجات حرارة أخرى، تغيير درجة حرارة ثابتة باستخدام وحدة تحكم في درجة الحرارة، وكرر الخطوات 2.2.1 إلى 2.2.11.
    13. تناسب الأيسوثرم الامتزاز مع نماذج الامتزاز مثل نماذج انجميور عبر طريقة المربعات الصغرى لتحديد معالم الامتزاز مثل قدرات الامتصاص، المحتوى الحراري الامتزاز، والانتروبيا الامتزاز (انظر المنشور السابق 3 والمعلومات الداعمة لها).

Representative Results

ويبين الشكل (1) والصور الفوتوغرافية، والمجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الصور من أجهزة الاستشعار LCM المغلفة وغير المغلفة (يسار)، وكذلك أنماطها حيود الأشعة السينية (XRD) (يمين). من على حد سواء، وعلى ضوء المجهر الإلكتروني (الشكل 1B وج)، ونقاط اتصال من الأقطاب الذهب إلى مذبذب وأقل مغطاة بلورات الزيوليت من منطقة وسط لكم]. معظم بلورات الزيوليت على رأس LCM استشعار معزولون وتظهر سمة التشكل تقريب زورق، مع (010) -plane تواجه في الغالب ما يصل. الى جانب ذلك، بعض البلورات تظهر بالإضافة إلى ذلك السلوك intergrowth نموذجي ( "بلورات توأمة"). وعلاوة على ذلك، تم التحقيق في تحميل H-ZSM-5 (سي / آل نسبة المولي من 100 وفقا لتكوين خليط التوليف) على الكريستال langatate بواسطة حيود الأشعة السينية والطول الموجي والتشتت الأشعة السينية (WDX) الطيفي 3.

في الشكل 2، CO 2 الأيسوثرم الامتزاز لH-ZSM-5 الزيوليت التي تم الحصول عليها مع الجهاز [لكم في درجات حرارة تتراوح بين 50-150 درجة مئوية، ومجموعة الضغط من 0-16 بار، بالإضافة إلى نوبة من موقع واحد انجميور نموذج الأيسوثرم إلى البيانات التجريبية، وتبين أن إعطاء مثال تمثيلي. كما هو مبين في الشكل 2، تم تركيب الأيسوثرم الامتزاز العزم من CO 2 مع موقع الأيسوثرم انجميور واحد أيضا. ويبين الشكل 3 المخطط من قانون الجنسية (K 'ط) مقابل 1،000 / T للCO 2 على النحو المستمد من الأيسوثرم الامتزاز، بعبارة أخرى، الاعتماد درجة حرارة الثوابت الامتزاز تحديد من يصلح للالأيسوثرم الامتزاز. تم تحديد المحتوى الحراري الامتزاز والانتروبيا من CO 2 من المناسب مع معادلة فانت هوف (انظر معلومات دعم من نشر السابق3). نتائج نموذج العرض المناسب أن قدرة الامتصاص، المحتوى الحراري الامتزاز والكون الامتصاص لثاني أكسيد الكربون 2 في H-ZSM-5 هي 4.0 ± 0.2 مليمول ز -1، 15.3 ± 0.5 كج مول -1 و 56.3 ± 1.5 J مول -1 K -1 على التوالي 3.

جودة عالية من نوبة من موقع واحد انجميور الأيسوثرم ومعادلة فانت هوف كما هو موضح في الشكلين 2 و 3 تدعم افتراض وجود قدرة الامتصاص المستمر (أي تشبع التحميل) والمحتوى الحراري (أي حرارة الامتزاز) ل تكون صالحة على الأقل لمجموعة من الشروط المستخدمة. وعلاوة على ذلك، المعلمات امتصاص ثاني أكسيد الكربون 2 من قبل جهاز قياس امتصاص القائم على LCM تحدد في هذا العمل المقارنة مع القيم التي أعلن عنها في الأدب 12/09، أي قدرة الامتصاص، المحتوى الحراري الامتزاز والكون الامتزاز الريبوrted لCO 2 في مؤسسات التمويل الأصغر من نوع الزيوليت تختلف في مجموعة من 2،1-3،8 مليمول ز -1، 19 حتي 28،7 كج مول -1، و43،7-82،7 J مول -1 K -1، على التوالي، في درجات حرارة تتراوح من 30 -200 درجة مئوية، ومجموعة ضغط من 0-5 بار.

