Waiting
Login processing...

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

Engineering

Adsorption Device Baseret på en Langatate Crystal Microbalance for High Temperature High Pressure Gas Adsorption i zeolit ​​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

Vi præsenterer en høj temperatur og højt tryk gas adsorption måling enhed baseret på en høj-frekvens oscillerende mikrovægt (5 MHz langatate krystal mikrovægt, LCM) og dens anvendelse for gas adsorption målinger i zeolit ​​H-ZSM-5. Forud for adsorptions- målinger blev zeolit ​​H-ZSM-5 krystaller syntetiseret på guldelektroden i midten af ​​LCM, uden at dække tilslutningerne af guld elektroder til oscillatoren, af dampen-assisteret krystallisation (SAC) metode, således at zeolitkrystallerne blive siddende på oscillerende mikrovægt samtidig holde god elektrokonduktivitet på LCM under adsorptions- målinger. Sammenlignet med en konventionel kvartskrystalmikrovægt (QCM), som er begrænset til temperaturer under 80 ° C, LCM kan realisere adsorptions- målinger i princippet ved temperaturer så høje som 200-300 ° C (dvs. ved eller tæt på reaktionstemperatur på målet anvendelse af et-trinsDME syntese fra syntesegas), på grund af fraværet af krystallinsk-faseovergange op til dets smeltepunkt (1.470 ° C). Systemet blev anvendt til at undersøge adsorption af CO 2, H2O, methanol og dimethylether (DME), hver i gasfasen, på zeolit ​​H-ZSM-5 i temperatur og tryk 50-150 ° C og 0-18 bar hhv. Resultaterne viste, at adsorptionsisotermerne af disse gasser i H-ZSM-5 kan godt monteret af Langmuir-type adsorptionsisotermerne. Desuden bestemte adsorption parametre, dvs. adsorption kapacitet, adsorption entalpier og adsorption entropier, sammenligne godt til litteratur data. I dette arbejde, er resultaterne for CO 2 vist som et eksempel.

Introduction

Adsorptionsegenskaber stor indflydelse på udførelsen af ​​katalytiske materialer, kan derfor præcis viden om disse egenskaber hjælpe med karakterisering, design og optimering af disse materialer. Imidlertid er de adsorptionsegenskaber generelt bedømt ud fra enkeltkomponent adsorptions målinger ofte ved stuetemperaturer eller endda under flydende nitrogen betingelser, og derfor en udvidelse til praktiske situationer kan føre til en alvorlig afvigelse fra den virkelige opførsel. In situ adsorptions- målinger på katalytiske materialer , især ved høj temperatur og højt trykforhold, stadig en stor udfordring.

En adsorption måleanordning baseret på en kvartskrystalmikrovægt (QCM) er fordelagtig i forhold den kommercialiserede volumetrisk og gravimetrisk metoder på en måde, at det er meget nøjagtig for masse sorption applikationer, tilfredsstillende stabile i et kontrolleret miljø, og mere overkommelige 1-2. However, er den konventionelle QCM analysen begrænset til temperaturer under 80 ° C 1-2. For at overvinde denne begrænsning, udviklede vi en adsorption måleanordning baseret på en høj-temperatur højfrekvente oscillerende mikrovægt (langatate krystal mikrovægt, LCM) 3, som kan realisere adsorptions- målinger i princippet ved temperaturer så høje som 200-300 ° C, på grund af fraværet af krystallinsk-faseovergange op til dets smeltepunkt (1.470 ° C) 4. De LCMS anvendt i dette arbejde har en AT-cut (dvs. pladen af krystal mikrovægt indeholder x-aksen af krystallen og hælder med 35 ° 15 'fra Z-akse) og en resonansfrekvens på 5 MHz. Denne enhed blev anvendt på adsorptions- målinger af CO 2, H2O, methanol og dimethylether (DME), hver i gasformig tilstand på zeolit ​​H-ZSM-5 i temperaturområdet 50-150 ° C og trykområde af 0-18 bar 3, sigter mod validatipå af simuleringsmodeller til optimering af bifunktionelle kerne-skal-katalysatorer til et-trins produktion af DME fra syntesegas 5-6 den. Hvordan til at betjene denne enhed for gas adsorption målinger præsenteres i protokollen sektion.

