מבנה אורגני-מכוון סוכן-סינתזה חינם עבור * בי-סוג Zeאוליט ממברנה

A * הגביש הזרע בי היה טעון על התמיכה הנקבובי α-Al₂O₃ על ידי השיטה ציפוי לטבול, ו הידרותרמית גדל ללא שימוש במבנה אורגני מבנה הסוכן. A * בי-סוג זאוליט קרום שיש פגמים מעטים מאוד היה מוכן בהצלחה על ידי שיטת הצמיחה המשנית.

הפרדת ממברנה המירה את תשומת הלב כתהליך הפרדה בין האנרגיה החדשנית. לממברנות זאוליט פוטנציאל רב להפרדת הפחמימנים בשדות נפט ופטרוכימית בגלל הכוח התרמי, הכימי והמכני הגבוה שלהם. A * בי-סוג זאוליט הוא חומר ממברנה מעניין בגלל גודל הנקבוביות הגדולות שלה רחב Si/Al טווח. כתב יד זה מציג פרוטוקול של * בי ממברנה הכנה ההכנה על ידי שיטת צמיחה משנית שאינה משתמשת מבנה אורגני-מכוון סוכן (OSDA). פרוטוקול ההכנה מורכב מארבעה שלבים: טיפול מקדים בתמיכה, הכנה לזרעים, ציפוי מטבל והתגבשות ממברנה. ראשית, * הגביש הזרע בי מוכן על ידי סינתזה הידרותרמית קונבנציונאלי באמצעות OSDA. גביש הזרע מסונתז נטען על פני השטח החיצוני של 3 ס מ הכרישים ארוך באורך α-Al₂O₃ תמיכה בשיטת ציפוי טבילה. שכבת הזרע טעון מוכן עם שיטת הצמיחה המשנית באמצעות טיפול הידרותרמי ב 393 K במשך 7 ימים ללא שימוש OSDA. ממברנה של * בי יש פגמים מעטים מאוד מושגת בהצלחה. הכנת הזרעים ושלבי הציפוי משפיעים בחריפות על איכות הממברנה.

הפרדת ממברנה הפכה את תשומת הלב לתהליך הפרדה של האנרגיה החדשנית. סוגים רבים של ממברנות פותחו בעשורים האחרונים. ממברנות פולימריים שימשו רבות להפרדת הגז, ליצירת מים לשתיה ממים ימיים¹, וטיפול בשפכים².

חומרים ממברנות אורגניים כמו סיליקה³, מסננת פחמן מולקולרי⁴, ו זאוליט יש יתרונות עבור תרמית, כימית, וחוזק מכני לעומת ממברנות פולימריים. לכן, ממברנות אורגניים נוטים לשמש בתנאים חמורים יותר, כגון הפרדת פחמימנים בשדות נפט פטרוכימיים.

לזאוליט יש מאפיינים ייחודיים וניפוי מולקולריים בגלל המיקרונקבוביות שלה. בנוסף, לזאוליט יש יכולת החלפת קטיון שתורמת לשליטה בתכונות הניפוי והמולקולריות של זאוליט. מספר הלישות בזאוליט נקבע על ידי יחס Si/אל של מבנה זאוליט. לפיכך, גודל המיקרונקבוביות ויחס סי/אל הם מאפייני מפתח הקובעים את מאפייני החדירות וההפרדה של ממברנות זאוליט. מסיבות אלו, זאוליט הוא סוג מבטיח של חומר ממברנה אי-אורגנית. כמה ממברנות זאוליט כבר ממוסחר עבור התייבשות של ממיסים אורגניים בשל hydrophilicity שלהם וניפוי מולקולרית נכסים^5,6,7,8.

* בי-סוג זאוליט הוא חומר ממברנה מעניין בגלל גודל הנקבוביות הגדולות שלה טווח Si/Al רחב. * בי יש בדרך כלל הוכנו על ידי טיפול הידרותרמי באמצעות הידרוקסיד טטראתילאמונייום כמו מבנה אורגני-הנחיית סוכן (OSDA). עם זאת, שיטת הסינתזה באמצעות OSDA יש חסרונות כלכליים וסביבתיים. לאחרונה, שיטה בסיוע זרע לסינתזה של * בי ללא שימוש osda דווח^9,10.

* בי הוא גביש הגידול של פולימורף A ו פולימורף B. ובכך, "*" מייצג חומר התפתחות. כיום, אין חומרים בתפזורת המורכב רק של פולימורף A או B ידוע.