شكل 1
الشكل 1. langatate المغلفة استشعار الكريستال توازن دقيق (يسار). (أ) الصور من أجهزة الاستشعار المغلفة وغير المغلفة (يمين) و (ب) المجهر الضوئي و (ج) مسح الصور المجهر الإلكتروني. أنماط حيود الأشعة السينية من أجهزة الاستشعار LCM المغلفة وغير المغلفة (يمين). تم تعديل هذا الرقم من منشور السابق 3. أعيد طبعها بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية (حقوق الطبع والنشر 2015). الرجاء انقر هنا لعرض أكبر الاصدارسيون من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. الأيسوثرم الامتزاز لCO 2 في H-ZSM-5 في 50 ( معادلة 12 ) 75 ( معادلة 13 )، و 100 ( معادلة 14 )، و 150 درجة مئوية ( معادلة 15 ). وتمثل رموز البيانات التجريبية، تشير أشرطة الخطأ عدم اليقين قياس الترددات الرنانة التي تسببها، على سبيل المثال، عدم الاستقرار في درجة الحرارة، وتحسب وفقا للمعادلة سوربري كما هو موضح في الخطوة 2.2.4، وخطوط تمثل صالح من موقع واحد انجميور نموذج الأيسوثرم إلى البيانات التجريبية. هذا الرقم هكتارق تم تعديلها من منشور السابق 3. أعيد طبعها بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية (حقوق الطبع والنشر 2015). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. قانون الجنسية (ك ط) مقابل 1000 / T لتحديد المحتوى الحراري الامتزاز والانتروبيا لCO 2. تم تعديل هذا الرقم من منشور السابق 3. أعيد طبعها بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية (حقوق الطبع والنشر 2015). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

في هذا العمل، ويتجلى في التوليف الناجح للالزيوليت H-ZSM-5 بلورات على القطب الذهب في مركز الاستشعار LCM التي كتبها SAC، أي يتم تحميل الزيوليت بنجاح على جهاز استشعار LCM دون تغطية نقاط اتصال ل أقطاب الذهب إلى مذبذب. وهكذا، يمكن للالزيوليت تتذبذب مع استشعار لكم]، في حين أن أجهزة الاستشعار LCM يحتفظ electroconductivity وقياس حساسية جيدة. بالمقارنة مع الأجهزة QCM التقليدية التي تقتصر أقل من 80 درجة مئوية، ويتم استخدام جهاز LCM المعروضة في هذا العمل بنجاح للقياسات الامتزاز في درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية، أي عند أو قريبة من درجة حرارة التفاعلات في الصناعة. ومع ذلك، يقتصر الجهاز LCM الحالي أقل من 200 درجة مئوية. عند درجات حرارة أعلى من 200 درجة مئوية، قد تتجاوز حالة عدم اليقين قياس كتلة الغاز كثف، منذ ذلك الحين، مع درجة الحرارة زيادة فوق 150 درجة مئوية، وكتلة adsorالغاز السرير لديه انخفاضا كبيرا، في حين أن عدم اليقين قياس يزيد بشكل كبير نظرا لانخفاض دقة التحكم في درجة الحرارة. وهكذا، في التجارب المستقبلية، ينبغي وضع طريقة جديدة لإيداع المزيد من الزيوليت على LCM، والذي يسبب المزيد من الغاز إلى كثف، ويعوض علاوة على ذلك تأثير درجة الحرارة والضغط على المعادلة 2 . هذا يمكن أن يساعد على توسيع نطاق تطبيق الجهاز LCM إلى ارتفاع درجات الحرارة.

