Dispositivo de adsorção Baseado em um Langatate Microbalança de Cristal de alta temperatura de adsorção de gás de alta pressão em Zeolite H-ZSM-5

O objetivo geral deste experimento é obter isotermas de absorção em alta temperatura de gases sobre a zeólita H-ZSM-5, ou outros materiais microporosos, utilizando um dispositivo de medição de absorção baseado em uma microbalança de cristal de langatato. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de medição de absorção de gases em alta temperatura em materiais microporosos, como, por exemplo, como sintetizar materiais microporosos diretamente sobre a microbalança de alta frequência oscilante. A principal vantagem de um método baseado em microbalança oscilante de alta frequência é que ele é mais acessível do que os métodos comerciais volumétricos e gravimétricos.

A principal vantagem de um microbalanço de cristal de langatato em relação a um microbalanço de cristal de quartzo é que ele não é limitado a temperaturas abaixo de 80 graus Celsius. A faixa desejada aqui é de 200 a 300 graus Celsius. Para iniciar o procedimento, lave cuidadosamente dois microbalanços de cristal de langatato com água desionizada.

Em seguida, limpe os LCMs em um banho de ultrassom com água desionizada e seque-os em uma estufa a 80 graus Celsius por vários minutos. Enquanto isso, limpe o suporte dos LCMs, as vedações e a câmara de amostra com acetona e ar comprimido. Coloque os dois LCMs limpos e secos sobre o suporte limpo e seco e designe um LCM como posição de referência e o outro como posição de amostra.

Em seguida, conecte o suporte do LCM ao oscilador por meio de cabos elétricos resistentes a altas temperaturas. Preste especial atenção às posições dos LCMs no suporte, pois apenas as posições adequadas garantem que as frequências de ressonância possam ser detectadas. Por fim, ligue o oscilador.

Usando o software do oscilador, verifique a presença de frequências de ressonância para ambos os LCMs. Feche, isole e evacue a câmara de amostra. Evacue e purgue a câmara com gás nitrogênio várias vezes e, em seguida, ajuste a pressão da câmara à menor pressão a ser testada.

Uma vez que a pressão tenha estabilizado, ajuste a temperatura da câmara à temperatura mais baixa a ser testada. Após a temperatura ter estabilizado, meça as frequências de ressonância de ambos os LCMs utilizando um modelo de circuito equivalente Butterworth Van Dyke ajustado pelo software do oscilador. Determine e registre o valor de F-0.

Em seguida, adicione lentamente gás nitrogênio para pressurizar a câmara da amostra até a próxima pressão a ser testada. Aguarde a estabilização da pressão antes de obter o valor de delta F-0. Repita este processo para cada pressão a ser testada.

Obtenha os valores de delta F-0 para cada temperatura para a qual uma isoterma será determinada desta forma. Prepare uma mistura de síntese de zeólita H-ZSM-5 conforme descrito no protocolo do texto. Após o preparo, a mistura deve ser utilizada dentro de cinco horas.

Com uma pipeta, coloque cuidadosamente várias gotas da mistura de zeólita no eletrodo dourado central da LCM da amostra. Não permita que a mistura entre em contato com os pontos de conexão do oscilador nos eletrodos dourados externos. Seque a LCM carregada em uma estufa a 80 graus Celsius por duas horas para obter um gel viscoso no eletrodo.

Coloque 10 mililitros de água desionizada em um reator de autoclave com revestimento de PTFE. Em seguida, coloque um suporte de PTFE dentro do reator. Posicione a LCM carregada sobre o suporte, garantindo que a LCM não entre em contato com a água líquida, e feche o reator de autoclave.

Transfira cuidadosamente o reator de autoclave para um forno. Aqueça o reator a 150 graus Celsius por 48 horas para realizar a cristalização assistida por vapor. Após a conclusão da cristalização, lave o LCM carregado com água desionizada e seque-o em um forno.

Em seguida, deixe o MLC esfriar até a temperatura ambiente. Coloque o MLC carregado em uma estufa e aqueça o ressonador a uma taxa de três Kelvin por minuto até 450 graus Celsius para calcinação. Programe um tempo de permanência de quatro horas a 450 graus Celsius, seguido por uma taxa de resfriamento, igualmente, de três Kelvin por minuto até a temperatura ambiente.

Em seguida, mergulhe o LCM carregado em cloreto de amônio 1 milimolar para realizar a troca iônica. Repita o processo uma vez para completar a troca iônica. Calcine o LCM carregado mais uma vez pelo mesmo método para obter o LCM carregado com cristais de H-ZSM-5.

Primeiro, coloque ambas as LCMs de referência e amostra no suporte e certifique-se de que as frequências de ressonância possam ser detectadas. Em seguida, feche e evacue a câmara de amostra. Aqueça as LCMs durante a noite sob vácuo para ativar a Zeólita.

Defina a temperatura na câmara da amostra em 50 graus Celsius para as medições de absorção e aguarde a estabilização da temperatura. Conecte o LCM da amostra ao oscilador e meça sua frequência de ressonância para obter o valor da frequência de ressonância do LCM da amostra carregado. Em seguida, conecte o oscilador ao LCM de referência e meça sua frequência de ressonância para obter o valor da frequência de ressonância do LCM de referência.

Utilizando a equação de Sauerbrey e as diferenças medidas nas frequências de ressonância, determine a massa de H-ZSM-5 depositada no LCM da amostra. Para iniciar as medições de absorção, encha lentamente a câmara da amostra com o gás selecionado até a primeira pressão desejada. Uma vez que a temperatura tenha se estabilizado, meça e registre as frequências de ressonância dos LCMs de referência e da amostra.

Repita essas medições em várias pressões diferentes. Para cada medição, calcule a massa combinada de H-ZSM-5 e do gás absorvido utilizando a equação de Sauerbrey e, em seguida, subtraia a massa depositada de H-ZSM-5. A diferença corresponde à massa do gás absorvido.

Utilize as massas calculadas do gás absorvido em cada pressão para determinar a isoterma de absorção de gás naquela temperatura. As isotermas de absorção de dióxido de carbono determinadas por este procedimento são ajustadas pelo método dos mínimos quadrados a um modelo de isoterma de Langmuir de sítio único, a partir do qual as constantes de equilíbrio de absorção podem ser calculadas para cada temperatura. Essas constantes de equilíbrio são utilizadas em um gráfico de Van't Hoff, que fornece a entalpia de absorção e a entropia de absorção para o dióxido de carbono no H-ZSM-5.

Os parâmetros de absorção de dióxido de carbono em H-ZSM-5 utilizando esta técnica baseada em LCM são próximos aos valores relatados na literatura para absorção de dióxido de carbono em outros zeólitos do tipo MFI. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em 30 minutos para uma medição, se for executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que um bom controle de temperatura da amostra, por meio de um bom isolamento da câmara de amostra e um pré-aquecimento cuidadoso do gás de arraste, é crucial para obter alta qualidade nas medições.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como sintetizar cristais de zeólita na superfície desejada do LCM e utilizar o dispositivo LCM para medições de absorção de gases em alta temperatura. Não se esqueça de que trabalhar com materiais tóxicos, inflamáveis ou explosivos pode ser extremamente perigoso e precauções, como o uso de capela de exaustão ou caixa de luvas, devem ser sempre adotadas ao realizar este procedimento. Após seu desenvolvimento, esta técnica abriu caminho para pesquisadores na área de catálise ou microsólidos explorarem a absorção de gases multicomponentes, especialmente em condições de alta temperatura e pressão.