הכנו בהצלחה * ממברנות בי מבלי להשתמש OSDA על ידי שינוי זרע שיטה בסיוע¹¹. הממברנה * בי היו מעטים מאוד והציגו ביצועי הפרדה גבוהים עבור פחמימנים בשל האפקט ניפוי המולקולרי שלה. ידוע היטב כי calcination כדי להסיר osda לאחר סינתזה היא אחת הסיבות השכיחות ביותר של היווצרות פגם ב זאוליט ממברנות^12,13. הממברנה שלנו * בי מוכן ללא שימוש OSDA הראה טוב הפרדה ביצועים אולי בגלל זה צעד calcination היה דילג.

הכנת ממברנות זאוליט מבוססת על ידע וניסיון שנצבר במעבדה. כתוצאה מכך, קשה למתחילים לסנתז ממברנות זאוליט בלבד. כאן, היינו רוצים לחלוק פרוטוקול של * בי ממברנה הכנה התייחסות לכל מי שרוצה להתחיל סינתזה הממברנה.

1. הכנה לתמיכה

1. טיפול מקדים בתמיכה
   1. גזור 3 ס"מ ארוך הכרישים נקבובי α-Al₂O₃ תמיכה (ראה טבלת חומרים).
   2. רוחצים את התמיכה במים מזוקקים במשך 10 דקות. לאחר מכן, לשטוף את התמיכה עם אצטון עבור 10 דקות. חזור על תהליך זה כביסה 2x.
      הערה: אל תגעו במשטח החיצוני של התמיכה לאחר שלב השטיפה. שום טיפול אחר לא בוצע (למשל, sonication, ו שפשוף על ידי נייר זכוכית, וכו ')
   3. מייבשים את התמיכה השטיפה ב-110 ° c בלילה לפני השימוש לציפוי מטבל.
      הערה: למדוד את המשקל של פיסת התמיכה לאחר ייבוש. משקל הקרום הסופי מחושב על ידי ההבדל במשקל התמיכה לפני ואחרי סינתזה הממברנה.

2. * ביאטריס הזרע סינתזה הגביש

1. הכנת ג'ל לסינתזה של גביש זרעי
   1. הוסף 26.2 גרם של סיליקה קולאידית (ראה טבלה של חומרים) ו 8.39 g של הידרוקסיד הטמטונמוניום (TEAOH) (ראה טבלת חומרים) לתוך בקבוק 250 משנת-mL העשוי פוליפרופילן (פתרון a). מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי במשך 20 דקות ב-50 ° c באמבט מים. לאחר מכן, מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי עבור 20 דקות בטמפרטורת החדר.
   2. הוסף 8.39 g של TEAOH, 5.79 g של מים מזוקקים, 1.08 g של NaOH (ראה טבלת חומרים), ו 0.186 g של naoh₂ (ראה שולחן החומרים) לתוך גביע טפלון (פתרון B). מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי עבור 20 דקות בטמפרטורת החדר.
   3. הוסף פתרון B לפתרון A בבקבוק 250 mL. התערובת של הפתרון A ו-B יהיה חלבי. כסה את הבקבוק ולנער אותו במרץ ביד עבור 5 דקות. לאחר מכן, מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי עבור 24 שעות בטמפרטורת החדר. ג'ל שהושג לאחר 24 שעות של ערבוב נקרא ג'ל סינתזה.
      הערה: לא ניתן לערבב את התמיסה החלבית עם מערבב מגנטי בתחילה, משום שהוא יוצר ג'ל קשיח. 5 דקות לרעוד ביד עושה את הפתרון החלבי רך מאפשר ערבוב עם שטירר מגנטי. ההרכב הסופי של ג'ל סינתזה הוא 24Na₂o: 1al₂o₃: 200Sio₂: 60TEAOH: 2905h₂o.
2. תגבשות
   1. יוצקים את ג'ל הסינתזה לתוך החיטוי מרופדת טפלון. מניחים את החיטוי בתנור אוויר ב 100 ° c עבור 7 ימים.
3. רעבוני
   1. כיבוי החיטוי עם מים זורמים עבור 30 דקות לאחר התגבשות.
4. סינון
   1. להסיר את המשקע הלבן ב החיטוי על ידי סינון. שטוף את המשקע הלבן עם 200 מ ל של מים רותחים כדי להסיר חומרים אמורפיים ובלתי מתגבדים. מייבשים את המשקע ב-110 ° c למשך הלילה. המשקע היבש הוא גביש הזרע.
      הערה: השתמשו במסנן רשת שינוי 200 ננומטר (ראו טבלת חומרים) כדי להשיג את הגביש. יחס Si/אל של הגביש המתקבל היה ~ 19 כפי שנותחו על ידי אנרגיה מפזרים רנטגן הספקטרומטריה (EDX). כ 2.3 g של גביש הזרע הושגה על ידי סינתזה אחת. הליך ההכנה מתייחס לדו ח הקודם של שוסטק ואח ' עם כמה שינויים¹⁴.
5. * ביאטריס זרע הכנה לציפוי מטבל
   1. הוסף 0.50 גרם של גבישי זרעים לתוך 100 מ ל של מים מזוקקים כדי להכין 5 g/L זרעי משקה. ביצוע sonication של הזרע מתוך 1 h כדי לפזר את גבישי הזרעים.

