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Engineering

सोखना डिवाइस जिओलाइट में उच्च तापमान उच्च दबाव गैस सोखना के लिए एक Langatate क्रिस्टल Microbalance के आधार पर एच-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

हम एक उच्च तापमान और उच्च दबाव गैस सोखना माप एक उच्च आवृत्ति दोलन Microbalance पर आधारित डिवाइस (5 मेगाहर्ट्ज langatate क्रिस्टल Microbalance, एलसीएम) और जिओलाइट एच ZSM-5 में गैस सोखना माप के लिए इसके उपयोग प्रस्तुत करते हैं। सोखना माप करने से पहले, जिओलाइट एच ZSM-5 क्रिस्टल, एलसीएम के केंद्र में सोने इलेक्ट्रोड पर संश्लेषित थे, थरथरानवाला के लिए सोने इलेक्ट्रोड का कनेक्शन अंक को कवर भाप की मदद से क्रिस्टलीकरण (सैक) विधि द्वारा बिना, इतना है कि जिओलाइट क्रिस्टल जबकि सोखना माप के दौरान एलसीएम की अच्छी electroconductivity रखने दोलन Microbalance में जुड़े रहते हैं। एक पारंपरिक क्वार्ट्ज क्रिस्टल Microbalance (QCM) जो नीचे 80 डिग्री सेल्सियस तापमान के लिए सीमित है की तुलना में, एलसीएम, 200-300 डिग्री सेल्सियस (यानी के रूप में उच्च पर या प्रतिक्रिया के तापमान के करीब तापमान पर सिद्धांत रूप में सोखना माप महसूस कर सकते हैं एक चरण का लक्ष्य आवेदनसंश्लेषण गैस से डीएमई संश्लेषण), उसके गलनांक (1,470 डिग्री सेल्सियस) तक क्रिस्टलीय चरण संक्रमण के अभाव के कारण। प्रणाली सीओ 2 के सोखना, एच 2 ओ जांच करने के लिए लागू किया गया था, मेथनॉल और डाइमिथाइल ईथर (डीएमई), प्रत्येक गैस चरण में, जिओलाइट पर एच-ZSM-5 50-150 डिग्री सेल्सियस के तापमान और दबाव रेंज में और क्रमश: 0-18 बार,। नतीजे बताते हैं कि में एच-ZSM-5 में अच्छी तरह से Langmuir प्रकार सोखना isotherms से लगाया जा सकता है इन गैसों के सोखना isotherms। इसके अलावा, निर्धारित मापदंडों को सोखना, यानी, सोखना क्षमता, सोखना enthalpies, और सोखना entropies, अच्छी तरह से साहित्य डेटा की तुलना करें। इस काम में, सीओ 2 के लिए परिणाम एक उदाहरण के रूप में दिखाया जाता है।

Introduction

सोखना गुण जोरदार उत्प्रेरक सामग्री के प्रदर्शन को प्रभावित है, इन गुणों का इसलिए सटीक ज्ञान लक्षण वर्णन, डिजाइन और ऐसी सामग्री के अनुकूलन में सहायता कर सकते हैं। हालांकि, सोखना गुण आम तौर पर अक्सर कमरे के तापमान पर या यहाँ तक कि तरल नाइट्रोजन की शर्तों के तहत एकल घटक सोखना माप से न्याय कर रहे हैं, और इसलिए व्यावहारिक स्थितियों के लिए एक विस्तार वास्तविक व्यवहार से एक गंभीर विचलन हो सकता है। उत्प्रेरक सामग्री पर सीटू सोखना माप में विशेष रूप से उच्च तापमान और उच्च दबाव की स्थिति में है, अभी भी एक बड़ी चुनौती बनी हुई हैं।

