Waiting
Login processing...

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

Engineering

Adsorbsjonsanordningen Basert på en Langatate krystall mikro for High Temperature High Pressure Gas adsorpsjon i Zeolite 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 presenterer en høy temperatur og høyt trykk gassadsorbsjon måleinnretning basert på et høyfrekvent oscillerende mikrovekten (5 MHz langatate krystall mikro, LCM) og dets anvendelse for gass adsorpsjon målinger i zeolitt H-ZSM-5. Før adsorpsjons- målingene, ble zeolitt H-ZSM-5 krystaller syntetisert på gullelektrode i midten av LCM, uten å dekke forbindelsespunktene for de gullelektroder til oscillatoren, ved dampassistert krystallisering (SAC) -metoden, slik at zeolittkrystaller forbli festet til den oscillerende mikrovekten samtidig god ledningsevne LCM under adsorpsjons- målingene. Sammenlignet med en konvensjonell kvartskrystall mikrovekt (QCM) som er begrenset til temperaturer under 80 ° C, LCM kan realisere adsorpsjons- målinger i prinsippet ved temperaturer så høye som 200-300 ° C (dvs. ved eller nær reaksjonstemperaturen målapplikasjonen av ett-trinnsDME-syntese fra syntesegass), på grunn av fravær av krystallinsk-faseoverganger opp til sitt smeltepunkt (1470 ° C). Systemet ble anvendt for å undersøke den adsorpsjon av CO2, H2O, metanol og dimetyleter (DME), hver i gassfase, på zeolitt H-ZSM-5 i temperatur og trykkområde på 50-150 ° C og 0-18 bar, henholdsvis. Resultatene viste at adsorpsjonsisotermer av disse gassene i H-ZSM-5 kan også monteres av Langmuir-type adsorpsjonsisotermer. Videre bestemmes adsorpsjon parametre, dvs. adsorpsjon kapasitet, adsorpsjon entalpier og adsorpsjon entropies, sammenligne godt til litteraturen. I dette arbeidet, blir resultatene i CO 2 vist som et eksempel.

Introduction

Adsorpsjonsegenskaper sterkt påvirke ytelsen av katalytiske materialer, kan derfor nøyaktig kjennskap til disse egenskapene bistå i karakterisering, design og optimalisering av slike materialer. Imidlertid er adsorpsjonsegenskapene vanligvis bedømt fra enkeltkomponent-adsorpsjons- målinger ofte ved romtemperatur eller under flytende nitrogen forhold, og dermed en utvidelse av praktiske situasjoner kan føre til en alvorlig avvik fra den virkelige oppførsel. In situ-adsorpsjons- målinger på katalytiske materialer , spesielt ved høy temperatur og høyt trykkforhold, fortsatt en stor utfordring.

En adsorpsjon måleinnretning basert på en kvartskrystall mikrovekt (QCM) er fordelaktig i den kommersialisert volumetriske og gravimetriske metoder på en slik måte at det er meget nøyaktig for masse absorpsjon anvendelser, tilfredsstillende stabile i et kontrollert miljø, og mer prisgunstig 1-2. However, er den konvensjonelle QCM analysen begrenset til temperaturer under 80 ° C 1-2. For å overvinne denne begrensningen, har vi utviklet en adsorpsjon måleenhet basert på en høy temperatur høyfrekvente oscillerende mikrovekt (langatate krystall mikro, LCM) 3, som kan realisere adsorpsjon målinger i prinsippet ved temperaturer så høyt som 200-300 ° C, på grunn av fravær av krystallinsk-faseoverganger opp til sitt smeltepunkt (1470 ° C) 4. De LCMS som brukes i dette arbeidet har en AT-kutt (dvs. plate av krystallmikrovekten inneholder x-aksen til krystallen, og er skråstilt med 35 ° 15 'fra z-aksen) og en resonansfrekvens på 5 MHz. Denne enheten ble påført på adsorpsjons- målinger av CO2, H2O, metanol og dimetyleter (DME), hver i gassform, på zeolitt H-ZSM-5 i temperaturområdet 50-150 ° C og trykkområde fra 0-18 bar tre, med sikte på validatipå fra simuleringsmodeller for optimalisering av bifunksjonelle kjerne-skall-katalysatorer for en-trinns produksjon av DME fra syntesegassen 5-6. Hvordan bruke denne enheten for gass adsorpsjon målingene er presentert i protokollen delen.

Før adsorpsjons- målingene, zeolitt H-ZSM-5 krystallitter (0,502 mg) ble syntetisert på gullelektrode i midten av LCM ved dampassistert krystallisering (SAC) Fremgangsmåte i henhold til de la Iglesia et al. 7, i en slik måte at zeolitt-krystallittene forbli festet til den oscillerende mikrovekten. Som vist i figur 1, har LCM benyttet i adsorpsjonen måleanordningen polert gullelektroder på begge sider, noe som bidrar til å koble LCM til en oscillator. Fordi zeolittkrystaller om tilkoblingspunktene for de gullelektroder til oscillatoren vil i betydelig grad redusere ledningsevne (som vist i figur 1) og dermedmåling følsomheten til LCM ble de zeolitt-H-ZSM-5 krystaller avsettes på LCM via SAC-metoden ikke dekker disse tilkoblingspunkter 3. Detaljene om syntesen av zeolitt H-ZSM-5 på LCM er kort oppsummert i det følgende protokoll delen og vises i video protokollen i detalj.

Protocol

Forsiktig: Sjå alle relevante sikkerhetsdatablad (MSDS) før bruk. Flere av de kjemikalier som brukes i syntesen av zeolitt H-ZSM-5 er akutt giftige og kreftfremkallende. Nanomaterialer kan ha ytterligere risiko i forhold til sin bulk motstykke. Vennligst bruk alle nødvendige sikkerhetsrutiner når du utfører en nanocrystal reaksjon inkludert bruk av ventilasjonssystemer (avtrekkshette, hanskerommet) og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, frakk, full lengde bukser, lukket-toe sko). Videre vier spesiell oppmerksomhet når du utfører adsorpsjon målinger med metanol og DME, siden begge er brannfarlige og eksplosive farlige materialer.

1. Syntese av zeolitt H-ZSM-5 på LCM

  1. Fremstilling av en zeolittsyntese blanding
    Merk: Den endelige synteseblanding hadde følgende molare sammensetning som er tilpasset fra de la Iglesia et al. 7: 1 SiO 2: 50 H 2 O: 0,07 Na 2 O: 0,024 TPA 2 O: 0.005 Al 2 O 3. Således, H-ZSM-5 er den teoretiske Si / Al molforhold på den syntetiserte zeolitt 100.
    1. Oppløs 0,14 g natriumhydroxyd i 20,30 g avionisert vann via omrøring. Alternativt, bland 3,64 g 1 M NaOH med 16,8 g avionisert vann.
    2. Legg 1,16 g tetrapropylammoniumhydroksyd (TPAOH) løsning, og rør løsningen til det vises klart.
    3. Legg 5,0 g tetraetylortosilikat (TEOS) løsning dråpevis og omrør løsningen til det vises klart.
    4. Hold røring, mens du legger 0,09 g aluminiumnitrat nonahydrat (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, solid) i løsningen.
    5. omrøring Hold inntil det faste aluminiumnitrat-nonahydrat er oppløst. Legg merke til at det fremstilles zeolittsyntese blandingen bør brukes i løpet av 5 timer på grunn av aldring.
  2. Syntese av zeolitt ZSM-5 på LCM via SAC 3
  3. Rengjør LCM før zeolitt syntese
    1. Vask LCM grundig med de-ionisert vann.
    2. Sett LCM i et beger med de-ionisert vann, og rengjør det i et ultralydbad.
    3. Tørk LCM ved 80 ° C i en ovn.
  4. Zeolite syntese
    1. Nøye flere dråper av den fremstilte zeolitt synteseblanding på elektroden i midten av LCM som vist i figur 1 ved hjelp av en pipette, siden bare zeolitten avsatt på gullelektroden kan føre til at resonansfrekvensforskyvning av LCM 8. Videre unngå spredning av synteseblandingen på forbindelsespunktene for de gullelektroder til oscillatoren, fordi zeolitten på kontaktpunktene vil i betydelig grad redusere ledningsevne og således målingen følsomheten til LCM. I tillegg, fjerner zeolitt-krystaller på tilkoblingspunktene etter deposition vil ødelegge elektrodene.
    2. Tørk LCM med synteseblandingen ved 80 ° C i 2 timer for å oppnå en meget viskøs gel-lignende fase på den.
    3. Tilsett en liten mengde avionisert vann (ca. 10 ml) i en teflon-foret autoklav (80 ml) for å fremstille damp i løpet av zeolittsyntese.
    4. Sett Teflon holderen i autoklaven, som støtter LCM horisontalt over det flytende vann i bunnen av autoklaven i løpet av zeolittsyntese.
    5. Holder autoklaven i en ovn ved 150 ° C i 48 timer for å syntetisere zeolitten på LCM via SAC-metoden.
    6. Rett etter SAC, vaske det belagte LCM med de-ionisert vann og tørker det ved 80 ° C i 2 timer.
    7. Fjerne det organiske templat i zeolitt-krystallene ved kalsinering i en høy-temperatur ovn under en oksiderende atmosfære. Program i ovnen på følgende måte: a) Økning av temperaturen fra romtemperatur til 450 ° C med en hastighet på 3 ° C min -1; b) Holdtemperatur ved 450 ° C i 4 timer; c) Reduser temperaturen fra 450 ° C til romtemperatur med en hastighet på 3 ° C min -1.
    8. Oppløs 26,75 g ammoniumklorid (NH4CI, fast stoff) i 0,4 liter deionisert vann. Tilsett mer avionisert vann i løsningen, slik at den endelige NH4CI-oppløsning er 0,5 L og har konsentrasjonen av 1 mol dm -3.
    9. Sett belagt LCM inn i NH4Cl-løsning (0,2 L) i et begerglass, og ione-utveksler Na-ZSM-5 krystaller belagt på LCM ved 20 ° C i 2 timer. Gjenta ion-exchange bruker 0,2 L frisk NH4Cl-løsning for å få NH 4 -ZSM-5 krystaller.
    10. Skaff H-ZSM-5 ved endelig kalsinering ved hjelp av de samme parametrene som nevnt i trinn 1.2.2.7.

2. Adsorbsjon Målinger Bruke LCM-baserte Adsorpsjon måleenhet 3

Merk: I dette arbeidet, LCMuten belegg og den ene belagt med H-ZSM-5 (fremstilt i den siste seksjon) er kalt "referanse LCM" og "sample LCM", henholdsvis. Videre er utvalget LCM før zeolitt deponering kalt "losset sample LCM". I en tidligere publikasjon i Journal of Physical Chemistry C 3, kan en detaljert beskrivelse av LCM-baserte adsorpsjon måleenhet funnet. I dette arbeidet, blir operasjonen av anordningen for gass-adsorpsjon målinger presentert i denne korte protokollen, og i video protokollen i detalj.

  1. Klargjøring før adsorpsjon målinger
    1. Tester på virkningene av temperatur og trykk på forskjellen i resonansfrekvenser for referanse og losses prøve LCMS
      1. Rens O-ringen, LCM holderen, og prøvekammeret med aceton og presset luft.
      2. Sett referanse og losset prøve LCMS i et beger med de-ionisert vann og rengjør dem i en ultrasound bad.
      3. Plasser forsiktig ren referanse og losset prøve LCMS på LCM holderen, som er koblet til oscillatoren via høytemperatur-resistente elektriske kabler.
      4. Pretest de installerte LCMS ved hjelp av oscillatoren for å sikre at resonansfrekvensene kan oppdages med hell.
      5. Lukker prøvekammeret og evakuere det med en vakuumpumpe.
      6. Endre trykket i prøvekammeret via doserings ren N2.
      7. Styre temperaturen inne i prøvekammeret ved hjelp av en temperaturregulator.
      8. Måle resonansfrekvensene for referanse og losses prøve LCMS i de undersøkte temperatur- og trykkområder, dvs. 50-150 ° C og 0-16 bar, for å vite effekten av temperatur og trykk på forskjellen i resonansfrekvenser av referanse og losset prøve LCMS ( ligning 2 i trinn 2.2.4). Forsøkene viser at "Ligning mindre enn 300 Hz i trykkområde på 0-16 bar). Bruk bestemte verdier av ligning 2 i Sauerbrey ligningen i trinn 2.2.4 for å beregne den adsorberte mengden av gasser på zeolitten.
    2. Aktivering av prøven LCM
      1. Rens O-ringen, LCM holderen, og prøvekammeret med aceton og presset luft.
      2. Sett referansen LCM i et beger med de-ionisert vann, og rengjør det i et ultralydbad.
      3. Plasser forsiktig ren referanse LCM og prøve LCM på LCM holderen, som er koblet til oscillatoren via høytemperatur-resistente elektriske kabler.
      4. Forprøvekontroll den plaCED LCMS ved hjelp av oscillatoren for å sikre at resonansfrekvensene kan oppdages med hell.
      5. Lukker prøvekammeret og evakuere det med en vakuumpumpe.
      6. Aktiver prøven LCM ved høye temperaturer (på minst 50 ° C høyere enn temperaturene i adsorpsjons- målingene, 200 ° C i dette arbeid) i vakuum tilstand over natten for å sikre at bare en ubetydelig gass beløp er adsorbert på H-ZSM-5- .
  2. Adsorpsjonsbetingelser målinger
    Merk: I dette arbeidet, er adsorpsjonen måling av CO2 ved 50 ° C presentert for å gi et eksempel. De oppnådde data fra måle (f.eks resonansfrekvenser) og de ​​beregnede mengder av absorbert CO 2 på H-ZSM-5 kan finnes i tabell S1 av støtte Information av vår tidligere publikasjon 3.
    1. Juster temperaturen inne i prøvekammeret ved den ønskede temperatur av den adsorpti på målinger (dvs. 50 ± 0,1 ° C) ved en temperaturregulator, under vakuumbetingelser, dvs. bare med en ubetydelig mengde av adsorbert gass.
    2. Koble oscillator til prøven LCM, og måle resonansfrekvens ved å støtte programvaren til oscillator via tilpasning av eksperimentelle data med en Butterworth-Van Dyke tilsvarende krets modell.
    3. Bryter forbindelsen mellom oscillator til referanse LCM, og måle dens resonansfrekvens.
    4. Bruke de målte resonansfrekvensene til prøve og referanse LCMS under vakuumbetingelser for å bestemme massen av H-ZSM-5 avsatt på prøven LCM (uten adsorbert gass) i henhold til den Sauerbrey ligning 2, 8:
      ligning 3
      hvor 413 / 54413eq4.jpg "/> er forskjellen i masse i g, ligning 5 er antall harmoniske ved hvilken krystallet er drevet (i denne studien ligning 6 ) ligning 7 er forskjellen i resonansfrekvensene av referanse- og prøve LCMS i Hz, ligning 2 er differansen av resonansfrekvensene mellom referansen og losses prøve LCM i Hz, ligning 8 er tettheten av langatate krystall (6,13 g cm-3) 4, ligning 9 er den effektive piezoelektrisk stivnet skjærmodul av den langatate krystall (1,9 x 10 12 g cm-1 sek-2) 4,/files/ftp_upload/54413/54413eq10.jpg "/> er resonansfrekvensen for referanse LCM, dvs. ubelastet LCM, ligning 11 , Arealet av LCM (1,539 cm 2) 3.
      Merk: I dette arbeidet, er massen av H-ZSM-5 avsatt på gullelektroden i midten av LCM 0,502 mg, noe som fører til en resonansfrekvensforskyvning av 14 100 Hz ved 50 ° C.
    5. Regulere gasstrykket av CO2 inne i prøvekammeret ved å dosere ren gass fra gassflasken via en massestrømsregulator (for metanol og DME, fra fordamperen manuelt via en doseringsventil inn i kammeret), eller ved evakuering ved hjelp av en vakuumpumpe . Her bruker et trykkområde på CO 2 adsorpsjon målinger av 0-16 bar, som vist i figur 2.
    6. Vent inntil likevektsbetingelser og en stabil temperatur er nådd, for eksempel, varierer temperaturen i løpet av 50 ± 0,1 ° C.
    7. Connect oscillatoren til prøven LCM, og måle dens resonansfrekvens etter eksponering av gassen ved et gitt trykk.
    8. Bryter forbindelsen mellom oscillator til referanse LCM, og måle dens resonansfrekvens under de samme betingelser.
    9. I henhold til ligning Sauerbrey vist ovenfor, beregner den totale massen av H-ZSM-5 avsatt på prøve LCM og gass adsorbert på H-ZSM-5 under denne gasstrykk. Ved å trekke massen av H-ZSM-5 (uten adsorbert gass) ble bestemt i punkt 2.2.4, massen av CO 2 adsorbert på H-ZSM-5 i henhold til dette gasstrykk er oppnådd.
    10. Gjenta resonansfrekvensmålinger på prøve- og referanse LCMS for varierende trykk, for å oppnå alle massene av CO 2 adsorbert på H-ZSM-5-prøvene under forskjellige gasstrykk.
    11. Til slutt, får gassen adsorpsjon isotermen ved 50 ° C i den undersøkte trykkområde av 0-16 bar via beregning av alle massene av CO 2 adsorbertepå H-ZSM-5-prøvene under forskjellige gasstrykk i henhold til trinn 2.2.9.
    12. For adsorpsjonsisotermer ved andre temperaturer, endre stabil temperatur med temperaturregulator, og gjenta trinn 2.2.1 til 2.2.11.
    13. Monter adsorpsjonsisotermer med adsorpsjon modeller som Langmuir modeller via den minste kvadraters metode for å bestemme adsorpsjon parametere som adsorpsjon kapasitet, adsorpsjon entalpier og adsorpsjon entropies (se forrige publisering tre og tilhørende informasjon).

Representative Results

Figur 1 viser fotografier, lysmikroskopi og scanning elektronmikroskopi (SEM) -bilder av den belagte og ubelagte LCM sensor (til venstre), så vel som deres røntgen-diffraksjon (XRD) mønster (høyre). Fra begge, lett og scanning elektronmikroskopi (figur 1 b og c), tilkoblingspunktene for de gullelektroder til oscillatoren er mindre dekket med zeolittkrystaller enn midtområdet av LCM. De fleste av de zeolitt-krystaller på toppen av LCM-sensor er isolert og viser karakteristiske avrundede-båt morfologi, med den (010) -planet hovedsakelig vender opp. Dessuten, noen krystaller i tillegg viser den typiske intergrowth atferd ( "Tvilling krystaller"). Videre har lastet H-ZSM-5 (Si / Al molforhold på 100 i henhold til sammensetningen av synteseblandingen) på langatate krystall blitt undersøkt ved røntgendiffraksjon og bølgelengde-dispersiv røntgen (WDX) spektroskopi 3.

I figur 2 CO 2 adsorpsjonsisotermer for H-ZSM-5-zeolitt ble oppnådd med LCM-enheten i temperaturområdet 50-150 ° C og trykkområde på 0-16 bar, så vel som i form av det indre området Langmuir isoterm modell til den eksperimentelle data, er vist for å gi et representativt eksempel. Som vist i figur 2, ble bestemt på adsorpsjonsisotermer CO 2 utstyrt med et enkelt område Langmuir isoterm brønnen. Figur 3 viser diagrammet av ln (K 'i) sammenlignet med 1000 / T for CO 2 som utledes fra adsorpsjonsisotermer, dvs. temperaturavhengigheten av adsorpsjons- konstanter bestemt fra tilpasning av adsorpsjonsisotermer. Adsorpsjon entalpier og entropies av CO 2 ble bestemt ved å tilpasse med Van't Hoff-ligningen (se saksdokumenter av forrige publisering3). Resultatene av modell montering viser at adsorpsjonskapasiteten, adsorpsjon entalpi og entropi adsorpsjon av 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 høye kvaliteten av tilpasningen av enkelt område Langmuir isotermen og van't Hoff ligningen som er vist i figurene 2 og 3 understøtter antagelsen om konstant adsorpsjonskapasitet (dvs. metning lasting) og entalpi (dvs. adsorpsjonsvarmen) til være gyldig i det minste for det område av betingelser som brukes. Videre adsorpsjons- parametrene av CO 2 bestemt av LCM-baserte adsorpsjon måleinnretning i dette arbeidet sammenligne godt til verdier som er rapportert i litteraturen 9-12, dvs. adsorpsjonskapasiteten, adsorpsjon entalpi og entropi adsorpsjon reported for CO2 i MFI-type zeolitter variere i området fra 2.1 til 3.8 mmol g -1, 19-28,7 kJ mol -1, og 43,7 til 82,7 mol J -1 -1 K, henholdsvis i temperaturområdet 30 -200 ° C og trykkområde på 0-5 bar.

Figur 1
Figur 1. Coated langatate krystall mikrosensor (til venstre). (A) Fotografier av den belagte og ubelagte sensor (til høyre), (b) lysmikroskopi og (c) skanning elektronmikroskopi bilder. X-ray diffraksjon mønstre av bestrøket og ubestrøket LCM sensor (til høyre). Dette tallet har blitt forandret fra en tidligere publikasjon tre. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society (Copyright 2015). Klikk her for å se et større version av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. adsorpsjonsisotermer for CO 2 i H-ZSM-5 på 50 ( ligning 12 ), 75 ( ligning 13 ), 100 ( ligning 14 ), Og 150 ° C ( ligning 15 ). Symbolene representerer de eksperimentelle data, feil viser linjene måleusikkerhet av resonansfrekvensene er forårsaket av, for eksempel, ustabilitet temperatur, og beregnet i henhold til ligning Sauerbrey som beskrevet i trinn 2.2.4, og linjene representerer fit av det indre området Langmuir isoterm modell til de eksperimentelle data. Dette tallet haer blitt endret fra en tidligere publikasjon tre. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society (Copyright 2015). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. ln (Ki) vs. 1000 / T for å bestemme adsorpsjon entalpier og entropies for CO 2. Dette tallet har blitt forandret fra en tidligere publikasjon tre. Gjengitt med tillatelse fra American Chemical Society (Copyright 2015). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

I dette arbeidet er vellykket syntese av zeolitt-H-ZSM-5 krystaller på gullelektroden i midten av LCM sensoren ved SAC vist, dvs. at zeolitten lastet på LCM føleren uten å dekke tilkoplingspunkter av gullelektroder til oscillatoren. Således kan zeolitten svinge sammen med LCM sensor, mens den holder sin LCM sensoren god elektrisk ledningsevne og målefølsomhet. Sammenlignet med de konvensjonelle QCM anordninger som er begrenset under 80 ° C, blir LCM anordningen presentert i dette arbeidet med hell brukes til adsorpsjons- målinger ved temperaturer så høye som 150 ° C, dvs. ved eller nær temperaturen for reaksjoner i industrien. Imidlertid er den foreliggende LCM-enheten begrenset under 200 ° C. Ved temperaturer høyere enn 200 ° C, kan måleusikkerheten overstiger massen til den adsorberte gass, da, sammen med den økende temperatur over 150 ° C, massen av adsorSengen gass har en signifikant reduksjon, mens måleusikkerhet øker betydelig på grunn av den synkende temperaturkontroll presisjon. Således, i senere eksperimenter, en ny metode bør være utviklet for å avsette mer zeolitt på LCM, noe som fører til mer gass for å adsorbere, og dessuten kompenserer virkningen av temperatur og trykk på ligning 2 . Dette kan bidra til å utvide bruksområdet av LCM-enheten til høyere temperaturer.

Under eksperimentet de kritiske trinnene i zeolitt syntese er trinn 1.2.2.1, 1.2.2.4, 1.2.2.5 og 1.2.2.7, mens de i adsorpsjon målingene trinn 2.1.1.3, 2.1.1.4, 2.2.1, 2.2 0,5 og 2.2.6. I trinn 1.2.2.1, unngå å plassere for mye av syntesen blandingen på LCM, som ville spre seg på tilkoblingspunktene av gullelektroder. I trinn 1.2.2.4, nøye satt teflonholderen med LCM i autoklaven for å sikre at LCM er hORIZONTAL og har ikke kontakt med flytende vann i bunnen. I trinn 1.2.2.5 og 1.2.2.7, må du ikke bruke en høyere temperatur i zeolitt syntese og kalsinering, siden våre tidligere forsøk viser at det fører til nedbrytning av LCM. I adsorpsjonsegenskapene målinger, posisjonen til LCM sensorene har en betydelig effekt på tilkobling av LCM sensorene til oscillatoren, og derfor på kvaliteten av resonansfrekvenssignaler. Derfor vier spesiell oppmerksomhet til trinn 2.1.1.3 og 2.1.1.4, der LCMS er lastet på holderen og testet. De LCMS bør være i den stilling som de er forbundet med den oscillator via forbindelsespunktene for elektrodene (vist på figur 1). Dette er obligatorisk for å oppnå høy kvalitet resonant frekvenssignaler som muliggjør høy målenøyaktighet. I tillegg, i trinn 2.2.1 og 2.2.6, sikre at en stabil temperatur oppnås før målingene, siden dette øker også måle Accuracy. Videre, i trinn 2.2.5, mate gassen langsomt, for å ha en liten endring av temperaturen på innsiden. Dette bidrar til at temperaturen blir stabilt igjen etter en kort tid.

Siden SAC syntesemetode for zeolitt H-ZSM-5 på LCM-sensoren kan bli utvidet til andre zeolitter lett, er det LCM-baserte adsorpsjon måleinnretning forventes å bli brukt for dem også. Dessuten, på grunn av sin høye nøyaktighet og lav pris, er denne enheten forventes å være anvendelig til en hvilken som helst materiale, som kan bli belagt på LCM, for å undersøke dens adsorpsjonsegenskaper ved høye 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 høyfrekvente oscillerende mikrovekt høy temperatur gass adsorpsjon Langmuir isotermen mikroporøse materialer damp-assistert krystallisering zeolitt belegg dimetyleter syntese
Adsorbsjonsanordningen Basert på en Langatate krystall mikro for High Temperature High Pressure Gas adsorpsjon i Zeolite 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