Organisk struktur-regi Agent-fri syntes för *BEA-typ Zeolitmembran
Summary
En *BEA frökristall lastades på ett porös α-Al2O3-stöd med dip-coating-metoden och hydrotermiskt odlad utan att använda ett organiskt struktur-regimedel. En * BEA-typ zeolitmembran med mycket få defekter var framgångsrikt utarbetats av den sekundära tillväxtmetoden.
Abstract
Membranseparation har uppmärksammats som en ny energibesparande separationsprocess. Zeolitmembran har stor potential för kolväteseparation i petroleum- och petrokemiska fält på grund av deras höga termiska, kemiska och mekaniska styrka. En * BEA-typ zeolit är ett intressant membran material på grund av dess stora por storlek och breda Si / Al sortiment. Detta manuskript presenterar ett protokoll för *BEA membranberedning med en sekundär tillväxtmetod som inte använder ett organiskt struktur-regimedel (OSDA). Beredningsprotokollet består av fyra steg: förbehandling av stöd, fröberedning, dip-coating och membrankristallisering. Först är * BEA frökristallen beredd av konventionell hydrotermisk syntes med OSDA. Den syntetiserade frökristallen lastas på den yttre ytan av ett 3 cm långt rörformigt α-Al2O3-stöd med en dip-beläggningsmetod. Det laddade frölagret är förberett med den sekundära tillväxtmetoden med hjälp av en hydrotermisk behandling på 393 K i 7 dagar utan att använda OSDA. En * BEA membran med mycket få defekter erhålls framgångsrikt. Seedberedningen och dip-coating stegen påverkar starkt membrankvaliteten.
Introduction
Membranseparation har uppmärksammats som nyenergisparande separationsprocess. Många typer av membran har utvecklats under de senaste decennierna. Polymera membran har använts i stor utsträckning för gasseparation, skapa drickbart vatten från havsvatten1, och avloppsrening2.
Oorganiska membranmaterial som kiseldioxid3, kolmolekylär sikt4, och zeolit har fördelar för termisk, kemisk och mekanisk styrka jämfört med polymera membran. Därför tenderar oorganiska membran att användas under svårare förhållanden, såsom kolväteseparation i petroleum- och petrokemiska fält.
Zeolit har unika adsorption och molekylära siktningsegenskaper på grund av dess mikroporer. Dessutom har zeolit en katjonutbytesförmåga som bidrar till att kontrollera zeolitens adsorption och molekylära sievingegenskaper. Antalet katjoner i zeolit bestäms av Si/Al-förhållandet mellan zeolitstrukturen. Därför är storleken på mikroporerna och Si/Al-förhållandet nyckelegenskaper som bestämmer zeolitmembranens permeit och separationsegenskaper. Av dessa skäl är zeolit en lovande typ av oorganiskt membranmaterial. Vissa zeolitmembran har redan kommersialiserats för uttorkning av organiska lösningsmedel på grund av deras hydrofilicitet och molekylära siktningsegenskaper5,6,7,8.
* BEA-typ zeolit är ett intressant membran material på grund av dess stora por storlek och breda Si / Al sortiment. *BEA har i allmänhet bearbetats genom hydrotermisk behandling med tetraethylammoniumhydroxid som organiskt strukturstyrmedel (OSDA). Den syntesmetod som använder OSDA har dock ekonomiska och miljömässiga nackdelar. Nyligen rapporterades en fröassisterad metod för *BEA-syntes utan att använda OSDA9,10.
* BEA är en intergrowth kristall av polymorph A och polymorph B. Därmed “*” representerar en intergrowth material. För närvarande är inga bulkmaterial som endast består av polymorA eller B kända.
Vi har framgångsrikt förberett * BEA membran utan att använda OSDA med en modifierad frö-assisterad metod11. Bea membranet hade mycket få defekter och uppvisade hög separationprestanda för kolväten på grund av dess molekylära siktningseffekt. Det är väl känt att förkalkning för att ta bort OSDA efter syntes är en av de vanligaste orsakerna till defektbildning i zeolitmembran12,13. Vår * BEA membran beredd utan att använda OSDA visade god separation prestanda möjligen eftersom denna kalcinering steg hoppades över.
Beredningen av zeolitmembran baseras på know-how och erfarenhet som ackumuleras i laboratoriet. Följaktligen är det svårt för en nybörjare att syntetisera zeolitmembran ensam. Här vill vi dela ett protokoll för * BEA membran beredning som referens för alla som vill starta membran syntes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det finns många typer av Si och Al källor för zeolitsyntes. Vi kan dock inte ändra råvaror för beredning av detta *BEA-typ membran. Om råvaror ändras kan fasen av zeolitkristalliserad och/eller tillväxttakt ändras.
Glasbägare kan inte användas för syntesgelberedning eftersom syntesgelen har hög alkalinitet. Flaskor och bägare av polyeten, polypropylen och Teflon kan användas istället.
För att förbereda en högre kvalitet * BEA membran, enhetlig fr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes delvis 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).