एक सोखना माप एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल Microbalance (QCM) पर आधारित डिवाइस है कि यह बड़े पैमाने पर sorption आवेदन, एक नियंत्रित वातावरण में संतोषजनक ढंग से स्थिर के लिए बेहद सटीक, और अधिक किफायती 1-2 है commercialized बड़ा है और एक तरह से gravimetric तरीकों पर फायदेमंद है। Howeveआर, पारंपरिक QCM विश्लेषण से नीचे 80 डिग्री सेल्सियस तापमान 1-2 तक सीमित है। आदेश में इस सीमा को पार करने के लिए हम एक सोखना माप उपकरण में एक उच्च तापमान उच्च आवृत्ति दोलन Microbalance पर आधारित (langatate क्रिस्टल Microbalance, एलसीएम) 3, जो 200-300 डिग्री के रूप में उच्च तापमान पर सिद्धांत रूप में सोखना माप का एहसास कर सकते हैं विकसित सी, इसके पिघलने बिंदु (1,470 डिग्री सेल्सियस) तक क्रिस्टलीय चरण संक्रमण के अभाव के कारण 4। इस काम में इस्तेमाल एलसीएमएस एक में कटौती (यानी, क्रिस्टल Microbalance की थाली क्रिस्टल की एक्स अक्ष में शामिल है और जेड अक्ष से 35 डिग्री 15 'की इच्छुक है) और 5 मेगाहर्ट्ज के एक गुंजयमान आवृत्ति है। इस डिवाइस 50-150 डिग्री सेल्सियस और दबाव रेंज के तापमान रेंज में सीओ 2 के सोखना माप करने के लिए लागू किया गया था, एच 2 ओ, मेथनॉल, और डाइमिथाइल ईथर (डीएमई), गैसीय अवस्था में प्रत्येक, पर जिओलाइट एच ZSM-5 बार 3, validati में लक्ष्य के 0-18संश्लेषण गैस 5-6 से डीएमई का एक चरण के उत्पादन के लिए bifunctional कोर-खोल उत्प्रेरक के अनुकूलन के लिए सिमुलेशन मॉडल की पर। कैसे गैस सोखना माप के लिए इस उपकरण को संचालित करने के लिए प्रोटोकॉल अनुभाग में प्रस्तुत किया है।

सोखना माप करने से पहले, जिओलाइट एच ZSM-5 crystallites (0.502 मिलीग्राम) में डे ला Iglesia एट अल। 7 के अनुसार भाप की मदद से क्रिस्टलीकरण (सैक) विधि द्वारा एलसीएम के केंद्र में सोने इलेक्ट्रोड पर संश्लेषित थे, इस तरह है कि जिओलाइट crystallites दोलन Microbalance में जुड़े रहते हैं। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, सोखना माप उपकरण में इस्तेमाल एलसीएम दोनों पक्षों है, जो एक थरथरानवाला के लिए एलसीएम कनेक्ट करने के लिए मदद पर सोने की पॉलिश इलेक्ट्रोड गया है। थरथरानवाला काफी electroconductivity कम होगी करने के लिए सोने इलेक्ट्रोड का कनेक्शन अंक पर जिओलाइट क्रिस्टल के बाद से (चित्रा 1 में संकेत के रूप में) है और इस तरहएलसीएम की माप संवेदनशीलता, जिओलाइट एच ZSM-5 क्रिस्टल सैक विधि इन कनेक्शन अंक 3 को कवर नहीं के माध्यम से एलसीएम पर जमा थे। एलसीएम पर जिओलाइट एच ZSM-5 के संश्लेषण के बारे में विवरण संक्षेप में निम्नलिखित प्रोटोकॉल अनुभाग में संक्षेप और विस्तार में वीडियो प्रोटोकॉल में दिखाया जाता है।

Protocol

सावधानी: उपयोग करने से पहले कृपया सभी प्रासंगिक सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (MSDS) से परामर्श करें। जिओलाइट एच ZSM-5 के संश्लेषण में प्रयुक्त रसायनों के कई तीव्रता से विषाक्त और कैंसर हैं। Nanomaterials उनके थोक समकक्ष की तुलना में अतिरिक्त जोखिम हो सकता है। जब एक nanocrystal प्रतिक्रिया प्रदर्शन इंजीनियरिंग नियंत्रण (धूआं हुड, glovebox) और व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरणों के उपयोग सहित सभी उचित सुरक्षा प्रथाओं का उपयोग करें (सुरक्षा चश्मा, दस्ताने, प्रयोगशाला कोट, पैंट पूरी लंबाई, बंद पैर के जूते)। इसके अलावा, विशेष ध्यान देना जब, मेथनॉल और डीएमई के साथ सोखना माप प्रदर्शन के बाद से दोनों ज्वलनशील और विस्फोटक खतरनाक सामग्री रहे हैं।

