Sintesi senza agenti che disorienta la struttura organica per la membrana zeolite di tipo
Summary
Un cristallo di semi di BEA è stato caricato su un poroso supporto di z-Al2O3 con il metodo di rivestimento a tuffo e idrotermalmente coltivato senza l’utilizzo di un agente di guida della struttura organica. Il metodo di crescita secondario è stata preparata con successo una membrana di zeolite di tipo BEA con pochissimi difetti.
Abstract
La separazione delle membrane ha attirato l’attenzione come un nuovo processo di separazione per il risparmio energetico. Le membrane zeolite hanno un grande potenziale di separazione degli idrocarburi nei campi petroliferi e petrolchimici a causa della loro elevata resistenza termica, chimica e meccanica. Una zeolite di tipo BEA è un materiale di membrana interessante a causa delle sue grandi dimensioni dei pori e dell’ampia gamma Si/Al. Questo manoscritto presenta un protocollo per la preparazione della membrana di BEA con un metodo di crescita secondario che non utilizza un agente organico di distribuzione della struttura (OSDA). Il protocollo di preparazione è costituito da quattro fasi: pretrattamento del supporto, preparazione dei semi, rivestimento a tuffo e cristallizzazione della membrana. In primo luogo, il cristallo di semi di BEA viene preparato mediante sintesi idrotermale convenzionale utilizzando l’OSDA. Il cristallo di semi sintetizzato viene caricato sulla superficie esternadi unsupporto tubolare lungo 3 cm, con un metodo di rivestimento a tuffo. Lo strato di semi caricato viene preparato con il metodo di crescita secondario utilizzando un trattamento idrotermale a 393 K per 7 giorni senza utilizzare l’OSDA. Una membrana BEA con pochissimi difetti è ottenuta con successo. La preparazione del seme e i passaggi di rivestimento a tuffo influenzano fortemente la qualità della membrana.
Introduction
La separazione delle membrane ha attirato l’attenzione come un nuovo processo di separazione per il risparmio energetico. Molti tipi di membrane sono stati sviluppati negli ultimi decenni. Le membrane polimeriche sono state ampiamente utilizzate per la separazione del gas, creando acqua potabile dall’acqua di mare1e il trattamento delle acque reflue2.
I materiali a membrana inorganica come la silice3, setaccio molecolare di carbonio4e la zeolite hanno vantaggi per la resistenza termica, chimica e meccanica rispetto alle membrane polimeriche. Pertanto, le membrane inorganiche tendono ad essere utilizzate in condizioni più gravi, come la separazione degli idrocarburi nei campi petroliferi e petrolchimici.
La zeolite ha proprietà di adsorbimento e setacciatura molecolare uniche grazie ai suoi micropori. Inoltre, la zeolite ha una capacità di scambio cation che contribuisce a controllare le proprietà di setticatura molecolare e di zeolite. Il numero di cazioni nella zeolite è determinato dal rapporto Si/Al della struttura zeolite. Pertanto, le dimensioni dei micropori e il rapporto Si/Al sono caratteristiche chiave che determinano le proprietà di permeazione e separazione delle membrane zeolite. Per questi motivi, la zeolite è un tipo promettente di materiale di membrana inorganica. Alcune membrane di zeolite sono già state commercializzate per la disidratazione dei solventi organici a causa della loro idrofilia e delle proprietà di setacciamento molecolare5,6,7,8.
La zeolite di tipo BEA è un materiale di membrana interessante a causa delle sue grandi dimensioni e dell’ampia gamma Si/Al. Il beBeA è stato generalmente preparato mediante trattamento idrotermale utilizzando l’idrossido di tetraetilenium come agente di directnsimento della struttura organica (OSDA). Tuttavia, il metodo di sintesi che utilizza l’OSDA presenta svantaggi economici e ambientali. Recentemente, un metodo di seme assistito per la sintesi di BEA senza l’utilizzo di OSDA è stato segnalato9,10.
“BEA è un cristallo intercrescita di polimorfo A e polimorfo B. In tal modo, “” rappresenta un materiale intercrescita. Attualmente, non sono noti materiali sfusi costituiti solo da polimorfia A o B.
Abbiamo preparato con successo le membrane di BEA senza utilizzare l’OSDA con un metodo di seme assistito modificato11. La membrana di BEA presentava pochissimi difetti e presentava elevate prestazioni di separazione per gli idrocarburi a causa del suo effetto setacciatura molecolare. È ben noto che la calcinazione per rimuovere l’OSDA dopo la sintesi è una delle cause più comuni di formazione di difetti nelle membrane zeolite12,13. La nostra membrana di BEA preparata senza l’utilizzo di OSDA ha mostrato buone prestazioni di separazione forse perché questo passo di calcinazione è stato saltato.
La preparazione delle membrane di zeolite si basa sul know-how e sull’esperienza accumulata in laboratorio. Di conseguenza, è difficile per un principiante sintetizzare le membrane zeolite da solo. In questo caso, vorremmo condividere un protocollo per la preparazione della membrana di BEA come riferimento per tutti coloro che vogliono iniziare la sintesi della membrana.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ci sono molti tipi di fonti Si e Al per la sintesi di zeolite. Tuttavia, non possiamo cambiare le materie prime per la preparazione di questa membrana di tipo BEBe. Se le materie prime vengono modificate, la fase di zeolite cristallizzata e/o il tasso di crescita può essere modificata.
I becher di vetro non possono essere utilizzati per la preparazione del gel di sintesi perché il gel di sintesi ha alta alcalinità. Possono invece essere utilizzati bottiglie e becher in polietilene, poliprop…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato parzialmente supportato da JST CREST (Japan Science and Technology agency, Create REvolutionary technology seeds for Science and Technology innovation program), Grant Number JPMJCR1324, Giappone.
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 |
Referências
- 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).
