Organisk struktur-regi agent-fri syntese for * BEA-type Zeolite Membran
Summary
En * BEA frø krystall ble lastet på en porøs α-Al2O3 støtte av dip-belegg metoden, og hydrotermisk dyrket uten å bruke en organisk struktur-regi middel. En * BEA-type zeolittmembran med svært få defekter ble vellykket utarbeidet av den sekundære vekstmetoden.
Abstract
Membranseparasjon har trukket oppmerksomhet som en ny energibesparende separasjonsprosess. Zeolittmembraner har et stort potensial for hydrokarbonseparasjon i petroleums- og petrokjemiske felt på grunn av deres høye termiske, kjemiske og mekaniske styrke. A * BEA-type zeolitt er et interessant membranmateriale på grunn av sin store porestørrelse og brede Si / Al-rekkevidde. Dette manuskriptet presenterer en protokoll for *BEA membranforberedelse av en sekundær vekstmetode som ikke bruker et organisk strukturregisingsmiddel (OSDA). Forberedelsesprotokollen består av fire trinn: forbehandling av støtte, frøforberedelse, dip-belegg og membrankrystallisering. Først er *BEA frøkrystallen utarbeidet av konvensjonell hydrotermisk syntese ved hjelp av OSDA. Den syntetiserte frøkrystallen er lastet på den ytre overflaten av en 3 cm lang rørformet α-Al2O3-støtte ved hjelp av en dip-beleggsmetode. Det lastede frølaget er utarbeidet med den sekundære vekstmetoden ved hjelp av en hydrotermisk behandling ved 393 K i 7 dager uten å bruke OSDA. En * BEA membran som har svært få feil er vellykket oppnådd. Frøpreparatet og dip-beleggtrinn påvirker membrankvaliteten sterkt.
Introduction
Membranseparasjon har trukket oppmerksomhet som ny energibesparende separasjonsprosess. Mange typer membraner har blitt utviklet de siste tiårene. Polymermembraner har blitt mye brukt til gassseparasjon, noe som skaper drikkevann fra sjøvann1,og avløpsvannbehandling2.
Uorganiske membranmaterialer som silika3,karbonmolekylær sil4og zeolitthar fordeler for termisk, kjemisk og mekanisk styrke sammenlignet med polymere membraner. Derfor har uorganiske membraner en tendens til å brukes under mer alvorlige forhold, som hydrokarbonseparasjon i petroleums- og petrokjemiske felt.
Zeolite har unike adsorpsjon og molekylære sieving egenskaper på grunn av sine mikroporer. I tillegg har zeolitt en kation utveksling evne som bidrar til å kontrollere zeolite adsorption og molekylære sieving egenskaper. Antall kationer i zeolitt bestemmes av Si/Al-forholdet til zeolittstrukturen. Derfor er størrelsen på mikroporene og Si/ Al-forholdet viktige egenskaper som bestemmer permeasjons- og separasjonsegenskapene til zeolittmembraner. Av disse grunnene er zeolitt en lovende type uorganisk membranmateriale. Noen zeolittmembraner har allerede blitt kommersialisert for dehydrering av organiske løsemidler på grunn av deres hydrofilitet og molekylære sieving egenskaper5,6,7,8.
* BEA-type zeolitt er et interessant membranmateriale på grunn av sin store porestørrelse og brede Si / Al-rekkevidde. *BEA er generelt utarbeidet ved hydrotermisk behandling ved bruk av tetraetylammoniumhydroksid som organisk strukturregimidlet (OSDA). Imidlertid har syntesemetoden ved hjelp av OSDA økonomiske og miljømessige ulemper. Nylig ble en frøassistert metode for * BEA-syntese uten å bruke OSDA rapportert9,10.
*BEA er en intergrowth krystall av polymorf A og polymorph B. Dermed representerer “*” et intergrowthmateriale. I dag er ingen bulkmaterialer som bare består av polymorf A eller B kjent.
Vi har utarbeidet * BEA membraner uten å bruke OSDA ved en modifisert frøassistert metode11. *BEA-membranen hadde svært få defekter og viste høy separasjonsytelse for hydrokarboner på grunn av den molekylære sievingeffekten. Det er velkjent at kaldasjon for å fjerne OSDA etter syntese er en av de vanligste årsakene til defektdannelse i zeolittmembraner12,13. Vår * BEA membran forberedt uten å bruke OSDA viste god separasjon ytelse muligens fordi dette forkalkningstrinnet ble hoppet over.