1. जिओलाइट के संश्लेषण एच ZSM-5 एलसीएम पर

  1. एक जिओलाइट संश्लेषण मिश्रण की तैयारी
    नोट: अंतिम संश्लेषण मिश्रण निम्नलिखित दाढ़ रचना की थी रूप से डे ला Iglesia एट अल 7 अनुकूलित:। 1 2 Sio: 50 एच 2 ओ: 0.07 ना 2 O: 0.024 टीपीए 2 हे: 0.005 अल 2 3 हे। इस प्रकार, सैद्धांतिक सी / अल संश्लेषित जिओलाइट की दाढ़ अनुपात एच ZSM-5 100 है।
    1. सरगर्मी के माध्यम से 20.30 छ de-ionized पानी में 0.14 ग्राम सोडियम हाइड्रॉक्साइड भंग। वैकल्पिक रूप से, मिश्रण 16.8 छ de-ionized पानी के साथ 1 एम NaOH के 3.64 छ।
    2. 1.16 छ tetrapropylammonium हाइड्रॉक्साइड (TPAOH) समाधान जोड़ें, और समाधान हलचल जब तक यह स्पष्ट प्रतीत होता है।
    3. 5.0 ग्राम tetraethyl orthosilicate (TEOS) समाधान dropwise जोड़ें, और समाधान हलचल जब तक यह स्पष्ट प्रतीत होता है।
    4. जबकि 0.09 छ एल्यूमीनियम नाइट्रेट nonahydrate जोड़ने, सरगर्मी रखें (अल (सं 3) 3 · 9H 2 हे, ठोस) समाधान में।
    5. जब तक ठोस एल्यूमीनियम नाइट्रेट nonahydrate भंग कर रहा है सरगर्मी रखें। ध्यान दें कि तैयार जिओलाइट संश्लेषण मिश्रण इसकी उम्र बढ़ने के कारण 5 घंटा के भीतर किया जाना चाहिए।
  2. एलसीएम पर जिओलाइट ZSM-5 के संश्लेषण के माध्यम से 3 सैक
  3. जिओलाइट संश्लेषण से पहले एलसीएम साफ
    1. de-ionized पानी से अच्छी तरह धो एलसीएम।
    2. de-ionized पानी के साथ एक बीकर में एलसीएम रखो, और एक अल्ट्रासाउंड स्नान में यह साफ।
    3. एक ओवन में 80 डिग्री सेल्सियस पर एलसीएम सूखी।
  4. जिओलाइट संश्लेषण
    1. ध्यान से, के रूप में चित्रा 1 में दिखाया गया एक पिपेट का उपयोग एलसीएम के केंद्र में इलेक्ट्रोड पर तैयार जिओलाइट संश्लेषण मिश्रण की कई बूँदें जगह के बाद से ही जिओलाइट सोने इलेक्ट्रोड पर जमा एलसीएम 8 के गुंजयमान आवृत्ति परिवर्तन का कारण बन सकता है। इसके अलावा, थरथरानवाला के लिए सोने इलेक्ट्रोड का कनेक्शन अंक पर संश्लेषण मिश्रण फैल रहा है, के बाद से कनेक्शन अंक पर जिओलाइट काफी electroconductivity एलसीएम की माप संवेदनशीलता को कम करने और इस प्रकार होगा बचें। इसके अलावा, depositio के बाद कनेक्शन अंक पर जिओलाइट क्रिस्टल को हटानेn इलेक्ट्रोड को नष्ट कर देगा।
    2. उस पर एक अत्यधिक चिपचिपा जेल की तरह चरण प्राप्त करने के लिए 2 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषण मिश्रण के साथ एलसीएम सूखी।
    3. आदेश जिओलाइट संश्लेषण के दौरान भाप का उत्पादन करने के लिए एक Teflon लाइन आटोक्लेव (80 एमएल) में de-ionized पानी (लगभग 10 एमएल) की एक छोटी राशि जोड़ें।
    4. आटोक्लेव, जो जिओलाइट संश्लेषण के दौरान आटोक्लेव के नीचे तरल पानी के ऊपर क्षैतिज एलसीएम समर्थन में Teflon धारक रखो।
    5. 48 घंटे के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में आटोक्लेव रखें सैक विधि के माध्यम से एलसीएम पर जिओलाइट के संश्लेषण के लिए।
    6. सैक के बाद ही सही, de-ionized पानी के साथ लेपित एलसीएम धोने और 2 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर यह सूखी।
    7. एक ऑक्सीडेटिव वातावरण के तहत एक उच्च तापमान ओवन में जिओलाइट क्रिस्टल में जैविक टेम्पलेट हटाये पकाना द्वारा। कार्यक्रम ओवन इस प्रकार है: एक) की दर से 450 डिग्री सेल्सियस के लिए परिवेश से तापमान बढ़ाएँ 3 डिग्री सेल्सियस मिनट -1; ख) रखें4 घंटे के लिए 450 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर; ग) 3 डिग्री सेल्सियस मिनट की दर पर कमरे के तापमान को 450 डिग्री सेल्सियस से तापमान में कमी -1।
    8. 0.4 एल de-ionized पानी में 26.75 छ अमोनियम क्लोराइड (एनएच 4 सीएल, ठोस) भंग। समाधान में अधिक de-ionized पानी जोड़ें ताकि अंतिम एनएच 4 सीएल समाधान 0.5 एल और 1 मोल डीएम -3 की एकाग्रता है।
    9. एक बीकर में एनएच 4 सीएल समाधान (0.2 एल) में लिपटे एलसीएम रखो, और 2 घंटे के लिए 20 डिग्री सेल्सियस पर आयन एक्सचेंज ना ZSM-5 एलसीएम पर लेपित क्रिस्टल। आयन एक्सचेंज 0.2 एल ताजा एनएच 4 सीएल समाधान का उपयोग एनएच 4 -ZSM -5 क्रिस्टल पाने के लिए दोहराएँ।
    10. अंतिम पकाना एक ही मापदंड का उपयोग करके एच ZSM -5 प्राप्त के रूप में चरण 1.2.2.7 में उल्लेख किया है।