Forud for adsorptions- målinger, zeolit ​​H-ZSM-5-krystallitter (0,502 mg) blev syntetiseret på guldelektroden i midten af LCM af dampen-assisteret krystallisation (SAC) fremgangsmåde ifølge de la Iglesia et al. 7, i sådan måde, at zeolitkrystallitterne blive siddende på den oscillerende mikrovægt. Som vist i figur 1, har den LCM anvendes i adsorption måleindretningen poleret guld elektroder på begge sider, som hjælper til at forbinde LCM til en oscillator. Da zeolitkrystallerne på tilslutningerne af guld elektroder til oscillator ville reducere elektrokonduktivitet (som angivet i figur 1) og dermedmåling følsomhed af LCM blev zeolit ​​H-ZSM-5 krystaller anbragt på LCM via SAC metoden ikke dækker disse forbindelsespunkter 3. Detaljerne om syntesen af ​​zeolit ​​H-ZSM-5 på LCM er kort opsummeret i følgende protokol afsnittet og vist i videoen protokollen i detaljer.

Protocol

Forsigtig: Se venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Flere af de kemikalier, der anvendes i syntesen af ​​zeolit ​​H-ZSM-5 er akut toksisk og kræftfremkaldende. Nanomaterialer kan have yderligere risici i forhold til deres bulk-modstykke. Brug venligst alle passende sikkerhedsforanstaltninger, når du udfører en nanokrystallen reaktion herunder brug af teknisk kontrol (stinkskab, Handskerum) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, kittel, fuld længde bukser, lukket-tå sko). Desuden være særlig opmærksom, når, udfører adsorption målinger med methanol og DME, da begge er brændbare og eksplosive farlige materialer.

1. Syntese af Zeolit ​​H-ZSM-5 på LCM

  1. Fremstilling af en zeolit ​​synteseblanding
    Bemærk: Den endelige syntese blanding havde følgende molære sammensætning som tilpasset fra de la Iglesia et al. 7: 1 SiO 2: 50 H2O: 0,07 Na2O: 0,024 TPA 2 O: 0.005 Al 2 O 3. Således er den teoretiske Si / Al-molforhold på den syntetiserede zeolit ​​H-ZSM-5 er 100.
    1. Opløs 0,14 g natriumhydroxid i 20,30 g deioniseret vand via omrøring. Alternativt blandes 3,64 g 1 M NaOH med 16,8 g deioniseret vand.
    2. Tilføj 1,16 g tetrapropylammoniumhydroxid (TPAOH) opløsning, og opløsningen omrøres indtil den vises klart.
    3. Tilføj 5,0 g tetraethylorthosilicat (TEOS) opløsning dråbevis, og opløsningen omrøres indtil den vises klart.
    4. Hold omrøring under tilsætning 0,09 g aluminium nonahydrat (Al (NO3) 3 · 9H 2 O, fast) i opløsningen.
    5. Hold omrøring, indtil det faste aluminium nonahydrat opløses. Bemærk, at den fremstilles synteseblandingen zeolit ​​bør anvendes inden 5 timer på grund af sin ældning.
  2. Syntese af zeolit ​​ZSM-5 på LCM via SAC 3
  3. Rengør LCM før zeolitsyntese
    1. Vask LCM grundigt med deioniseret vand.
    2. Sæt LCM i et bæger med deioniseret vand, og rengør det i et ultralydsbad.
    3. Tør LCM ved 80 ° C i en ovn.
  4. zeolitsyntese
    1. Anbring forsigtigt nogle dråber af det forberedte zeolit ​​synteseblandingen på elektroden i midten af LCM som vist i figur 1 under anvendelse af en pipette, idet kun zeolitten aflejret på guldelektroden kan forårsage resonansfrekvensen forskydning af LCM 8. Desuden undgå spredning syntesen blandingen på tilslutningerne af guld elektroder til oscillator, da zeolit ​​på forbindelsespunkter i betydelig grad ville mindske elektrokonduktivitet og dermed måling følsomhed af LCM. Desuden fjerner zeolitkrystallerne på forbindelsespunkter efter deposition vil ødelægge elektroderne.
    2. Tør LCM med synteseblandingen ved 80 ° C i 2 timer til opnåelse af en højviskos gel-lignende fase på det.
    3. Tilsættes en lille mængde deioniseret vand (ca. 10 ml) i en Teflon-foret autoklav (80 ml) for at producere damp under zeolitsyntese.
    4. Sætte indehaveren Teflon i autoklaven, som støtter LCM vandret over det flydende vand i bunden af ​​autoklaven under zeolitsyntese.
    5. Hold autoklaven i en ovn ved 150 ° C i 48 timer for at syntetisere zeolitten på LCM via SAC-metoden.
    6. Lige efter SAC, vaske det overtrukne LCM med deioniseret vand og tør det ved 80 ° C i 2 timer.
    7. Fjern den organiske skabelon i zeolitkrystallerne ved kalcinering i en højtemperatur-ovn under en oxidativ atmosfære. Program ovnen som følger: a) Øge temperaturen fra omgivelsestemperatur til 450 ° C med en hastighed på 3 ° C min -1; b) Holdtemperatur ved 450 ° C i 4 timer; c) sænke temperaturen fra 450 ° C til stuetemperatur ved en hastighed på 3 ° C min-1.
    8. Opløs 26,75 g ammoniumchlorid (NH4Cl, fast stof) i 0,4 L deioniseret vand. Tilføj flere deioniseret vand i opløsningen, således at den endelige NH4CI-opløsning er 0,5 L og har koncentration på 1 mol dm -3.
    9. Sætte den overtrukne LCM i NH4Cl-opløsning (0,2 L) i et bægerglas, og ionbytning de Na-ZSM-5 krystaller belagt på LCM ved 20 ° C i 2 timer. Gentag ionbytning under anvendelse af 0,2 L frisk NH4CI-opløsning for at få de NH4 -ZSM-5 krystaller.
    10. Finde et H-ZSM-5 ved slutkalcinering anvendelse af de samme parametre som nævnt i trin 1.2.2.7.