Utarbeidelsen av zeolittmembraner er basert på kunnskap og erfaring akkumulert i laboratoriet. Følgelig er det vanskelig for en nybegynner å syntetisere zeolittmembraner alene. Her ønsker vi å dele en protokoll for * BEA membran forberedelse som en referanse for alle som ønsker å starte membransyntese.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det finnes mange typer Si og Al kilder for zeolittsyntese. Vi kan imidlertid ikke endre råvarer til fremstilling av denne *BEA-type membranen. Hvis råvarer endres, kan fasen av zeolittkrystallisert og/eller vekstrate endres.
Glassbeger kan ikke brukes til syntesegelforberedelse fordi syntesegelen har høy alkalitet. Flasker og beger av polyetylen, polypropylen og Teflon kan brukes i stedet.
For å forberede en høyere kvalitet * BEA membran, ensartet frø lag på …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble delvis støttet av JST CREST (Japan Science and Technology agency, Create REvolutionary technological seeds for Science and Technology innovation program), Grant Number JPMJCR1324, Japan.
Materials
| a-Al2O3 support | Noritake Co. Ltd. | NS-1 | Average pore size, 150 nm; Outer diameter, 10 mm; Innar diameter, 7 mm |
| Colloidal silica | Nissan Chemical | ST-S | SiO2 30.5%, Na2O 0.44%, H2O 69.1% |
| Mesh filter (PTFE membrane) | Omnipore | JGWP04700 | Pore size, 200 nm |
| NaAl2O | Kanto Chemical | 34095-01 | Na2O 31.0-35.0%; Al2O3 34.0-39.0% |
| NaOH | Kanto Chemical | 37184-00 | 97% |
| Tetraethylammonium hydroxide | Sigma-Aldrich | 302929-500ML | 35 wt% solution |
References
- Ghaffour, N., Missimer, T. M., Amy, G. L. Technical review and evaluation of the economics of water desalination: Current and future challenges for better water supply sustainability. Desalination. 309, 197-207 (2013).
- Hickenbottom, K. L., et al. Forward osmosis treatment of drilling mud and fracturing wastewater from oil and gas operations. Desalination. 312, 60-66 (2013).
- Kanezashi, M., Shazwani, W. N., Yoshioka, T., Tsuru, T. Separation of propylene/propane binary mixtures by bis(triethoxysilyl) methane (BTESM)-derived silica membranes fabricated at different calcination temperatures. Journal of Membrane Science. 415-416, 478-485 (2012).
- Xu, L., Rungta, M., Koros, W. J. Matrimid® derived carbon molecular sieve hollow fiber membranes for ethylene/ethane separation. Journal of Membrane Science. 380, 138-147 (2011).
- Morigami, Y., Kondo, M., Abe, J., Kita, H., Okamoto, K. The first large-scale pervaporation plant using tubular-type module with zeolite NaA membrane. Separation and Purification Technology. 25, 251-260 (2001).
- Kondo, M., Komori, M., Kita, H., Okamoto, K. Tubular-type pervaporation module with zeolite NaA membrane. Journal of Membrane Science. 133, 133-141 (1997).
- Hoof, V. V., Dotremont, C., Buekenhoudt, A. Performance of Mitsui NaA type zeolite membranes for the dehydration of organic solvents in comparison with commercial polymeric pervaporation membranes. Separation and Purification Technology. 48, 304-309 (2006).
- Kamimura, Y., Chaikittisilp, W., Itabashi, K., Shimojima, A., Okubo, T. Critical Factors in the Seed-Assisted Synthesis of Zeolite Beta and “Green Beta” from OSDA-Free Na+-Aluminosilicate Gels. Chemistry An Asian Journal. 5, 2182-2191 (2010).
- Majano, G., Delmotte, L., Valtchev, V., Mintova, S. Al-Rich Zeolite Beta by Seeding in the Absence of Organic Template. Chemistry of Materials. 21, 4184-4191 (2009).
- Sakai, M., et al. Formation process of *BEA-type zeolite membrane under OSDA-free conditions and its separation property. Microporous and Mesoporous Materials. 284, 360-365 (2019).
- Choi, J., et al. Grain Boundary Defect Elimination in a Zeolite Membrane by Rapid Thermal Processing. Science. 325, 590-593 (2009).
- Dong, J., Lin, Y. S., Hu, M. Z. -. C., Peascoe, R. A., Payzant, E. A. Template-removal-associated microstructural development of porous-ceramic-supported MFI zeolite membranes. Microporous and Mesoporous Materials. 34, 241-253 (2000).
- Schoeman, B. J., Babouchkina, E., Mintova, S., Valtchev, V. P., Sterte, J. The Synthesis of Discrete Colloidal Crystals of Zeolite Beta and their Application in the Preparation of Thin Microporous Films. Journal of Porous Materials. 8, 13-22 (2001).
- Sasaki, Y., et al. Polytype distributions in low-defect zeolite beta crystals synthesized without an organic structure-directing agent. Microporous and Mesoporous Materials. 225, 210-215 (2016).