2. सोखना माप एलसीएम आधारित सोखना माप उपकरण 3 का उपयोग

नोट: इस काम में, एलसीएमकोटिंग और एच-ZSM-5 के साथ लेपित एक के बिना (पिछले अनुभाग में तैयार), कहा जाता है "संदर्भ एलसीएम" और "नमूना एलसीएम" क्रमशः। इसके अलावा, जिओलाइट बयान से पहले नमूना एलसीएम करार दिया है "उतार दिया नमूना एलसीएम"। भौतिक रसायन विज्ञान सी 3 के जर्नल में पिछले एक प्रकाशन में, एलसीएम आधारित सोखना माप उपकरण का विस्तृत विवरण पाया जा सकता है। इस काम में, गैस सोखना माप के लिए डिवाइस के आपरेशन इस छोटे प्रोटोकॉल में और विस्तार से वीडियो प्रोटोकॉल में प्रस्तुत किया है।

  1. सोखना माप से पहले तैयारी
    1. तापमान और संदर्भ के गुंजयमान आवृत्तियों में अंतर पर दबाव के प्रभाव पर टेस्ट और उतार दिया नमूना एलसीएमएस
      1. साफ हे अंगूठी, एलसीएम धारक, और एसीटोन के साथ नमूना कक्ष और दबाया हवा।
      2. de-ionized पानी के साथ एक बीकर में संदर्भ और उतार दिया नमूना एलसीएमएस रखो और उन्हें एक उल में साफtrasound स्नान।
      3. ध्यान से साफ संदर्भ और एलसीएम धारक है, जो उच्च तापमान प्रतिरोधी बिजली के तारों के माध्यम से थरथरानवाला से जुड़ा है पर उतार दिया नमूना एलसीएमएस जगह है।
      4. थरथरानवाला का उपयोग सुनिश्चित करने के लिए कि गुंजयमान आवृत्तियों सफलतापूर्वक पता लगाया जा सकता है स्थापित एलसीएमएस पूर्वपरीक्षण।
      5. नमूना कक्ष बंद करें, और एक वैक्यूम पंप से यह खाली।
      6. शुद्ध एन 2 खुराक के माध्यम से नमूना कक्ष में दबाव परिवर्तन।
      7. एक तापमान नियंत्रक द्वारा नमूना कक्ष के अंदर के तापमान को नियंत्रित।
      8. अध्ययन तापमान और दबाव पर्वतमाला में संदर्भ के गुंजयमान आवृत्तियों और उतार दिया नमूना एलसीएमएस, यानी, 50-150 डिग्री सेल्सियस और 0-16 बार उपाय है, आदेश के गुंजयमान आवृत्तियों में अंतर पर तापमान और दबाव के प्रभाव का पता करने के लिए संदर्भ और उतार दिया नमूना एलसीएमएस ( 2 समीकरण चरण 2.2.4 में)। परीक्षण है कि दिखाने 2 समीकरण 0-16 बार के दबाव रेंज में छोटे से 300 हर्ट्ज)। के निर्धारित मूल्यों का प्रयोग करें 2 समीकरण चरण 2.2.4 में Sauerbrey समीकरण में जिओलाइट पर गैसों के adsorbed राशि की गणना करने के लिए।
    2. नमूना एलसीएम के एक्टिवेशन
      1. साफ हे अंगूठी, एलसीएम धारक, और एसीटोन के साथ नमूना कक्ष और दबाया हवा।
      2. de-ionized पानी के साथ एक बीकर में संदर्भ एलसीएम रखो, और एक अल्ट्रासाउंड स्नान में यह साफ।
      3. ध्यान से साफ संदर्भ एलसीएम और एलसीएम धारक है, जो उच्च तापमान प्रतिरोधी बिजली के तारों के माध्यम से थरथरानवाला से जुड़ा है पर नमूना एलसीएम जगह है।
      4. पीएलए पूर्वपरीक्षणथरथरानवाला का उपयोग कर CED एलसीएमएस सुनिश्चित करने के लिए कि गुंजयमान आवृत्तियों सफलतापूर्वक पता लगाया जा सकता है।
      5. नमूना कक्ष बंद करें, और एक वैक्यूम पंप से यह खाली।
      6. उच्च तापमान पर नमूना एलसीएम सक्रिय करें (कम से कम 50 डिग्री सेल्सियस सोखना माप का तापमान, इस काम में 200 डिग्री सेल्सियस से अधिक) वैक्यूम हालत में रात भर सुनिश्चित करने के लिए कि केवल एक नगण्य गैस राशि एच ZSM-5 पर adsorbed है ।
  2. सोखना माप
    नोट: इस काम में, 50 डिग्री सेल्सियस पर सीओ 2 के सोखना माप एक उदाहरण देने के लिए प्रस्तुत किया है। माप (जैसे, गुंजयमान आवृत्तियों) और एच ZSM-5 पर adsorbed सीओ 2 की गणना की जनता से प्राप्त आंकड़ों के हमारे पिछले प्रकाशन 3 का समर्थन जानकारी के पटल एस 1 में पाया जा सकता है।
    1. adsorpti के वांछित तापमान पर नमूना कक्ष के अंदर के तापमान को समायोजित करें एक तापमान नियंत्रक द्वारा माप (यानी, 50 ± 0.1 डिग्री सेल्सियस), निर्वात परिस्थितियों में, यानी, केवल adsorbed गैस का एक नगण्य राशि के साथ।