2. Adsorption Målinger Brug af LCM-baserede Adsorption Måling Device 3

Bemærk: I dette arbejde, LCMuden belægning og den ene er belagt med H-ZSM-5 (udarbejdet i sidste afsnit) betegnes "henvisning LCM" og "prøve LCM", hhv. Desuden er prøven LCM før zeolit ​​deposition betegnet "ubelastet prøve LCM". I en tidligere offentliggørelse i Journal of Physical Chemistry C 3 findes en detaljeret beskrivelse af LCM-baserede adsorption måleanordning. I dette arbejde er driften af ​​enheden for gas adsorption målinger præsenteres i denne korte protokol og i videoen protokollen i detaljer.

  1. Klargøring før adsorption målinger
    1. Test af virkningerne af temperatur og tryk på forskellen i resonansfrekvenser af reference- og losses prøve LCMS
      1. Rengør O-ring, indehaveren af ​​LCM, og prøvekammeret med acetone og trykluft.
      2. Sæt reference- og losses prøve LCMS i et bæger med deioniseret vand og rense dem i en ultrasound bad.
      3. Læg forsigtigt ren reference og losses prøve LCMS på LCM holder, der er forbundet til oscillatoren via højtemperaturbestandige elektriske kabler.
      4. Prætest de installerede LCMS under anvendelse oscillatoren at sikre, at resonansfrekvenserne kan detekteres med succes.
      5. Luk prøvekammeret, og evakuere den med en vakuumpumpe.
      6. Ændre trykket i prøven kammeret via dosering ren N2.
      7. Styre temperaturen inden i prøvekammeret ved en temperaturregulator.
      8. Mål resonansfrekvenserne for reference- og losses prøve LCMS i de undersøgte temperatur- og trykområder, dvs 50-150 ° C og 0-16 bar, for at kende effekten af temperatur og tryk på forskellen i resonansfrekvenser af reference og losses prøve LCMS ( ligning 2 i trin 2.2.4). Forsøgene viser, at "Ligning mindre end 300 Hz i trykområde på 0-16 bar). Brug de bestemte værdier af ligning 2 i Sauerbrey ligningen i trin 2.2.4 at beregne den adsorberede mængde gasser på zeolitten.
    2. Aktivering af prøve LCM
      1. Rengør O-ring, indehaveren af ​​LCM, og prøvekammeret med acetone og trykluft.
      2. Sæt referencen LCM i et bæger med deioniseret vand, og rengør det i et ultralydsbad.
      3. Læg forsigtigt ren henvisning LCM og prøve LCM på LCM holder, der er forbundet til oscillatoren via højtemperaturbestandige elektriske kabler.
      4. Prætest af plaCED LCMS vha oscillatoren at sikre, at resonansfrekvenserne kan detekteres med succes.
      5. Luk prøvekammeret, og evakuere den med en vakuumpumpe.
      6. Aktiver prøven LCM ved høje temperaturer (mindst 50 ° C højere end temperaturerne af adsorptions- målinger, 200 ° C i dette arbejde) i vakuum tilstand natten over for at sikre, at kun en ubetydelig gasmængde er adsorberet på H-ZSM-5 .
  2. Adsorption målinger
    Bemærk: I dette arbejde, er adsorptionen måling af CO2 ved 50 ° C præsenteret at give et eksempel. De opnåede data fra måling (f.eks resonansfrekvenser) og de ​​beregnede masser af adsorberet CO 2 på H-ZSM-5 kan findes i tabel S1 af Støtte Information af vores tidligere publikation 3.
    1. Juster temperaturen inde i prøvekammeret ved den ønskede temperatur af adsorpti på målinger (dvs. 50 ± 0,1 ° C) ved en temperatur controller, under vakuum, dvs., kun med en ubetydelig mængde adsorberet gas.
