Organisk struktur-lede agent-fri syntese for * BEA-type Zeolit membran
Summary
En *BEA-frøkrystal blev læsset på en porøs α-Al2O3-støtte ved dypbelægningsmetoden og hydrotermisk dyrket uden brug af et organisk strukturstyremiddel. En *BEA-type zeolitmembran med meget få fejl blev med succes fremstillet af den sekundære vækstmetode.
Abstract
Membranadskillelse har henledt opmærksomheden som en ny energibesparende separationsproces. Zeolitmembraner har et stort potentiale for kulbrinteseparation i olie- og petrokemiske områder på grund af deres høje termiske, kemiske og mekaniske styrke. En * BEA-type zeolit er en interessant membran materiale på grund af sin store pore størrelse og brede Si / Al rækkevidde. Dette manuskript præsenterer en protokol for *BEA membranforberedelse ved hjælp af en sekundær vækstmetode, der ikke bruger et organisk strukturstyremiddel (OSDA). Præparatprotokollen består af fire trin: forbehandling af støtte, frøforberedelse, dip-coating og membrankrystallisering. For det første er * BEA frø krystal fremstilles ved konventionel hydrotermisk syntese ved hjælp af OSDA. Den syntetiserede frøkrystal lastes på ydersiden af en 3 cm lang rørformet α-Al2O3-støtte ved hjælp af en dip-coating-metode. Det lastede frølag fremstilles med den sekundære vækstmetode ved hjælp af en hydrotermisk behandling ved 393 K i 7 dage uden brug af OSDA. En * BEA membran med meget få fejl er opnået. Frøforberedelsen og dip-belægningstrinene påvirker i høj grad membrankvaliteten.
Introduction
Membranadskillelse har henledt opmærksomheden som nyenergibesparende separationsproces. Mange typer af membraner er blevet udviklet i de seneste årtier. Polymermembraner har været meget udbredt til gasadskillelse, hvilket skaber drikkevand fra havvand1og spildevandsbehandling2.
Uorganiske membranmaterialer som silica3, carbon molecular si4og zeolit har fordele for termisk, kemisk og mekanisk styrke sammenlignet med polymere membraner. Derfor er uorganiske membraner tendens til at blive brugt under mere alvorlige forhold, såsom kulbrinte adskillelse i olie og petrokemiske felter.
Zeolit har unikke adsorption og molekylære sigtning egenskaber på grund af sine mikroporer. Desuden har zeolit en kation udveksling evne, der bidrager til at kontrollere zeolit adsorption og molekylære sigtning egenskaber. Antallet af kationer i zeolit bestemmes af si/al-forholdet mellem zeolitstrukturen. Derfor er størrelsen af mikroporerne og Forholdet mellem Si og Al nøgleegenskaber, der bestemmer gennemtrængeligheder og separationsegenskaber for zeolitmembraner. Af disse grunde er zeolit en lovende type uorganisk membranmateriale. Nogle zeolitmembraner er allerede blevet kommercialiseret til dehydrering af organiske opløsningsmidler på grund af deres hydrofilicity og molekylære sigtningsegenskaber5,6,7,8.
* BEA-type zeolit er en interessant membran materiale på grund af sin store pore størrelse og brede Si / Al rækkevidde. *BEA er generelt fremstillet ved hydrotermisk behandling ved hjælp af tetraethylammoniumhydroxid som organisk strukturstyremiddel (OSDA). Men syntesemetoden ved hjælp af OSDA har økonomiske og miljømæssige ulemper. For nylig, en frø-assisteret metode til * BEA syntese uden brug af OSDA blev rapporteret9,10.
*BEA er en intervækstkrystal af polymorfi A og polymorfi B. Derved repræsenterer “*” et intervækstmateriale. På nuværende tidspunkt er der ikke kendskab til bulkmaterialer, der kun består af polymorfi A eller B.
Vi har med succes forberedt * BEA membraner uden at bruge OSDA ved en modificeret frø-assisteret metode11. * BEA membranen havde meget få fejl og udviste høj adskillelse ydeevne for kulbrinter på grund af sin molekylære sigtning effekt. Det er velkendt, at kalcinering at fjerne OSDA efter syntese er en af de mest almindelige årsager til defekt dannelse i zeolit membraner12,13. Vores * BEA membran udarbejdet uden brug af OSDA viste god adskillelse ydeevne muligvis fordi denne kalcinering skridt blev sprunget over.
Forberedelsen af zeolitmembraner er baseret på knowhow og erfaring akkumuleret i laboratoriet. Derfor er det svært for en nybegynder at syntetisere zeolitmembraner alene. Her vil vi gerne dele en protokol for * BEA membran forberedelse som en reference for alle, der ønsker at starte membran syntese.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der er mange former for Si og Al kilder til zeolit syntese. Men vi kan ikke ændre råvarer til fremstilling af denne * BEA-type membran. Hvis råvarerne ændres, kan zeolitkrystalliseret og/eller vækstrate ændres.
Glasbægere kan ikke anvendes til syntese gel præparat, fordi syntesegelen har høj alkalinitet. Flasker og bægerglas lavet af polyethylen, polypropylen, og Teflon kan bruges i stedet.
For at forberede en højere kvalitet * BEA membran, ensartet frø …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev delvist støttet af 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).