    2. नमूना एलसीएम को थरथरानवाला कनेक्ट करें, और एक बटरवर्थ-वान डाइक समकक्ष सर्किट मॉडल के साथ प्रयोगात्मक डेटा ढाले के माध्यम से थरथरानवाला का समर्थन सॉफ्टवेयर के द्वारा अपने गुंजयमान आवृत्ति को मापने।
    3. संदर्भ एलसीएम को थरथरानवाला के कनेक्शन स्विच, और इसके गुंजयमान आवृत्ति को मापने।
    4. के एच-ZSM-5 नमूना एलसीएम पर जमा द्रव्यमान (adsorbed गैस के बिना) निर्धारित करने के लिए Sauerbrey समीकरण 2, 8 के अनुसार वैक्यूम की स्थिति के तहत नमूना और संदर्भ एलसीएमएस की मापा गुंजयमान आवृत्तियों का उपयोग करें:
      3 समीकरण
      कहा पे 413 / 54413eq4.jpg "/>, जी में बड़े पैमाने में अंतर 5 समीकरण हार्मोनिक जिस पर क्रिस्टल प्रेरित है की संख्या (इस अध्ययन में है, समीकरण 6 ), समीकरण 7 हर्ट्ज में संदर्भ और नमूना एलसीएमएस के गुंजयमान आवृत्तियों में अंतर है, 2 समीकरण संदर्भ और हर्ट्ज में उतार दिया नमूना एलसीएम के बीच गुंजयमान आवृत्तियों का अंतर है, समीकरण 8 langatate क्रिस्टल का घनत्व (6.13 छ सेमी -3) 4, है समीकरण 9 प्रभावी langatate क्रिस्टल (1.9 × 10 12 ग्राम सेमी -1 सेकंड -2) 4 के piezoelectrically stiffened कतरनी मापांक है,/files/ftp_upload/54413/54413eq10.jpg "/> संदर्भ एलसीएम के गुंजयमान आवृत्ति है, यानी, उतार एलसीएम, समीकरण 11 , एलसीएम के क्षेत्र (1.539 सेमी 2) 3।
      नोट: इस काम में, एच-ZSM-5 की बड़े पैमाने पर एलसीएम के केंद्र में सोने इलेक्ट्रोड पर जमा 0.502 मिलीग्राम है, जो 50 डिग्री सेल्सियस पर 14,100 हर्ट्ज की एक गुंजयमान आवृत्ति परिवर्तन का कारण बनता है।
    5. , या एक वैक्यूम पंप के माध्यम से निकासी द्वारा शुद्ध गैस (मेथनॉल और डीएमई के लिए, बाष्पीकरण से मैन्युअल कक्ष में एक खुराक वाल्व के माध्यम से) एक जन प्रवाह नियंत्रक के माध्यम से गैस सिलेंडर से खुराक द्वारा नमूना कक्ष के अंदर सीओ 2 के गैस दबाव नियंत्रण । इधर, 0-16 बार के सीओ 2 सोखना माप का एक दबाव रेंज के रूप में चित्रा 2 में दिखाया गया है का उपयोग करें।
    6. रुको जब तक संतुलन की स्थिति और एक स्थिर तापमान पर पहुँच गया है, जैसे, तापमान 50 ± 0.1 डिग्री सेल्सियस के भीतर भिन्न होता है।
    7. सहनमूना एलसीएम को थरथरानवाला nnect, और एक निश्चित दबाव में गैस से संपर्क के बाद अपने गुंजयमान आवृत्ति को मापने।
    8. संदर्भ एलसीएम को थरथरानवाला के कनेक्शन स्विच, और एक ही परिस्थितियों में अपने गुंजयमान आवृत्ति को मापने।
    9. Sauerbrey समीकरण ऊपर दिखाए गए के अनुसार, एच-ZSM-5 के कुल द्रव्यमान का नमूना एलसीएम और गैस इस गैस के दबाव के तहत एच-ZSM-5 पर adsorbed पर जमा की गणना। एच-ZSM-5 के द्रव्यमान (adsorbed गैस के बिना) चरण 2.2.4 में निर्धारित घटा कर, सीओ 2 की बड़े पैमाने पर इस गैस के दबाव के तहत प्राप्त की है एच ZSM-5 पर adsorbed।
    10. अलग-अलग दबाव के लिए नमूना और संदर्भ एलसीएमएस के लिए गुंजयमान आवृत्ति माप दोहराएँ, आदेश सीओ 2 के सभी जनता के विभिन्न गैस के दबाव के तहत एच-ZSM-5 नमूना adsorbed पर प्राप्त करने के लिए।
    11. अंत में, सीओ 2 adsorbed के सभी जनता की गणना के माध्यम से 0-16 बार के अध्ययन दबाव रेंज में 50 डिग्री सेल्सियस पर गैस सोखना इज़ोटेर्म प्राप्त2.2.9 कदम के अनुसार अलग-अलग गैस के दबाव के तहत एच-ZSM-5 नमूना पर।
    12. अन्य तापमान पर सोखना isotherms के लिए, स्थिर तापमान तापमान नियंत्रक का उपयोग बदलने के लिए, और 2.2.11 के लिए कदम 2.2.1 दोहराएँ।
    13. सोखना क्षमता, सोखना enthalpies, और सोखना entropies तरह सोखना मानकों का निर्धारण करने के लिए कम से कम वर्गों विधि के माध्यम से Langmuir मॉडल की तरह सोखना मॉडलों के साथ सोखना isotherms फिट (पिछले प्रकाशन 3 और उसके समर्थन में जानकारी देखें)।