    2. Slut oscillator til prøven LCM, og måle dens resonansfrekvens af den understøttende software af oscillatoren via montering de eksperimentelle data med en Butterworth-Van Dyke tilsvarende kredsløb model.
    3. Skifter tilslutningen af ​​oscillatorens på referenceplanet LCM, og måle dens resonansfrekvens.
    4. Brug de målte resonansfrekvenser prøve- og referencestof LCMS under vakuum for at bestemme massen af H-ZSM-5 anbragt på prøven LCM (uden adsorberet gas) ifølge den Sauerbrey ligning 2, 8:
      ligning 3
      hvor 413 / 54413eq4.jpg "/> er forskellen i massen ig, ligning 5 er antallet af harmoniske, hvor krystallen drives (i dette studie, ligning 6 ), ligning 7 er forskellen i resonansfrekvenser af reference- og prøve LCMS i Hz, ligning 2 er forskellen på de resonansfrekvenser mellem referencen og losses prøve LCM i Hz, ligning 8 er densiteten af langatate krystal (6,13 g cm-3) 4, ligning 9 er den effektive piezoelektrisk afstivede forskydningsmodul af langatate krystal (1,9 x 10 12 g cm-1 sek -2) 4,/files/ftp_upload/54413/54413eq10.jpg "/> er resonansfrekvensen af henvisningen LCM, dvs den ubelastede LCM, ligning 11 , Arealet af LCM (1,539 cm2) 3.
      Bemærk: I dette arbejde, massen af ​​H-ZSM-5 aflejret på guldelektroden i centrum af LCM er 0,502 mg, som forårsager en resonansfrekvens skift af 14.100 Hz ved 50 ° C.
    5. Styre gastrykket af CO2 inden i prøvekammeret ved at dosere ren gas fra gasflasken via en massestrømstyring (for metanol og DME fra fordamperen manuelt via en doseringsventil ind i kammeret), eller ved evakuering via en vakuumpumpe . Her, brug et trykområde på CO 2 adsorptions målinger af 0-16 bar, som vist i figur 2.
    6. Vent til ligevægt og en stabil temperatur er nået, f.eks temperaturen varierer inden 50 ± 0,1 ° C.
    7. Connect oscillatoren til prøven LCM, og måle dens resonansfrekvens efter udsættelse for gassen ved et givet tryk.
    8. Skift tilslutning af oscillator til referencen LCM, og måle dens resonansfrekvens under de samme betingelser.
    9. Ifølge Sauerbrey ligning vist ovenfor, beregne den samlede masse af H-ZSM-5 anbragt på prøven LCM og gas adsorberet på H-ZSM-5 under denne gastryk. Ved at fratrække massen af H-ZSM-5 (uden adsorberet gas) bestemt i trin 2.2.4, massen af CO2 adsorberet på H-ZSM-5 under denne gastryk opnås.
    10. Gentag resonansfrekvensen målinger for prøve- og reference- LCMS for forskellige tryk, for at opnå alle masserne af CO 2 adsorberet på H-ZSM-5 prøve under forskellige gastryk.
    11. Endelig får gassen adsorptionsisotermen ved 50 ° C i den undersøgte trykområde på 0-16 bar via beregning alle masserne af CO 2 adsorberetpå H-ZSM-5 prøve under forskellige gastryk i overensstemmelse med trin 2.2.9.
    12. For adsorptionsisotermer ved andre temperaturer, ændre stabil temperatur ved hjælp af temperatur controller, og gentag trin 2.2.1 til 2.2.11.
    13. Monter adsorptionsisotermerne med adsorptionsmodeller som Langmuir modeller via de mindste kvadraters metode til at bestemme adsorptions- parametre som adsorption kapacitet, adsorption entalpier og adsorption entropier (se tidligere publikation 3 og dens Støtte Information).

