Organische Struktur-regiende agentenfreie Synthese für *BEA-Typ Zeolith Membran
Summary
Ein *BEA-Samenkristall wurde nach dem Dip-Coating-Verfahren auf eine poröse Stütze von Al2O3 geladen und hydrothermal angebaut, ohne ein organisches Strukturdirektmittel zu verwenden. Eine *BEA-artige Zeolithmembran mit sehr wenigen Defekten wurde mit der sekundären Wachstumsmethode erfolgreich hergestellt.
Abstract
Die Membrantrennung hat als neuartiges energiesparendes Trennverfahren die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Zeolithmembranen haben aufgrund ihrer hohen thermischen, chemischen und mechanischen Festigkeit ein großes Potenzial für die Kohlenwasserstofftrennung in Erdöl- und petrochemischen Bereichen. Ein *BEA-Zeolith ist aufgrund seiner großen Porengröße und seines breiten Si/Al-Bereichs ein interessantes Membranmaterial. Dieses Manuskript stellt ein Protokoll zur *BEA-Membranvorbereitung durch eine sekundäre Wachstumsmethode dar, die kein organisches Strukturdirektmittel (OSDA) verwendet. Das Präparationsprotokoll besteht aus vier Schritten: Vorbehandlung der Stütze, Saatgutvorbereitung, Dip-Beschichtung und Membrankristallisation. Zunächst wird der *BEA-Samenkristall durch konventionelle hydrothermale Synthese mit OSDA hergestellt. Der synthetisierte Samenkristall wird auf der Außenfläche eines 3cm langen röhrenförmigen Stützmittels mit einem Dip-Coating-Verfahren belastet. Die geladene Samenschicht wird mit der sekundären Wachstumsmethode mit einer hydrothermalen Behandlung bei 393 K für 7 Tage ohne OSDA hergestellt. Eine *BEA-Membran mit sehr wenigen Defekten wird erfolgreich erhalten. Die Saatvorbereitungs- und Tauchbeschichtungsschritte beeinflussen stark die Membranqualität.
Introduction
Die Membrantrennung hat als neuartiges energiesparendes Trennverfahren die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Viele Arten von Membranen wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt. Polymere Membranen wurden weit verbreitet für die Gastrennung verwendet, wodurch Trinkwasser aus Meerwasser1und Abwasserbehandlung2erzeugt werden.
Anorganische Membranmaterialien wie Kieselsäure3, Kohlenstoffmolekularsieb4und Zeolith haben Vorteile für die thermische, chemische und mechanische Festigkeit im Vergleich zu polymeren Membranen. Daher werden anorganische Membranen in der Regel unter schwereren Bedingungen wie der Kohlenwasserstofftrennung in Erdöl- und petrochemischen Feldern eingesetzt.
Zeolith hat aufgrund seiner Mikroporen einzigartige Adsorptions- und molekulare Siebeigenschaften. Darüber hinaus verfügt Zeolith über eine Kationenaustauschfähigkeit, die zur Kontrolle der Adsorptions- und molekularen Siebeigenschaften von Zeolith beiträgt. Die Anzahl der Kationen in Zeolith wird durch das Si/Al-Verhältnis der Zeolithstruktur bestimmt. Daher sind die Größe der Mikroporen und das Si/Al-Verhältnis Schlüsselmerkmale, die die Permeations- und Trenneigenschaften von Zeolithmembranen bestimmen. Aus diesen Gründen ist Zeolith eine vielversprechende Art von anorganischem Membranmaterial. Einige Zeolithmembranen wurden bereits für die Austrocknung organischer Lösungsmittel aufgrund ihrer Hydrophilie und molekularen Siebeigenschaften5,6,7,8kommerzialisiert.
*BEA-Zeolith ist ein interessantes Membranmaterial wegen seiner großen Porengröße und des breiten Si/Al-Bereichs. *BEA wurde in der Regel durch hydrothermale Behandlung mit Tetraethylammoniumhydroxid als organisches Strukturdirektmittel (OSDA) hergestellt. Die Synthesemethode mit OSDA hat jedoch wirtschaftliche und ökologische Nachteile. Kürzlich wurde eine saatunterstützte Methode für die *BEA-Synthese ohne Verwendung von OSDA9,10berichtet.
*BEA ist ein Zwischenwuchskristall aus Polymorph A und Polymorph B. Dabei stellt “*” ein Zwischenwuchermaterial dar. Derzeit sind keine Schüttgüter bekannt, die nur aus Polymorph A oder B bestehen.
Wir haben *BEA Membranen ohne OSDA mit einer modifizierten Saatmethode erfolgreich vorbereitet11. Die *BEA-Membran hatte nur sehr wenige Defekte und zeigte aufgrund ihrer molekularen Siebwirkung eine hohe Trennleistung für Kohlenwasserstoffe. Es ist allgemein bekannt, dass die Kalzinierung zur Entfernung von OSDA nach der Synthese eine der häufigsten Ursachen für die Bildung von Defekten in Zeolithmembranen12,13ist. Unsere *BEA Membran, die ohne OSDA hergestellt wurde, zeigte eine gute Trennleistung, möglicherweise weil dieser Kalzinierungsschritt übersprungen wurde.
Die Herstellung von Zeolithmembranen basiert auf Know-how und Erfahrung im Labor. Folglich ist es für einen Anfänger schwierig, Zeolithmembranen allein zu synthetisieren. Hier möchten wir ein Protokoll zur *BEA Membranvorbereitung als Referenz für alle teilen, die mit der Membransynthese beginnen möchten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es gibt viele Arten von Si und Al Quellen für Zeolith-Synthese. Wir können jedoch keine Rohstoffe für die Herstellung dieser *BEA-Membran ändern. Wenn Rohstoffe verändert werden, kann die Phase des Zeolithkristallisierens und/oder der Wachstumsrate geändert werden.
Glasbecher können nicht zur Synthesegelzubereitung verwendet werden, da das Synthesegel eine hohe Alkalinität hat. Flaschen und Becher aus Polyethylen, Polypropylen und Teflon können stattdessen verwendet werden.
<p cla…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise von JST CREST (Japan Science and Technology agency, Create REvolutionary technological seeds for Science and Technology innovation program), Grant Number JPMJCR1324, Japan, unterstützt.
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 |
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