Representative Results

चित्रा 1 तस्वीरें, प्रकाश माइक्रोस्कोपी और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) लेपित और uncoated एलसीएम सेंसर (बाएं) की छवियों, साथ ही उनके एक्स-रे विवर्तन (XRD) पैटर्न (दाएं) से पता चलता है। दोनों से, प्रकाश और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (चित्रा 1 बी और सी), थरथरानवाला के लिए सोने इलेक्ट्रोड का कनेक्शन अंक कम एलसीएम के केंद्र क्षेत्र की तुलना में जिओलाइट क्रिस्टल के साथ कवर कर रहे हैं। एलसीएम-सेंसर के शीर्ष पर जिओलाइट क्रिस्टल की सबसे अलग हैं और (010) के साथ विशेषता गोल-नाव आकृति विज्ञान दिखाने के लिए, विमान में मुख्य रूप से सामना करना पड़ रहा। इसके अलावा, कुछ क्रिस्टल इसके अतिरिक्त ठेठ intergrowth व्यवहार ( "twinned क्रिस्टल") दिखा। इसके अलावा, लोड एच ZSM-5 langatate क्रिस्टल पर (सी / अल दाढ़ 100 के संश्लेषण के मिश्रण की संरचना के अनुसार अनुपात) XRD और तरंग दैर्ध्य फैलानेवाला एक्स-रे से जांच की गई है (WDX) स्पेक्ट्रोस्कोपी 3।

चित्रा 2 में, एच-ZSM-5 जिओलाइट के लिए सीओ 2 सोखना isotherms 50-150 डिग्री सेल्सियस और 0-16 बार के दबाव रेंज के तापमान रेंज में एलसीएम डिवाइस है, साथ ही एक साइट Langmuir के फिट के साथ प्राप्त प्रयोगात्मक डेटा को इज़ोटेर्म मॉडल, एक प्रतिनिधि उदाहरण देने के लिए दिखाए जाते हैं। चित्रा 2 में दिखाया गया है, सीओ 2 के निर्धारित सोखना isotherms एक साइट Langmuir इज़ोटेर्म अच्छी तरह से साथ लगे थे। चित्रा 3 एल.एन. के चित्र (कश्मीर 'मैं) बनाम चलता 1,000 / टी सीओ 2 के लिए के रूप सोखना isotherms से निकाली गई, यानी, सोखना isotherms के फिट से निर्धारित सोखना स्थिरांक का तापमान निर्भरता। सोखना enthalpies और सीओ 2 के entropies van't हॉफ समीकरण के साथ फिटिंग द्वारा निर्धारित किया गया है (पिछले प्रकाशन का समर्थन जानकारी देखना3)। मॉडल फिटिंग शो का परिणाम है कि सोखना क्षमता, सोखना तापीय धारिता और सीओ 2 के लिए सोखना एन्ट्रापी एच ZSM-5 4.0 ± 0.2 mmol जी -1, 15.3 ± 0.5 जूल मोल -1 और 56.3 ± 1.5 जम्मू मोल -1 कश्मीर -1 क्रमश: 3।

