*BEA tipi Zeolit Membranı için Organik Yapı Yönelimli Ajansız Sentez
Summary
*BEA tohum kristali, daldırma kaplama yöntemi ile gözenekli α-Al2O3 desteğine yüklendi ve organik bir yapı yönlendirme maddesi kullanmadan hidrotermal olarak yetiştirildi. Çok az kusuru olan bir *BEA tipi zeolit membran sekonder büyüme yöntemi ile başarıyla hazırlanmıştır.
Abstract
Membran ayrıştırma yeni bir enerji tasarrufu ayırma süreci olarak dikkat çekmiştir. Zeolit membranları, yüksek termal, kimyasal ve mekanik mukavemetleri nedeniyle petrol ve petrokimya alanlarında hidrokarbon ayrıştırma potansiyeline sahiptir. *BEA tipi zeolit, büyük gözenek büyüklüğü ve geniş Si/Al aralığı nedeniyle ilginç bir membran malzemesidir. Bu el yazması organik yapı yönlendirme ajanı (OSDA) kullanmayan ikincil bir büyüme yöntemi ile *BEA membran hazırlama için bir protokol sunar. Hazırlık protokolü dört aşamadan oluşur: destek ön işleme, tohum hazırlama, daldırma kaplama ve membran kristalizasyonu. İlk olarak, *BEA tohum kristali OSDA kullanılarak konvansiyonel hidrotermal sentez ile hazırlanır. Sentezlenen tohum kristali, 3 cm uzunluğundaki boruα-Al2O3 desteğinin dış yüzeyine daldırma kaplama yöntemiyle yüklenir. Yüklü tohum tabakası, OSDA kullanılmadan 7 gün boyunca 393 K’de hidrotermal arıtma kullanılarak ikincil büyüme yöntemi ile hazırlanır. Çok az kusuru olan bir *BEA membranı başarıyla elde edilir. Tohum hazırlama ve daldırma kaplama adımları membran kalitesini güçlü bir şekilde etkiler.
Introduction
Membran ayrıştırma yeni enerji tasarrufu ayırma işlemi olarak dikkat çekmiştir. Membranlar birçok türde son yıllarda geliştirilmiştir. Polimerik membranlar yaygın gaz ayrıştırma için, deniz suyu1içilebilir su oluşturma ve atık su arıtma2kullanılmıştır.
Silika 3,karbon moleküler elek4ve zeolit gibi inorganik membran malzemeleri polimerik membranlara göre termal, kimyasal ve mekanik mukavemet açısından avantajlıdır. Bu nedenle, inorganik membranlar petrol ve petrokimya alanlarında hidrokarbon ayrışması gibi daha ağır koşullar altında kullanılma eğilimindedir.
Zeolit, mikrogözeneklerinden dolayı benzersiz adsorpsiyon ve moleküler eleme özelliklerine sahiptir. Buna ek olarak, zeolit in adsorpsiyon ve moleküler eleme özellikleri kontrol katkıda bulunan bir katyon değişim yeteneğine sahiptir. Zeolitteki katyon sayısı zeolit yapısının Si/Al oranı ile belirlenir. Bu nedenle, mikrogözeneklerin büyüklüğü ve Si/Al oranı zeolit zarlarının permeasyon ve ayırma özelliklerini belirleyen temel özelliklerdir. Bu nedenlerden dolayı, zeolit inorganik membran malzemenin umut verici bir türüdür. Bazı zeolit membranlar zaten hidrofilisite ve moleküler eleme özelliklerinedeniyleorganik çözücülerin dehidratasyon için ticari leştirilmiştir 5,6,7,8.
* BEA tipi zeolit nedeniyle büyük gözenek boyutu ve geniş Si / Al aralığı ilginç bir membran malzemedir. *BEA genellikle hidrotermal arıtma ile tetraetilamonyum hidroksit kullanılarak organik yapı yönlendirme ajanı (OSDA) olarak hazırlanmıştır. Ancak, OSDA kullanılarak sentez yöntemi ekonomik ve çevresel dezavantajları vardır. Son zamanlarda, OSDA kullanmadan * BEA sentezi için bir tohum destekli yöntembildirilmiştir 9,10.
*BEA, a ve polymorph B’nin bir intergrowth kristalidir. Şu anda sadece a veya b polimorfundan oluşan hiçbir dökme malzeme bilinmemektedir.
*BEA membranlarını OSDA kullanmadan, modifiye edilmiş tohum destekli yöntem11ile başarıyla hazırladık. *BEA membranı çok az kusura sahipti ve moleküler eleme etkisi nedeniyle hidrokarbonlar için yüksek ayırma performansı sergiledi. Sentez sonrası OSDA’nın kalsinasyonunun zeolit membranlarında defekt oluşumunun en sık nedenlerinden biri olduğu bilinmektedir12,13. OSDA kullanmadan hazırlanan *BEA membranımız muhtemelen bu kalsinasyon adımı atlandığı için iyi bir ayırma performansı gösterdi.
Zeolit membranlarının hazırlanması laboratuvarda biriken bilgi ve deneyime dayanmaktadır. Sonuç olarak, bir acemi için tek başına zeolit membranlar sentezlemek zordur. Burada, membran sentezine başlamak isteyen herkes için referans olarak *BEA membran hazırlığı için bir protokol paylaşmak istiyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zeolit sentezi için Si ve Al kaynaklarının birçok çeşidini vardır. Ancak, bu * BEA tipi membran hazırlanması için hammadde değiştiremezsiniz. Hammadde değiştirilirse, zeolitkristalize ve/veya büyüme hızı nın fazı değiştirilebilir.
Cam gagaları sentez jeli hazırlama için kullanılamaz, çünkü sentez jeli yüksek alkaliniteye sahiptir. Bunun yerine polietilen, polipropilen ve Teflon’dan yapılmış şişe ve gagalar kullanılabilir.
Daha kal…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen JST CREST (Japonya Bilim ve Teknoloji ajansı, Bilim ve Teknoloji yenilik programı için REvolutionary teknolojik tohumlar oluşturun), Grant Number JPMJCR1324, Japonya tarafından desteklendi.
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).