خلال التجربة، والخطوات الحاسمة في تركيب الزيوليت هي خطوات 1.2.2.1، 1.2.2.4، 1.2.2.5 و 1.2.2.7، في حين أن في القياسات الامتزاز هي خطوات 2.1.1.3، 2.1.1.4، 2.2.1، 2.2 0.5 و 2.2.6. في الخطوة 1.2.2.1، تجنب وضع الكثير من الخليط التوليف على LCM، التي من شأنها أن تنتشر على نقاط اتصال من الأقطاب الذهب. في الخطوة 1.2.2.4، وضعت بعناية صاحب تفلون مع LCM في الأوتوكلاف لضمان أن LCM هو حorizontal ولا الاتصال الماء السائل في الجزء السفلي. في خطوات 1.2.2.5 و1.2.2.7، لا تستخدم درجة حرارة أعلى في تركيب الزيوليت والتكليس، منذ تظهر تجاربنا السابقة أنه يؤدي إلى تدهور لكم]. في القياسات الامتزاز، والموقف من أجهزة الاستشعار LCM له تأثير كبير على اتصال من أجهزة الاستشعار لكم] إلى مذبذب، وبالتالي على نوعية إشارات التردد الرنانة. لذلك، تولي اهتماما خاصا لخطوات 2.1.1.3 و2.1.1.4، التي يتم فيها تحميل يمكننا تعريف على حامل وpretested. ويمكننا تعريف يجب أن يكون في الموضع الذي كانت متصلة مع مذبذب عبر نقاط اتصال من الأقطاب الكهربائية (المشار إليها في الشكل 1). هذا هو إلزامي للحصول على إشارات تردد الرنين جودة عالية مما يتيح دقة قياس عالية. وبالإضافة إلى ذلك، في خطوات 2.2.1 و 2.2.6، وضمان أن يتم التوصل إلى درجة حرارة مستقرة قبل القياسات، لأن هذا يزيد أيضا من هددت قياسمفعم بالحيوية. وعلاوة على ذلك، في الخطوة 2.2.5، وإطعام الغاز ببطء، من أجل أن يكون هناك تغيير طفيف في درجة الحرارة في الداخل. وهذا يساعد على درجات الحرارة لتصبح مستقرة مرة أخرى بعد وقت قصير.

منذ طريقة تركيب SAC لالزيوليت H-ZSM-5 على جهاز استشعار LCM يمكن أن تمتد إلى زيولايت أخرى بسهولة، ومن المتوقع أن يتم استخدامها للهم، وكذلك جهاز قياس امتصاص القائم لكم]. وعلاوة على ذلك، نظرا لدقة عالية وتكلفة منخفضة، ومن المتوقع أن تكون قابلة للتطبيق على أي مادة، والتي يمكن أن تكون مغلفة على [لكم، من أجل التحقيق في خصائص امتصاص لها في درجات حرارة عالية هذا الجهاز.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
tetraethyl orthosilicate (TEOS), other name: tetraethoxysilane Alfa Aesar A14965 purity > 98%, acutely toxic, inflammable and explosive
aluminum nitrate nonahydrate: Al(NO3)3•9H2O Chempur 000176 purity > 98.5%
tetrapropylammonium hydroxide: (TPAOH) Sigma-Aldrich 254533 1 mol dm-3 aqueous solution, skin corrosive
sodium hydroxide: NaOH Merck 106498 purity > 99%, skin corrosive
Ammonium chloride: NH4Cl Merck 101145 purity > 99.8%, harmful
Carbon dioxide (CO2) Air Liquide --- purity > 99.7%
high-pressure stainless steel chamber Büchi AG, Uster, Switzerland Midiclave Volume = 300 ml, up to 200 bar, 300 °C
langatate crystal microbalance sensors C3 Prozess- and Analysentechnik GmbH, Munich, Germany --- Diameter: 14 mm, resonant frequency: 5 MHz
high-frequency oscillating microbalance Gamry Instruments, Warminster, USA eQCM 10M Frequency range: 1 MHz - 10 MHz (15 MHz), resolution: 20 mHz

