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 enhet baserad på en Langatate Crystal Micro för 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 presenterar en enhet med hög temperatur och gas adsorption mätning högtrycks baserat på en högfrekvent oscillerande mikrovåg (5 MHz langatate kristall mikrovåg, LCM) och dess användning för gas adsorption mätningar zeolit ​​H-ZSM-5. Före mätningarna adsorption, var zeolit ​​H-ZSM-5 kristaller syntetiseras på guldelektrod i mitten av LCM, utan omfattar de punkter i guldelektroder anslutnings till oscillatorn, av ångan assisterad kristallisationsmetod (SAC), så att zeolitkristallerna kvar på den oscillerande mikrovåg samtidigt god elektrisk ledningsförmåga av LCM under mätningarna adsorption. Jämfört med en konventionell kvartskristall mikrovåg (QCM), som är begränsad till temperaturer under 80 ° C, LCM kan förverkliga adsorptions- mätningar i princip vid temperaturer så höga som 200-300 ° C (dvs vid eller nära reaktionstemperaturen målprogrammet av ett stegDME-syntes från syntesgas), på grund av frånvaron av kristallin-fasövergångar upp till sin smältpunkt (1470 ° C). Systemet tillämpades för att undersöka adsorptionen av CO2, H2O, metanol och dimetyleter (DME), var och en i gasfas, på zeolit ​​H-ZSM-5 av temperaturen och tryckområde av 50-150 ° C och 0-18 bar, respektive. Resultaten visade att adsorptionsisotermer av dessa gaser i H-ZSM-5 kan väl utrustade med Langmuir-typ adsorptionsisotermer. Dessutom de bestämda adsorption parametrarna, dvs adsorption kapacitet, adsorption entalpierna och adsorption entropies, jämför väl till litteraturdata. I detta arbete är resultaten för CO2 visas som ett exempel.

Introduction

Adsorptionsegenskaper påverkar starkt prestanda katalytiska material kan därmed exakt kunskap om dessa egenskaper hjälpa karakterisering, design och optimering av sådana material. Men de adsorptionsegenskaper generellt bedöms från enstaka komponentmätningar adsorption ofta vid rumstemperatur eller ens under vätskeförhållanden kväve, och därmed en förlängning av praktiska situationer kan leda till en allvarlig avvikelse från den verkliga beteende. In situ adsorption mätningar på katalytiska material , speciellt vid hög temperatur och högt tryck, fortfarande förblir en stor utmaning.

En adsorption mätanordning baserad på en kvartskristallmikrovåg (QCM) är fördelaktiga jämfört med den kommersialiserade volymetriska och gravimetriska metoder på ett sätt att det är mycket exakt för sorptions- applikationer samlas, tillfredsställande stabila i en kontrollerad miljö, och mer prisvärd 1-2. However är den konventionella QCM-analys begränsad till temperaturer under 80 ° C 1-2. För att övervinna denna begränsning, har vi utvecklat en adsorption mätanordning baserad på en hög temperatur högfrekvent oscillerande mikrovåg (langatate kristall mikrovåg, LCM) 3, som kan förverkliga adsorptions- mätningar i princip vid temperaturer så höga som 200-300 ° C, på grund av frånvaron av kristallin-fasövergångar upp till sin smältpunkt (1470 ° C) 4. LCMS användes i detta arbete har en AT-skuren (dvs innehåller plattan av kristall mikrovåg x-axeln hos kristallen och lutar med 35 ° 15 'från z-axeln) och en resonansfrekvens av 5 MHz. Denna anordning anbringades på adsorptions- mätningar av CO2, H2O, metanol och dimetyleter (DME), var och en i gasformigt tillstånd, på zeolit ​​H-ZSM-5 i temperaturområdet av 50 till 150 ° C och tryckområde av 0-18 bar 3, som syftar till att validatipå av simuleringsmodeller för optimering av bifunktionella kärna-skal-katalysatorerna för en-stegs produktion av DME från syntesgasen 5-6. Hur man använder den här enheten för gas adsorption mätningar presenteras i protokollet avsnitt.

Före mätningarna adsorptions-, zeolit ​​H-ZSM-5 kristalliter (0,502 mg) syntetiserades på guldelektroden i centrum av LCM av ångan assisterad kristallisationsmetod (SAC) enligt de la Iglesia et al. 7, i ett sådant sätt att de zeolitkristalliterna kvar på den oscillerande mikrovåg. Såsom visas i figur 1, har LCM används i adsorption mätanordning polerad guldelektroder på båda sidor, som hjälper till att ansluta LCM till en oscillator. Eftersom zeolitkristallerna på punkterna i guldelektroder till oscillatorn skulle avsevärt minska elektrisk ledningsförmåga anslutning (som visas i figur 1) och därmedmätning känslighet LCM ades zeolit ​​H-ZSM-5 kristaller avsätts på LCM via SAC metoden inte omfattar dessa anslutningspunkter 3. Detaljerna om syntesen av zeolit ​​H-ZSM-5 på LCM korthet sammanfattas i följande protokollenheten och visas i videon protokollet i detalj.

Protocol

Varning: Kontakta alla relevanta säkerhetsdatablad (SDB) före användning. Flera av de kemikalier som används vid syntesen av zeoliten H-ZSM-5 är akut toxiska och karcinogena. Nanomaterial kan ha ytterligare risker jämfört med deras bulk motsvarighet. Använd alla lämpliga säkerhetsåtgärder när du utför en nanokristall reaktion inklusive användning av tekniska kontroller (dragskåp, handskfacket) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, skyddsrock, fullängds byxor, sluten tå skor). Dessutom ägna särskild uppmärksamhet när utföra adsorption mätningar med metanol och DME, eftersom båda är brandfarliga och explosiva farligt gods.

1. Syntes av Zeolit ​​H-ZSM-5 på LCM

  1. Framställning av en zeolit ​​syntesblandning
    Obs: Den slutliga syntesblandningen hade följande molära sammansättning som anpassas från de la Iglesia et al. 7: 1 SiO 2: 50 H2O: 0,07 Na 2 O: 0,024 TPA 2 O: 0,005 Al 2 O 3. Således, H-ZSM-5 är den teoretiska Si / Al-molförhållande av den syntetiserade zeoliten 100.
    1. Lös 0,14 g natriumhydroxid i 20,30 g avjoniserat vatten via omrörning. Alternativt, blanda 3,64 g av ett M NaOH med 16,8 g avjoniserat vatten.
    2. Lägg 1,16 g tetrapropylammoniumhydroxid (TPAOH) lösning, och röra om lösningen tills det verkar klart.
    3. Lägg 5,0 g tetraetylortosilikat (TEOS) droppvis, och röra om lösningen tills det verkar klart.
    4. Hålla omrörning, under tillsats av 0,09 g aluminiumnitrat-nonahydrat (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, fast ämne) i lösningen.
    5. Hålla omröring tills den fasta aluminiumnitrat nonahydrat är upplöst. Notera att ställdes zeoliten syntesblandningen bör användas inom 5 h på grund av dess åldrande.
  2. Syntes av zeolit ​​ZSM-5 på LCM via SAC 3
  3. Rengöra LCM före zeolitsyntes
    1. Tvätta LCM grundligt med avjoniserat vatten.
    2. Sätt LCM i en bägare med avjoniserat vatten och rengör det i ett ultraljudsbad.
    3. Torka LCM vid 80 ° C i en ugn.
  4. zeolitsyntes
    1. Placera försiktigt flera droppar av den framställda zeoliten syntesblandningen på elektroden i centrum av LCM såsom visas i figur 1 med användning av en pipett, eftersom endast zeoliten avsatt på guldelektroden kan orsaka resonansfrekvensen förskjutning av LCM 8. Dessutom undvika spridning syntesblandningen på de ställen på guldelektroderna till oscillator anslutning, eftersom zeoliten på anslutningspunkter avsevärt skulle minska elektrisk ledningsförmåga och därmed mätning känslighet LCM. Dessutom, ta bort zeolitkristallerna på anslutningspunkterna efter deposition kommer att förstöra elektroderna.
    2. Torka LCM med syntesblandningen vid 80 ° C under 2 h för erhållande av en mycket viskös gel-liknande fas på den.
    3. Tillsätt en liten mängd avjoniserat vatten (ca 10 ml) i en teflonfodrad autoklav (80 ml) för att producera ånga under zeolitsyntes.
    4. Sätta Teflon hållaren i autoklaven, som stöder LCM horisontellt ovanför det flytande vattnet vid botten av autoklaven under zeolitsyntes.
    5. Hålla autoklaven i en ugn vid 150 ° C under 48 h för att syntetisera zeoliten på LCM via SAC-metoden.
    6. Direkt efter SAC, tvätta den belagda LCM med avjoniserat vatten och torka den vid 80 ° C under 2 h.
    7. Avlägsna det organiska templat i zeolitkristallerna genom kalcinering i en ugn med hög temperatur under en oxidativ atmosfär. Programmet ugnen på följande sätt: a) Öka temperaturen från omgivningstemperatur till 450 ° C med en hastighet av 3 ° C min -1; b) Hålltemperaturen vid 450 ° C under 4 h; c) Minska temperaturen från 450 ° C till rumstemperatur med en hastighet av 3 ° C min -1.
    8. Lös upp 26,75 g ammoniumklorid (NH4CI, fast ämne) i 0,4 L avjonat vatten. Lägga till mer avjonat vatten i lösningen så att den slutliga NH4Cl-lösning är 0,5 L och har en koncentration av 1 mol dm -3.
    9. Sätta den belagda LCM in i NH4Cl-lösning (0,2 L) i en bägare, och jonbyte de Na-ZSM-5-kristaller belagda på LCM vid 20 ° C under 2 h. Upprepa jonbyte med användning av 0,2 L färsk NH4Cl-lösning för att få NH 4 -ZSM-5 kristaller.
    10. Erhålla H-ZSM-5 genom en slutlig kalcinering med användning av samma parametrar som nämns i steg 1.2.2.7.

2. Adsorption Mätningar med LCM-baserade Adsorption mätanordningen 3

Obs: I detta arbete, LCMutan beläggning och ett belagt med H-ZSM-5 (framställd i den sista sektionen) kallas "referens LCM" och "prov LCM", respektive. Dessutom prov LCM före zeolit ​​avsättning kallas "lossas prov LCM". I en tidigare publikation i Journal of Physical Chemistry C 3, finns en detaljerad beskrivning av LCM-baserade adsorption mätanordning. I detta arbete är driften av anordningen för gas adsorption mätningar presenteras i denna korta protokoll och i videon protokollet i detalj.

  1. Förberedelse innan adsorption mätningar
    1. Tester på effekterna av temperatur och tryck på skillnaden i resonansfrekvenser av referens- och lossas prov lcms
      1. Rengör O-ring, LCM hållaren och provkammaren med aceton och tryckluft.
      2. Sätta referens och lossats prov LCMS i en bägare med avjoniserat vatten och rengör dem i en ultrasound bad.
      3. Försiktigt placera den rena referens och lossats prov LCMS på LCM hållaren, som är ansluten till oscillatorn via högtemperaturbeständiga elkablar.
      4. Förtest de installerade LCMS använder oscillatorn för att säkerställa att resonansfrekvenserna kan detekteras framgångsrikt.
      5. Stänga provkammaren, och evakuera den genom en vakuumpump.
      6. Ändra trycket i provkammaren via doserings ren N 2.
      7. Styra temperaturen inne i provkammaren av en temperaturregulator.
      8. Mäta resonansfrekvenserna för referens- och obelastade prov LCMS i de studerade temperatur- och tryckområden, det vill säga, 50 till 150 ° C och 0-16 bar, för att veta effekten av temperatur och tryck på skillnaden i resonansfrekvenserna för den referens och lossas prov LCMS ( ekvation 2 i steg 2.2.4). Testerna visar att "Ekvation mindre än 300 Hz i tryckområdet 0-16 bar). Använda de bestämda värdena av ekvation 2 i Sauerbrey-ekvationen i steg 2.2.4 för att beräkna den adsorberade mängden gaser på zeoliten.
    2. Aktivering av prov LCM
      1. Rengör O-ring, LCM hållaren och provkammaren med aceton och tryckluft.
      2. Sätt referens LCM i en bägare med avjoniserat vatten och rengör det i ett ultraljudsbad.
      3. Placera försiktigt den rena referens LCM och prov LCM på LCM hållaren, som är ansluten till oscillatorn via högtemperaturbeständiga elkablar.
      4. Provkörning PLACED LCMS som använder oscillatorn att se till att resonansfrekvenserna kan detekteras framgångsrikt.
      5. Stänga provkammaren, och evakuera den genom en vakuumpump.
      6. Aktivera prov LCM vid höga temperaturer (minst 50 ° C högre än temperaturen av mätningarna adsorption, 200 ° C i detta arbete) i vakuumtillstånd över natten för att säkerställa att endast en försumbar gasmängden adsorberas på H-ZSM-5 .
  2. adsorption mätningar
    Obs: I detta arbete är adsorption mätning av CO2 vid 50 ° C fram för att ge ett exempel. De erhållna data från mätningen (t.ex. resonansfrekvenser) och de beräknade massan av adsorberat CO2 på H-ZSM-5 kan hittas i tabell S1 av stöd information om våra tidigare publikation 3.
    1. Justera temperaturen inuti provkammaren vid den önskade temperaturen för adsorpti på mätningar (dvs 50 ± 0,1 ° C) med en temperaturregulator, under vakuum, dvs endast med en försumbar mängd adsorberat gas.
    2. Anslut oscillatorn till prov LCM, och mäta dess resonansfrekvens av stöd programvara oscillatorn via montering av experimentella data med en Butterworth-Van Dyke ekvivalent kretsmodell.
    3. Växla över anslutningen hos oscillatorn till referens LCM, och mäta dess resonansfrekvens.
    4. Använd de uppmätta resonansfrekvenser av provet och referens LCMS under vakuumförhållanden för att bestämma massan av H-ZSM-5 deponerades på prov LCM (utan adsorberat gas) enligt Sauerbrey ekvation 2, 8:
      ekvation 3
      var 413 / 54413eq4.jpg "/> är skillnaden i massa i g, ekvation 5 är antalet övertonen vid vilken kristallen drivs (i denna studie, ekvation 6 ), ekvation 7 är skillnaden i resonansfrekvenser av referens- och prov lcms i Hz, ekvation 2 är skillnaden mellan de resonansfrekvenser mellan referens och lossas prov LCM i Hz, ekvation 8 är tätheten av den langatate kristall (6,13 g cm -3) 4, ekvation 9 är den effektiva piezoelektriskt förstyvade skjuvmodul av langatate kristallen (1,9 x 10 12 g cm -1 sek -2) 4,/files/ftp_upload/54413/54413eq10.jpg "/> är resonansfrekvensen hos referens LCM, dvs det obelastade LCM, ekvation 11 , Den del av LCM (1,539 cm 2) 3.
      Obs: I detta arbete är massan av H-ZSM-5 avsatt på guldelektrod i mitten av LCM 0,502 mg, vilket orsakar en resonansfrekvens förskjutning av 14.100 Hz vid 50 ° C.
    5. Reglera gastryck av CO2 inuti provkammaren genom att dosera ren gas från gascylindern via en massflödesstyrenhet (för metanol och DME, från förångaren manuellt via en doseringsventil in i kammaren), eller genom evakuering via en vakuumpump . Här använder ett tryckområde av CO 2 adsorption mätningar av 0-16 bar som visas i Figur 2.
    6. Vänta tills jämviktsbetingelser och en stabil temperatur har uppnåtts, t ex varierar temperaturen inom 50 ± 0,1 ° C.
    7. connect oscillatorn till prov LCM, och mäta dess resonansfrekvens efter exponering för gasen vid ett givet tryck.
    8. Växla anslutning av oscillatorn till referens LCM, och mäta dess resonansfrekvens under samma betingelser.
    9. Enligt Sauerbrey-ekvationen som visas ovan, beräkna den totala massan av H-ZSM-5 deponerades på prov LCM och gas adsorberat på H-ZSM-5 enligt denna gastryck. Genom att subtrahera massan av H-ZSM-5 (utan adsorberad gas) bestämd i steg 2.2.4, massan av CO2 som adsorberats i H-ZSM-5 enligt detta gastryck erhålles.
    10. Upprepa resonansfrekvensmätningar för prov- och referens LCMS för olika tryck, för att erhålla alla massor av CO2 adsorberas på H-ZSM-5 prov under olika gastryck.
    11. Slutligen, få gas adsorptionsisotermen vid 50 ° C i det studerade tryckområdet 0-16 bar via beräkna alla massor av CO2 adsorberatpå H-ZSM-5 prov under olika gastryck enligt steg 2.2.9.
    12. För adsorptionsisotermer vid andra temperaturer, ändra den stabila temperatur med temperaturkontroll, och upprepa steg 2.2.1 till 2.2.11.
    13. Montera adsorptionsisotermer med adsorption modeller som Langmuir modeller via minsta kvadratmetoden för att bestämma adsorption parametrar som Adsorptionskapaciteter, adsorption entalpierna och adsorption entropies (se föregående publicering 3 och därtill hörande information).

Representative Results

Figur 1 visar fotografier, ljus mikroskopi och svepelektronmikroskopi (SEM) bilder av bestruket och obestruket LCM sensor (vänster), liksom deras röntgendiffraktion (XRD) mönster (höger). Från både ljus och svepelektronmikroskop (Figur 1b och c), de punkter i de guldelektroder till oscillatorn anslutning är mindre täckt med zeolitkristaller än mittområdet av LCM. De flesta av zeolitkristallerna ovanpå LCM-sensorn är isolerade och visar karakteristiska rundade-båt morfologi, med (010) -planet övervägande uppåt. Dessutom några kristaller visar dessutom typiska sammanväxt beteende ( "tvilling kristaller"). Dessutom har den laddade H-ZSM-5 (Si / Al-molförhållande av 100 i enlighet med sammansättningen av syntesblandningen) på langatate kristallen undersökts genom XRD och våglängd-dispersiv röntgen (WDX) spektroskopi 3.

I figur 2, CO 2 adsorptionsisotermer för H-ZSM-5-zeolit ​​erhålles med LCM anordningen i temperaturintervallet från 50 till 150 ° C och tryckområde av 0-16 bar, samt passningen av single-site Langmuir isoterm modellen till experimentella data, visat sig ge ett representativt exempel. Såsom visas i fig 2, var de bestämda adsorptionsisotermer CO 2 försedd med en enda plats Langmuir isoterm väl. Figur 3 visar diagram över ln (K 'i) vs. 1000 / T för CO2 som härrör från adsorptionsisotermer, dvs beroende av adsorption konstanterna bestäms från passningen av adsorptionsisotermer temperatur. Adsorption entalpier och entropies CO2 bestämdes genom att montera med van't Hoff ekvation (se Stöd Information av föregående publicering3). Resultaten av modellanpassningen visar att adsorptionskapaciteten, adsorption entalpi och adsorption entropin för CO2 i H-ZSM-5 är 4,0 ± 0,2 mmol g -1, 15,3 ± 0,5 kJ mol -1 och 56,3 ± 1,5 J mol -1 K -1, respektive tre.

Den höga kvaliteten på passformen av den inre platsen Langmuir isoterm och van't Hoff ekvation som visas i figurerna 2 och 3 stöder antagandet om en konstant adsorptionskapacitet (dvs, mättnad lastning) och entalpin (dvs värme adsorption) till gälla åtminstone för de olika villkor som används. Dessutom adsorptions- parametrarna för CO 2 bestäms av LCM-baserade adsorption mätanordningen i detta arbete väl i jämförelse med värden som rapporterats i litteraturen 12/09, det vill säga, adsorptionskapaciteten, adsorption entalpi och adsorption entropi reported för CO2 i MFI-typ zeoliter varierar inom intervallet från 2,1 till 3,8 mmol g -1, 19-28,7 kJ mol -1, och 43,7-82,7 J mol -1 K -1, respektive, i temperaturområdet 30 -200 ° C och tryckområde av 0-5 bar.

Figur 1
Figur 1. Bestruket langatate Crystal Microsensor (till vänster). (A) Fotografier av den belagda och obelagda sensor (till höger), (b) ljusmikroskopi och (c) svepelektronmikroskopiska bilder. Röntgen diffraktionsmönster av bestruket och obestruket LCM sensor (höger). Denna siffra har ändrats från en tidigare publikation 3. Omtryckt med tillåtelse av American Chemical Society (Copyright 2015). Klicka här för att se en större versionsionen av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Adsorption isotermer för CO2 i H-ZSM-5 vid 50 ( ekvation 12 ), 75 ( ekvation 13 ), 100 ( ekvation 14 ), Och 150 ° C ( ekvation 15 ). Symbolerna representerar de experimentella data, felstaplar indikerar mätosäkerheten för resonansfrekvenser som orsakas av t.ex. temperatur instabilitet, och beräknas enligt Sauerbrey-ekvationen som beskrivs i steg 2.2.4, och linjerna representerar passform av den enda platsen Langmuir isoterm modell i experimentdata. Denna siffra has ändrats från en tidigare publikation 3. Omtryckt med tillåtelse av American Chemical Society (Copyright 2015). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. ln (Ki) jämfört med 1000 / T för att bestämma adsorption entalpierna och entropies för CO2. Denna siffra har ändrats från en tidigare publikation 3. Omtryckt med tillåtelse av American Chemical Society (Copyright 2015). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

I detta arbete är den framgångsrika syntesen av zeolit ​​H-ZSM-5 kristaller på guldelektrod i mitten av LCM sensorn genom SAC visade, dvs zeoliten har lästs på LCM sensorn utan att täcka punkterna i anslutnings guldelektroder till oscillatorn. Således kan zeolit ​​svänga tillsammans med LCM sensorn, medan LCM sensorn behåller sin goda elektrisk ledningsförmåga och mätning känslighet. Jämfört med de konventionella QCM anordningar som är begränsade under 80 ° C, är LCM anordningen som presenteras i detta arbete med framgång användas för adsorptions- mätningar vid temperaturer så höga som 150 ° C, dvs vid eller nära temperaturen för reaktioner i industrin. Emellertid är föreliggande LCM enheten begränsad under 200 ° C. Vid temperaturer högre än 200 ° C, kan mätosäkerheten överstiga massan av den adsorberade gasen, eftersom, med den ökande temperatur över 150 ° C, massan av adsorsäng gas har en betydande minskning, medan mätosäkerheten ökar kraftigt på grund av den minskande temperaturkontroll precision. Således, i framtida experiment, en ny metod bör utvecklas för att sätta in mer zeolit ​​på LCM, som orsakar mer gas för att adsorbera och dessutom kompenserar effekten av temperatur och tryck på ekvation 2 . Detta kan bidra till att utvidga användningsområdet för LCM-enheten till högre temperaturer.

Under experimentet, de kritiska stegen i zeolitsyntes är steg 1.2.2.1, 1.2.2.4, 1.2.2.5 och 1.2.2.7, medan de i mätningarna adsorption är steg 2.1.1.3, 2.1.1.4, 2.2.1, 2.2 0,5 och 2.2.6. I steg 1.2.2.1, undvik att placera alltför mycket av syntesblandningen på LCM, som skulle spridas på de ställen på guldelektroder anslutnings. I steg 1.2.2.4, noggrant sätta Teflon hållaren med LCM i autoklaven för att säkerställa att LCM är hÖVERGRIPANDE och inte i kontakt med flytande vatten vid botten. I steg 1.2.2.5 och 1.2.2.7, använd inte en högre temperatur i zeolitsyntes och kalcinering, eftersom våra tidigare experiment visar att det leder till nedbrytning av LCM. I mätningarna adsorption, placeringen av LCM sensorer har en betydande inverkan på uppkopplingen av LCM sensorer till oscillatorn, och därför kvaliteten på resonansfrekvenssignaler. Därför ägna särskild uppmärksamhet åt steg 2.1.1.3 och 2.1.1.4, där LCMS lastas på hållaren och förtestad. LCMS ska vara i det läge som de är anslutna till oscillatorn via punkterna elektrodanslutnings (visas i figur 1). Detta är obligatoriskt att få hög kvalitet resonansfrekvenssignaler möjliggör hög mätnoggrannhet. Dessutom, i steg 2.2.1 och 2.2.6, se till att en stabil temperatur uppnås innan mätningarna, eftersom detta ökar också mätningen accuracy. Dessutom i steg 2.2.5, mata gasen långsamt, för att få en liten förändring av temperaturen inuti. Detta hjälper temperaturen att bli stabil igen efter en kort tid.

Eftersom SAC syntesmetod för zeolit ​​H-ZSM-5 på LCM sensorn kan utvidgas till andra zeoliter lätt är LCM-baserade adsorption mätanordning förväntas användas för dem. Dessutom, på grund av dess höga precision och låg kostnad, är denna anordning förväntas vara tillämpliga på vilket som helst material, som kan beläggas på LCM, för att undersöka dess adsorptionsegenskaper vid höga 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 högfrekvent oscillerande mikrovåg hög temperatur gas adsorption Langmuir isoterm mikroporösa material ånga assisterad kristallisation zeolit ​​beläggning dimetyleter syntes
Adsorption enhet baserad på en Langatate Crystal Micro för 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