3. זריעת התמיכה בציפוי מטבל

1. הגדר תמיכה עבור ציוד ציפוי מטבל.
   1. תקן תמיכה צינורי עם מוט נירוסטה באמצעות סרט טפלון כדי לחבר את החלק הפנימי של התמיכה.
2. ציפוי מטבל
   1. יוצקים את הזרע משקה לתוך צינור זכוכית עם קוטר 19 מ"מ. הישאב את התמיכה הקבועה לתוך הזרע שנשפך והמתן 1 דקות. לאחר מכן, לסגת את הזרע לטבול אנכית ב ~ 3 ס מ/s. יבש את התמיכה ב 70 ° c עבור 2 h לאחר ציפוי מטבל.
      הערה: תהליך ציפוי הטבילה המוצג ב3.2.1 הופעל על 2x. פרוטוקול זה משתמש בציוד תוצרת בית לציפוי מטבל. צד אחד של צינור זכוכית מחובר עם כובע סיליקון עם ברז ממנו משקה הזרע יכול להיות מסוגר. הפרטים על ציוד ציפוי מטבל מסופקים בווידאו.
3. 3. קלקינציה
   1. הקלצין את התמיכה מצופה מטבל ב 530 ° צלזיוס עבור 6 ה.
      הערה: שלב הקלקינציה נעשה כדי להסיר OSDA חסימת מיקרונקבוביות של גבישי הזרעים וכימיקלים לאגד את הזרעים על פני השטח תמיכה. להגדיל ולהקטין את שיעורי הטמפרטורה של השלב calcination היו 50 ° c/min.
4. מדידת המשקל של גביש הזרע על התמיכה
   1. לאחר calcination למדוד את המשקל של התמיכה. כמות גביש הזרע שנטענה מחושבת לפי ההפרש במשקל התמיכה לפני ואחרי ציפוי מטבל.
      הערה: המשקל הממוצע של גביש הזריעה הטעון על תמיכה הוא ~ 17 מ ג.

4. * בי ממברנה הכנה על ידי שיטת גדילה משנית

1. הכנה לסינתזה של ג'ל
   1. הוסף 92.9 g של מים מזוקקים, 9.39 g של NaOH, ו 1.15 g של Naoh₂O לתוך בקבוק פוליפרופילן 250 mL. מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי במשך 30 דקות ב-60 ° c באמבט מים. לאחר מכן, להוסיף 81.6 g של סיליקה מבחינה קולאידית בצורה החורגת לתוך התערובת. מערבבים את התערובת באמצעות מערבב מגנטי במשך 4 שעות ב 60 ° c באמבט מים. ג'ל המתקבל לאחר ערבוב עבור 4 h נקרא ג'ל סינתזה.
      הערה: סיליקה קולטראידית התווסף באיטיות בקצב של טיפה אחת (~ 0.05 g) לשנייה. ההרכב הסופי של ג'ל סינתזה היא 30Na₂o: 1al₂o₃: 100sio₂: 2000h₂o. הליך ההכנה של ג'ל הסינתזה מבוסס על קאמאימורה ואח ' עם כמה שינויים⁹.
2. תגבשות
   1. יוצקים את ג'ל הסינתזה לתוך טפלון מרופדת כאשר התמיכה הנזרע ממוקם אנכית. החיטוי ממוקם בתוך תנור אוויר ב 120 ° c עבור 7 ימים.
3. רעבוני
   1. כיבוי החיטוי עם מים זורמים עבור 30 דקות לאחר התגבשות.
4. כביסה וייבוש
   1. רוחצים את הקרום במים רותחים במשך 8 שעות ויבש בן לילה. . זו קרום בי. בי. בי
5. מדידת משקל הקרום
   1. לאחר ייבוש, למדוד את המשקל של הקרום המוכן. משקל הקרום מחושב על ידי ההבדל במשקל התמיכה לפני ואחרי התגבשות.
      הערה: המשקל הממוצע של קרום * בי על כל תמיכה הוא ~ 74 mg.

איור 1 מציג את הליך ההכנה של גביש הזרע של "בי". איור 2 מציג את התבנית של עקיפה לקרני רנטגן (xrd) של גביש הזרע של בי. פסגות השתקפות חזקה של (101) ו (302) סביב 2q = 7.7 ו-22.1 ° הופיעו. בנוסף, אין השתקפות ברורה פסגות אחר מאשר * בי-סוג זאוליט נצפו. תוצאות אלה הראו כי השלב הטהור של * ביאטריס זאוליט היה מסונתז בהצלחה.

תמונה טיפוסית FE-SEM של גביש הזרע מסונתז מוצג באיור 3. קריסטלים של זרעי כדוריות נצפו וגודלם היה אחיד ~ 200 ננומטר. יחס Si/אל של הקריסטלים שהושגו היה ~ 19 כאשר נותחו על ידי EDX.

איור 4 ואיור 5 הצג את ההליכים של ציפוי מטבל והכנה ממברנה, בהתאמה. איור 6 מראה את תבנית xrd של קרום מסונתז * בי. כמו במקרה של גבישי הזרעים, פסגות השתקפות חזקה של (101) ו (302) סביב 2q = 7.7 ו 22.1 °. בנוסף, פסגות השתקפות של α-Al₂O₃ כתמיכה סביב 2q = 26, 35.5, ו 38 ° נצפו. כתוצאה מכך, הצלחנו לאשר כי השלב הטהור של * בי הושג כקרום.

פליטת שדה טיפוסית סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים (FE-SEM) התמונה של קרום מסונתז מוצג באיור 7. כיסו את משטח התמיכה. מורפולוגיה ברורים נראה דומה מאוד אופייני לקריסטלים * בי מסונתז על ידי שיטת osda-free דיווחו בעבר^9,10,15. היחס Si/אל של הממברנה שהושג היה ~ 5.1 שנותחו על ידי EDX.

איור 1: הכנת הליך ההכנה של גביש הזרע בי. * בי זרעי גביש היה מסונתז על ידי טיפול הידרותרמי אופייני באמצעות OSDA. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תבנית XRD של * אבני הזרע בי. שלב הגביש של המשקע שהושג אושר עם התבנית XRD. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: תמונת FE-SEM טיפוסית של גבישי זרעים. ניתוח מיקרוסקופי נעשה כדי לאמוד את גודל גבישי הזרעים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: הליך ציפוי מטבל. גבישי הזרע נטענו על ידי שיטת ציפוי הטבילה באמצעות הזרע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: הכנת הליך של קרום * בי. הקרום * בי היה מסונתז על ידי שיטת הצמיחה המשנית ללא שימוש OSDA. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: תבנית XRD של קרום * בי. שלב הגביש של הקרום המתקבל אושר מהתבנית XRD. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: תמונה אופיינית FE-SEM של קרום * בי. ניתוח מיקרוסקופי בוצע כדי לחקור את עובי הממברנה ואת מורפולוגיה גביש. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ישנם סוגים רבים של Si ו-אל מקורות סינתזה של זאוליט. עם זאת, אנחנו לא יכולים לשנות את חומרי הגלם להכנה של קרום זה * בי סוג. אם משתנים חומרי גלם, ניתן לשנות את השלב של זאוליט ו/או קצב הצמיחה.

לא ניתן להשתמש בכוסות זכוכית לצורך סינתזה של הכנת ג'ל, משום שלג'ל הסינתזה יש סיסיות גבוהה. בקבוקי פוליאתילן, פוליפרופילן, ו טפלון ניתן להשתמש במקום.

כדי להכין ממברנה באיכות גבוהה * בי, שכבת זרעים אחידה על המשטח החיצוני של תמיכה צינורי הוא חיוני. גודל גבישי הזרעים והפצתם שלהם הם די חשובים כדי ליצור שכבת זרעים אחידה על ידי ציפוי מטבל. גודל הזרעים הנדרש גדול יותר מזו של גודל הנקבובית של התמיכה (150 nm) כדי למנוע את גביש הזרע להתפשט לתוך התמיכה. בנוסף, התפלגות צרה של גודל הזרעים נדרשת גם כדי להכין שכבת זרעים אחידה.

תנאים התגבשות להכנת קרום כגון טמפרטורות ופרקי זמן הם די חשובים. שינוי התנאים התגבשות בקלות משמרות את השלב של זאוליט crystalized. טמפרטורות גבוהות יותר ופרקי זמן ארוכים יותר מובילים להתגבשות הזאוליט סוג. אם-סוג הזאוליט זאוליט מתגבשת בקרום * בי, גביש גדול כדורית ניתן לצפות על פני השטח על ידי התבוננות מיקרוסקופית.

בהצלחה מסונתז * בי קרום יש פגמים מעטים מאוד ניתן להשתמש עבור הפרדת פחמימנים¹¹.

. למחברים אין מה לגלות

עבודה זו היתה נתמכת חלקית על ידי JST קרסט (יפן מדע וטכנולוגיה הסוכנות, יצירת זרעים טכנולוגיים מהפכני עבור תוכנית חדשנות במדע וטכנולוגיה), גרנט מספר JPMJCR1324, יפן.