Representative Results

Figur 1 viser fotografier, lysmikroskopi og scanningelektronmikroskopi (SEM) billeder af det coatede og ucoatede LCM sensor (venstre), såvel som deres X-(XRD) patterns (højre). Fra begge, lys og scanningselektronmikroskopi (figur 1b og c), tilslutningerne af guld elektroder til oscillatoren er mindre dækket med zeolitkrystaller end midterområdet af den LCM. De fleste af zeolitkrystallerne oven på LCM-sensoren isoleres og viser karakteristiske afrundede-båd morfologi, med (010) -plane overvejende opad. Desuden nogle krystaller viser desuden den typiske sammenvoksning adfærd ( "venskabsby krystaller"). Desuden har indlæst H-ZSM-5 (Si / Al-molforhold på 100 ifølge sammensætningen af synteseblandingen) på langatate krystal blevet undersøgt ved XRD og bølgelængde-Dispersive X-ray (WDX) spektroskopi 3.

I figur 2 CO 2 adsorptionsisotermer for H-ZSM-5 zeolit ​​opnås med LCM enheden i temperaturområdet fra 50-150 ° C og trykområde på 0-16 bar, samt tilpasningen af single site Langmuir isoterm model til de eksperimentelle data, har vist sig at give et repræsentativt eksempel. Som vist i figur 2 blev bestemt adsorptionsisotermerne CO 2 forsynet med et enkelt site Langmuir isoterm godt. Figur 3 viser diagrammet af ln (K 'i) vs. 1.000 / T for CO 2, som udledes af adsorptionsisotermerne, dvs temperaturafhængighed adsorptions- konstanter bestemmes fra pasningen af adsorptionsisotermerne. De adsorption entalpier og entropier CO 2 blev bestemt ved at montere med van't Hoff ligningen (se Støtte oplysninger af den tidligere offentliggørelse3). Resultaterne af modeltilpasnings viser, at adsorptionskapaciteten, adsorption enthalpi og adsorption entropi for CO 2 i H-ZSM-5 er 4,0 ± 0,2 mmol g-1, 15,3 ± 0,5 kJ mol -1 og 56,3 ± 1,5 J mol -1 K -1 henholdsvis 3.

Den høje kvalitet af tilpasningen af enkelt websted Langmuir isoterm og van't Hoff ligningen, som vist i figur 2 og 3 understøtter antagelsen om en konstant adsorption kapacitet (dvs. mætning belastning) og enthalpi (dvs. varme adsorption) til være gyldig i det mindste for den række betingelser anvendes. Endvidere adsorptions- parametre af CO 2 fastlægges af LCM-baserede adsorption måleanordning i dette arbejde sammenligne godt til værdier rapporteret i litteraturen 9-12, dvs. adsorptionsevne, adsorption enthalpi og adsorption entropi reported for CO2 i MFI-typen zeolitter varierer i området fra 2,1 til 3,8 mmol g-1, 19-28,7 kJ mol -1, og fra 43,7 til 82,7 J mol -1 K -1 henholdsvis i temperaturintervallet 30 -200 ° C og tryk på 0-5 bar.

figur 1
Figur 1. Coated langatate krystal mikrovægt sensor (venstre). (A) Fotografier af den belagte og ubelagte sensor (højre), (b) lysmikroskopi og (c) scanningselektronmikroskopi billeder. X-ray diffraktionsmønstre coated og ikke-coated LCM sensor (til højre). Dette tal er blevet ændret fra en tidligere publikation 3. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society (Copyright 2015). Klik her for at se et større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. adsorptionsisotermer for CO 2 i H-ZSM-5 på 50 ( ligning 12 ), 75 ( ligning 13 ), 100 ( ligning 14 ), Og 150 ° C ( ligning 15 ). Symbolerne repræsenterer de eksperimentelle data, fejlen søjler indikerer måleusikkerheden af de resonansfrekvenser forårsaget af fx temperatur ustabilitet, og beregnes efter Sauerbrey ligningen som beskrevet i trin 2.2.4, og linjerne repræsenterer pasform af den fælles hjemmeside Langmuir isoterm model til de eksperimentelle data. Dette tal has blevet modificeret fra en tidligere publikation 3. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society (Copyright 2015). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. ln (Ki) vs. 1000 / T for at bestemme adsorption entalpier og entropier for CO 2. Dette tal er blevet ændret fra en tidligere publikation 3. Genoptrykt med tilladelse fra American Chemical Society (Copyright 2015). Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