एक साइट Langmuir इज़ोटेर्म और van't हॉफ समीकरण के फिट की उच्च गुणवत्ता आंकड़े 2 और 3 में दिखाया गया है एक निरंतर सोखना क्षमता की धारणा का समर्थन करता है (यानी, संतृप्ति लोड हो रहा है) और तापीय धारिता (यानी, सोखना की गर्मी) को कम से कम इस्तेमाल किया स्थितियों की सीमा के लिए मान्य होगा। इसके अलावा, सीओ 2 के सोखना मानकों को इस काम में एलसीएम आधारित सोखना माप उपकरण द्वारा निर्धारित साहित्य 9-12, यानी, सोखना क्षमता, सोखना तापीय धारिता और सोखना एन्ट्रापी रेपो में सूचना दी मूल्यों के लिए अच्छी तरह से तुलनाएमएफआई प्रकार zeolites में सीओ 2 के लिए rted 30 के तापमान रेंज में -1 कश्मीर -1, क्रमश: 2.1-3.8 mmol जी -1, 19-28.7 जूल मोल -1, और 43.7-82.7 जे मॉल की सीमा में भिन्नता -200 डिग्री सेल्सियस और 0-5 बार के दबाव रेंज।

आकृति 1
चित्रा 1. लेपित langatate क्रिस्टल Microbalance सेंसर (बाएं)। (क) लेपित और uncoated सेंसर (दाएं) के फोटोग्राफ, (ख) प्रकाश माइक्रोस्कोपी और (ग) स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों। लेपित और uncoated एलसीएम सेंसर (दाएं) का एक्स-रे विवर्तन पैटर्न। यह आंकड़ा पिछले एक प्रकाशन 3 से संशोधित किया गया है। अमेरिकन केमिकल सोसाइटी (कॉपीराइट 2015) की अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। देखें एक बड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करेंयह आंकड़ा के सायन।

चित्र 2
में सीओ 2 के लिए चित्रा 2. सोखना isotherms 50 में एच-ZSM-5 ( समीकरण 12 ), 75 ( समीकरण 13 ), 100 ( समीकरण 14 ), और 150 डिग्री सेल्सियस ( समीकरण 15 )। प्रतीकों प्रयोगात्मक डेटा प्रतिनिधित्व करते हैं, त्रुटि सलाखों गुंजयमान आवृत्तियों की माप अनिश्चितता की वजह से जैसे, तापमान अस्थिरता, और कदम 2.2.4 में वर्णित के रूप Sauerbrey समीकरण के अनुसार गणना से संकेत मिलता है, और लाइनों फिट का प्रतिनिधित्व प्रयोगात्मक डेटा के लिए एक साइट Langmuir इज़ोटेर्म मॉडल की। यह आंकड़ा हापिछले एक प्रकाशन 3 से संशोधित किया गया है। अमेरिकन केमिकल सोसाइटी (कॉपीराइट 2015) की अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. एल.एन. (कश्मीर i) बनाम 1,000 / टी सीओ 2 के लिए सोखना enthalpies और entropies निर्धारित करने के लिए। यह आंकड़ा पिछले एक प्रकाशन 3 से संशोधित किया गया है। अमेरिकन केमिकल सोसाइटी (कॉपीराइट 2015) की अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

इस काम में, सैक द्वारा एलसीएम सेंसर के केंद्र में सोने इलेक्ट्रोड पर जिओलाइट एच ZSM-5 क्रिस्टल के सफल संश्लेषण प्रदर्शन किया है, यानी, जिओलाइट सफलतापूर्वक के कनेक्शन अंक कवर के बिना एलसीएम संवेदक पर लोड किया जाता है थरथरानवाला के लिए सोने इलेक्ट्रोड। इस प्रकार, जिओलाइट एलसीएम संवेदक के साथ एक साथ थरथराना सकते हैं, जबकि एलसीएम सेंसर इसकी अच्छी electroconductivity और माप संवेदनशीलता रहता है। पारंपरिक QCM उपकरणों जो नीचे 80 डिग्री सेल्सियस सीमित कर रहे हैं की तुलना में, एलसीएम इस काम में प्रस्तुत डिवाइस सफलतापूर्वक, के रूप में 150 डिग्री सेल्सियस, यानी के रूप में उच्च में या उद्योग में प्रतिक्रियाओं के तापमान के करीब तापमान पर सोखना माप के लिए प्रयोग किया जाता है। हालांकि, वर्तमान एलसीएम डिवाइस 200 डिग्री सेल्सियस से नीचे ही सीमित है। 200 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर, माप अनिश्चितता adsor की बड़े पैमाने पर ऊपर 150 डिग्री सेल्सियस तापमान में वृद्धि के साथ adsorbed गैस की बड़े पैमाने पर अधिक हो सकता है, के बाद से,जबकि माप अनिश्चितता को कम तापमान नियंत्रण सटीक के कारण काफी बढ़ जाती है बिस्तर गैस, एक महत्वपूर्ण कमी है। इस प्रकार, भविष्य प्रयोगों में, एक नई विधि एलसीएम, जो सोखना करने के लिए और अधिक गैस का कारण बनता है पर अधिक जिओलाइट जमा करने के लिए विकसित किया जाना चाहिए, और इसके अलावा तापमान और दबाव पर प्रभाव की क्षतिपूर्ति 2 समीकरण । यह उच्च तापमान के लिए एलसीएम डिवाइस के आवेदन रेंज का विस्तार करने में मदद कर सकता है।