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tsionsky, V., Gileadi, E. Use of the Quartz Crystal Microbalance for the Study of Adsorption from the Gas Phase. Langmuir. 10, 2830-2835 (1994).
  2. Venkatasubramanian, A., et al. Gas Adsorption Characteristics of Metal-Organic Frameworks via Quartz Crystal Microbalance Techniques. J. Phys. Chem. C. 116, 15313-15321 (2012).
  3. Ding, W., et al. Investigation of High-Temperature and High-Pressure Gas Adsorption in Zeolite H-ZSM-5 via Langatate Crystal Microbalance: CO2, H2O, Methanol and Dimethyl Ether. J. Phys. Chem. C. 119, 23478-23485 (2015).
  4. Davulis, P. M., Pereira da Cunha, M. High-Temperature Langatate Elastic Constants and Experimental Validation up to 900 °C. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 57, 59-65 (2010).
  5. Ding, W., Li, H., Pfeifer, P., Dittmeyer, R. Crystallite-Pore Network Model of Transport and Reaction of Multicomponent Gas Mixtures in Polycrystalline Microporous Media. Chem. Eng. J. 254, 545-558 (2014).
  6. Ding, W., et al. Simulation of One-Stage Dimethyl Ether Synthesis over Core/Shell Catalyst in Tube Reactor. Chem Ing Tech. 87, 702-712 (2015).
  7. de la Iglesia, O., et al. Preparation of Pt/ZSM-5 Films on Stainless Steel Microreactors. Catal. Today. 125, 2-10 (2007).
  8. Sauerbrey, G. Verwendung von Schwingquartzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung. Zeitschrift für Physik. 155, 206-222 (1959).
  9. Wirawan, S. K., Creaser, D. CO2 Adsorption on Silicalite-1 and Cation Exchanged ZSM-5 Zeolites Using a Step Change Response Method. Microporous Mesoporous Mater. 91, 196-205 (2006).
  10. Choudhary, V. R., Mayadevi, S. Adsorption of Methane, Ethane, Ethylene, and Carbon Dioxide on High Silica Pentasil Zeolites and Zeolite-like Materials Using Gas Chromatography Pulse Technique. Sep. Sci. Technol. 28, 2197-2209 (1993).
  11. Choudhary, V. R., Mayadevi, S. Adsorption of Methane, Ethane, Ethylene, and Carbon Dioxide on Silicalite-I. Zeolites. 17, 501-507 (1996).
  12. Zhu, W. D., Hrabanek, P., Gora, L., Kapteijn, F., Moulijn, J. A. Role of Adsorption in the Permeation of CH4 and CO2 through a Silicalite-1 Membrane. Ind. Eng. Chem. Res. 45, 767-776 (2006).

Tags

الهندسة، العدد 114، عالية التردد توازن دقيق تتأرجح درجات الحرارة المرتفعة للامتزاز الغاز، انجميور الأيسوثرم والمواد الصغيرة التي يسهل اختراقها، تبلور بمساعدة البخار، طلاء الزيوليت، تركيب ثنائي ميثيل الاثير
جهاز الامتصاص واستنادا إلى Langatate كريستال توازن دقيق لدرجة حرارة عالية الضغط العالي امتزاز الغاز في الزيوليت H-ZSM-5
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ding, W., Baracchini, G., Klumpp,… More

Ding, W., Baracchini, G., Klumpp, M., Schwieger, W., Dittmeyer, R. Adsorption Device Based on a Langatate Crystal Microbalance for High Temperature High Pressure Gas Adsorption in Zeolite H-ZSM-5. J. Vis. Exp. (114), e54413, doi:10.3791/54413 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter