Organische structuur-sturende agentvrije synthese voor *BEA-type Zeoliet Membraan
Summary
Een *BEA zaadkristal werd geladen op een poreuze α-Al2O3-ondersteuning door de dipcoatingmethode en hydrothermisch geteeld zonder gebruik te maken van een organisch structuurgeleidingsmiddel. Een *BEA-type zeolietmembraan met zeer weinig defecten werd met succes voorbereid door de secundaire groeimethode.
Abstract
Membraanscheiding heeft de aandacht getrokken als een nieuw energiebesparend scheidingsproces. Zeoliet membranen hebben een groot potentieel voor koolwaterstof scheiding in aardolie en petrochemische gebieden vanwege hun hoge thermische, chemische en mechanische sterkte. Een *BEA-type zeoliet is een interessant membraanmateriaal vanwege zijn grote poriegrootte en brede Si/Al-bereik. Dit manuscript presenteert een protocol voor *BEA membraanvoorbereiding door middel van een secundaire groeimethode die geen organische structuursturende agent (OSDA) gebruikt. Het voorbereidingsprotocol bestaat uit vier stappen: voorbehandeling van ondersteuning, zaadbereiding, dipcoating en membraankristallisatie. Ten eerste wordt het *BEA zaadkristal bereid door conventionele hydrothermische synthese met behulp van OSDA. Het gesynthetiseerde zaadkristal wordt geladen op het buitenoppervlak van een 3 cm lange buisvormige α-Al2O3 ondersteuning door middel van een dip-coating methode. De geladen zaadlaag wordt bereid met de secundaire groeimethode met behulp van een hydrothermische behandeling bij 393 K gedurende 7 dagen zonder OSDA te gebruiken. Een *BEA membraan met zeer weinig gebreken is met succes verkregen. De zaadbereiding en dipcoatingstappen hebben een sterke invloed op de membraankwaliteit.
Introduction
Membraanscheiding heeft de aandacht getrokken als nieuw-energiebesparende scheidingsproces. Vele soorten membranen zijn ontwikkeld voor de afgelopen decennia. Polymerische membranen zijn op grote schaal gebruikt voor gasscheiding, het creëren van drinkbaar water uit zeewater1, en afvalwater behandeling2.
Anorganische membraanmaterialen zoals silica3,koolstofmoleculaire zeef4en zeoliet hebben voordelen voor thermische, chemische en mechanische sterkte in vergelijking met polymere membranen. Daarom worden anorganische membranen meestal onder zwaardere omstandigheden gebruikt, zoals koolwaterstofscheiding in aardolie- en petrochemische gebieden.
Zeoliet heeft unieke adsorptie en moleculaire zeven eigenschappen als gevolg van zijn microporiën. Bovendien heeft zeoliet een kationuitwisselingsvermogen dat bijdraagt aan de controle van de adsorptie- en moleculaire zeveneigenschappen van zeoliet. Het aantal kationen in zeoliet wordt bepaald door de Si/Al-verhouding van de zeolietstructuur. Daarom zijn de grootte van de microporiën en de Si/Al-verhouding belangrijke kenmerken die de permeatie- en scheidingseigenschappen van zeolietmembranen bepalen. Om deze redenen is zeoliet een veelbelovend type anorganisch membraanmateriaal. Sommige zeolietmembranen zijn al gecommercialiseerd voor uitdroging van organische oplosmiddelen als gevolg van hun hydrofielheid en moleculaire zeven eigenschappen5,6,7,8.
* BEA-type zeoliet is een interessant membraan materiaal vanwege zijn grote porie grootte en brede Si / Al bereik. *BEA is over het algemeen bereid door hydrothermale behandeling met behulp van tetraethylammoniumhydroxide als organische structuursturend middel (OSDA). De synthesemethode met OSDA heeft echter economische en milieunadelen. Onlangs werd een zaadondersteunde methode voor *BEA-synthese zonder OSDA gebruikt gemeld9,10.
*BEA is een intergrowth kristal van polymorph A en polymorph B. Daarmee vertegenwoordigt “*” een intergrowth materiaal. Op dit moment zijn er geen bulkmaterialen die alleen uit polymorf A of B bestaan bekend.
We hebben met succes *BEA membranen voorbereid zonder OSDA te gebruiken met behulp van een gewijzigde zaad-ondersteunde methode11. De * BEA membraan had zeer weinig gebreken en vertoonde hoge scheidingsprestaties voor koolwaterstoffen als gevolg van de moleculaire zeven effect. Het is algemeen bekend dat calcinatie om OSDA te verwijderen na synthese is een van de meest voorkomende oorzaken van defectvorming in zeoliet membranen12,13. Onze * BEA membraan bereid zonder gebruik van OSDA toonde goede scheiding prestaties mogelijk omdat deze calcinatie stap werd overgeslagen.
De bereiding van zeolietmembranen is gebaseerd op knowhow en ervaring die in het laboratorium is opgedaan. Bijgevolg is het moeilijk voor een beginner om alleen zeolietmembranen te synthetiseren. Hier willen we een protocol voor *BEA membraanvoorbereiding delen als referentie voor iedereen die wil beginnen met membraansynthese.
Protocol
Representative Results
Discussion
Er zijn vele soorten Si en Al bronnen voor zeoliet synthese. We kunnen echter geen grondstoffen veranderen voor de bereiding van dit *BEA-type membraan. Als grondstoffen worden vervangen, kan de fase van zeoliet gekristalliseerd en/of groeipercentage worden gewijzigd.
Glazen bekers kunnen niet worden gebruikt voor synthese gel voorbereiding, omdat de synthese gel heeft een hoge alkaliteit. Flessen en bekers gemaakt van polyethyleen, polypropyleen en Teflon kunnen in plaats daarvan worden gebru…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door JST CREST (Japan Science and Technology agency, Create REvolutionary technologische zaden voor Science and Technology innovatieprogramma), 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 |
Referencias
- 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).