प्रयोग के दौरान, जिओलाइट संश्लेषण में महत्वपूर्ण कदम है, जबकि सोखना माप में उन कदमों 2.1.1.3, 2.1.1.4, 2.2.1, 2.2 रहे हैं, कदम 1.2.2.1, 1.2.2.4, 1.2.2.5 और 1.2.2.7 हैं .5 और 2.2.6। चरण 1.2.2.1 में, एलसीएम, जो सोने इलेक्ट्रोड का कनेक्शन अंक पर फैल जाएगा पर संश्लेषण मिश्रण का बहुत ज्यादा रखने से बचें। चरण 1.2.2.4 में, ध्यान से आटोक्लेव में एलसीएम साथ Teflon धारक डाल सुनिश्चित करने के लिए कि एलसीएम ज रहा हैorizontal और नीचे तरल पानी से संपर्क नहीं करता। कदम 1.2.2.5 और 1.2.2.7 में, जिओलाइट संश्लेषण और पकाना में एक उच्च तापमान का उपयोग नहीं करते हैं, क्योंकि हमारे पिछले प्रयोगों चलता है कि यह एलसीएम की गिरावट की ओर जाता है। सोखना माप में, एलसीएम सेंसर की स्थिति गुंजयमान आवृत्ति संकेतों की गुणवत्ता पर थरथरानवाला के लिए एलसीएम सेंसर की कनेक्टिविटी पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, और इसलिए। इसलिए, कदम 2.1.1.3 और 2.1.1.4, जिसमें एलसीएमएस धारक पर भरी हुई है और pretested कर रहे हैं करने के लिए विशेष ध्यान देते हैं। एलसीएमएस स्थिति यह है कि वे इलेक्ट्रोड का कनेक्शन अंक के माध्यम से थरथरानवाला के साथ जुड़े हुए हैं में होना चाहिए (चित्रा 1 में संकेत दिया)। यह उच्च गुणवत्ता गुंजयमान आवृत्ति उच्च माप सटीकता को सक्षम करने के संकेतों को प्राप्त करने के लिए अनिवार्य है। इसके अलावा, कदम 2.2.1 और 2.2.6 में, यह सुनिश्चित है कि एक स्थिर तापमान मापन से पहले हासिल की है, क्योंकि यह भी माप ACCU बढ़ जाती हैकास। इसके अलावा, चरण 2.2.5 में, धीरे-धीरे गैस को खिलाने के लिए, क्रम में तापमान के अंदर का एक छोटा सा परिवर्तन किया जा सके। यह मदद करता है तापमान थोड़े समय के बाद फिर से स्थिर हो जाते हैं।

एलसीएम संवेदक पर जिओलाइट एच ZSM-5 के लिए सैक संश्लेषण विधि आसानी से अन्य zeolites करने के लिए बढ़ाया जा सकता है के बाद से, एलसीएम आधारित सोखना माप उपकरण के रूप में अच्छी तरह से उनके लिए इस्तेमाल होने की उम्मीद है। इसके अलावा, अपने उच्च सटीकता और कम लागत के कारण, इस डिवाइस किसी भी सामग्री है, जो एलसीएम पर लेपित किया जा सकता है, आदेश में उच्च तापमान पर अपनी सोखना गुणों की जांच करने के लिए के लिए लागू होने की उम्मीद है।

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 114 उच्च आवृत्ति दोलन Microbalance उच्च तापमान गैस सोखना Langmuir इज़ोटेर्म microporous सामग्री भाप की मदद से क्रिस्टलीकरण जिओलाइट कोटिंग डाइमिथाइल ईथर संश्लेषण
सोखना डिवाइस जिओलाइट में उच्च तापमान उच्च दबाव गैस सोखना के लिए एक Langatate क्रिस्टल Microbalance के आधार पर एच-ZSM-5
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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).

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