I dette arbejde, er den vellykkede syntese af zeolit ​​H-ZSM-5 krystaller på guldelektroden i midten af LCM sensoren ved SAC demonstreret, dvs. zeolitten indlæst på LCM sensoren uden at dække tilslutningerne af den guldelektroder til oscillatoren. Således kan zeolitten oscillere sammen med LCM sensor, mens LCM sensor holder sin gode elektrokonduktivitet og måling følsomhed. Sammenlignet med de konventionelle QCM indretninger, som er begrænset til under 80 ° C, er LCM enheden præsenteret i dette arbejde held anvendes til adsorption målinger ved temperaturer så høje som 150 ° C, dvs. ved eller tæt på temperaturen af reaktioner i industrien. Imidlertid er den foreliggende LCM enhed begrænses til under 200 ° C. Ved temperaturer højere end 200 ° C, kan måleusikkerheden overstige totalvægten af ​​den adsorberede gas, eftersom, med stigende temperatur over 150 ° C, massen af ​​adsorseng gas har et signifikant fald, mens måleusikkerheden øges betydeligt som følge af faldende temperatur kontrol præcision. Således i fremtidige eksperimenter, bør der udvikles en ny metode til at deponere mere zeolit ​​på LCM, som forårsager mere gas til at adsorbere, og endvidere kompenserer effekten af ​​temperatur og tryk på ligning 2 . Dette kunne bidrage til at udvide anvendelsen vifte af LCM-enheden til højere temperaturer.

Under eksperimentet, de kritiske trin i zeolit ​​syntese er Steps 1.2.2.1, 1.2.2.4, 1.2.2.5 og 1.2.2.7, mens de i de adsorption målinger er Steps 2.1.1.3, 2.1.1.4, 2.2.1, 2.2 0,5 og 2.2.6. I trin 1.2.2.1, undgå at placere for meget af syntesen blandingen på LCM, hvilket ville spredes på tilslutningerne af guld elektroder. I trin 1.2.2.4, omhyggeligt sat indehaveren Teflon med LCM i autoklaven for at sikre, at LCM er handret og ikke i berøring med væsken vand i bunden. I trin 1.2.2.5 og 1.2.2.7, skal du ikke bruge en højere temperatur i zeolit ​​syntese og kalcinering, da vores tidligere forsøg viser, at det fører til nedbrydning af LCM. I adsorptions- målinger, positionen af ​​LCM sensorer har en signifikant effekt på konnektivitet af LCM sensorer til oscillatoren, og derfor på kvaliteten af ​​resonansfrekvensen signaler. Derfor være særlig opmærksom på trin 2.1.1.3 og 2.1.1.4, hvor LCMS er indlæst på holderen og håndstestet. De LCMS bør være i den position, at de er forbundet med oscillatoren via forbindelsespunkter af elektroderne (angivet i figur 1). Det er obligatorisk for at opnå høj kvalitet resonant frekvens signaler muliggør høj målenøjagtighed. Endvidere i trin 2.2.1 og 2.2.6, sikre, at en stabil temperatur er opnået før målingerne, da dette også forøger måling accukrati. Endvidere i trin 2.2.5, foder gassen langsomt, for at have en lille ændring af temperaturen inde. Dette hjælper temperaturen bliver stabil igen efter kort tid.

Da SAC syntesemetode til zeolit ​​H-ZSM-5 på LCM sensoren kan udvides til andre zeolitter let forventes LCM-baserede adsorptionsmålingen udstyr kan anvendes til dem også. Som følge af sin høje nøjagtighed og lave omkostninger, forventes denne enhed til anvendelse på ethvert materiale, som kan være coatet på LCM, for at undersøge dets adsorptionsegenskaber ved høje temperaturer.

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

Engineering højfrekvente oscillerende mikrovægt høj temperatur gas adsorption Langmuir isoterm mikroporøse materialer damp-assisteret krystallisering zeolit ​​belægning dimethylether syntese
Adsorption Device Baseret på en Langatate Crystal Microbalance for High Temperature High Pressure Gas Adsorption i zeolit ​​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