Μελέτη της κρυστάλλωσης του σιλικαλίτη-1 (MFI) με χρήση της δονητικής φασματοσκοπίας υπέρυθρου ολικής εσωτερικής ανακλαστικότητας
Loading...
Date
Authors
Πάτης, Άγγελος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η μελέτη των ζεόλιθων έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον των επιστημών εξαιτίας των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους. Οι ζεόλιθοι παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλή θερμική και χημική σταθερότητα και για το λόγο αυτό, ολοένα και πληθαίνουν οι εφαρμογές τους. Ανάμεσά στις τελευταίες, σημαντικές είναι και οι θέσεις που καταλαμβάνουν ως καταλύτες και ως μεμβράνες σε διαχωρισμούς μιγμάτων αερίων υδρογονανθράκων. Στο πεδίο έρευνας της κατάλυσης η χρήση τους είναι αρκετά διαδεδομένη, τόσο σε εργαστηριακό όσο και σε βιομηχανικό επίπεδο. Αντίθετα, οι εφαρμογές των μεμβρανών σε βιομηχανικό επίπεδο είναι ελάχιστες και η εργαστηριακή προσπάθεια παρασκευής ποιοτικών λεπτών πολυκρυσταλλικών μεμβρανών, από νανοκρυστάλλους ζεόλιθων της τάξης των μερικών nm αποτελεί δύσκολο εγχείρημα, αφού ακόμη και στις μέρες μας πραγματοποιείται με τη μέθοδο της δοκιμής και σφάλματος. Στην πραγματικότητα, το γεγονός ότι στη βιβλιογραφία υπάρχει ένα μεγάλο πλήθος διαφορετικών συστάσεων χωρίς να αποσαφηνίζονται οι κανόνες επιλογής των επιμέρους συγκεντρώσεων των συστατικών, δημιουργούν ασάφεια στην έρευνα και την περιγραφή του μηχανισμού κρυστάλλωσής τους. Παράλληλα, η δομή και ο ρόλος των νανοσωματιδίων, τα οποία απαρτίζουν τα μητρικά αιωρήματα σύνθεσης, αποτελούν ακόμη και στις μέρες μας αντικείμενο έρευνας και συζήτησης. Η γνώση των παραπάνω παραμέτρων είναι απαραίτητη στην επίλυση των προβλημάτων ελέγχου της ανάπτυξης νανοκρυστάλλων με τις επιθυμητές ιδιότητες, αλλά και λεπτών πολυκρυσταλλικών προσανατολισμένων μεμβρανών από ζεόλιθους, χωρίς δομικές ατέλειες.
Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας έγινε προσπάθεια σταδιακής σύνδεσης των ρεαλιστικών προβλημάτων, τα οποία προκύπτουν κατά τη σύνθεση και το χαρακτηρισμό των ζεόλιθων. Πιο συγκεκριμένα, για πρώτη φορά μελετήθηκε ο μηχανισμός της κρυστάλλωσης του ζεόλιθου σιλικαλίτη-1 (δομής MFI), in-situ στην υδατική φάση από πλήθος διαφορετικών συστάσεων με χρήση της φασματοσκοπίας ATR/FTIR. Ακόμη, μελετήθηκε η συμπεριφορά του ζ-δυναμικού κρυστάλλων σιλικαλίτη-1 σε αλκαλικά διαλύματα τετραπροπυλαμμωνίου με μετρήσεις της ηλεκτροφορητικής τους κινητικότητας. Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύνθεση πολυκρυσταλλικών υποκατεστημένων μεμβρανών Al-, Fe-, Cu- & B-ZSM-5 και χαρακτηρισμός τους σε διεργασίες διαχωρισμών μιγμάτων αερίων σε κελί τύπου Wicke-Kalenbach. Τέλος, οι ποιοτικότερη μεμβράνη χρησιμοποιήθηκε σε καταλυτικό αντιδραστήρα μεμβράνης για την αντίδραση ισομερίωσης του 1-βουτενίου. Οι τεχνικές XRD, SEM, BET, ICP & Ρόφηση Αερίων χρησιμοποιήθηκαν ως παράπλευρες τεχνικές χαρακτηρισμού.
Η μελέτη των φασμάτων ATR/FTIR επικεντρώθηκε στην περιοχή των ασύμμετρων δονήσεων τύπου τάσης των δεσμών Si-O-Si. Για όλες τις συστάσεις επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη ολιγομερών πυριτικών ειδών (SiO2). Εντούτοις, στις συστάσεις υψηλής συγκέντρωσης πυριτίας, παρατηρήθηκε η δημιουργία και άλλων πιο συμπυκνωμένων δομών πυριτίας (νανοσωματίδια). Σύμφωνα με το μηχανισμό που προτείνεται, τα παραπάνω “αρχικά” νανοσωματίδια έχουν δομή διαφορετική από εκείνη του τελικού κρυστάλλου σιλικαλίτη-1 (MFI). Κατά τη διάρκεια της κρυστάλλωσης, τα “αρχικά” νανοσωματίδια μετασχηματίζονται σε νέα “ενδιάμεσα”, οι δομές των οποίων χαρακτηρίζονται από αυξημένο αριθμό δεσμών Si-O-Si. Τα “ενδιάμεσα” νανοσωματίδια, δεν έχουν την δομή MFI του τελικού κρυστάλλου, και παραμένουν αμετάβλητα ως προς τη δομή τους, κατά το μεγαλύτερο μέρος της κρυστάλλωσης. Τέλος, τη γένεση των πρώτων πυρήνων σιλικαλίτη-1 ακολουθεί η ανάπτυξή τους μέσα στο αιώρημα των “ενδιάμεσων” νανοσωματιδίων.
Description
Keywords
Σιλικαλίτης-1, Ζεόλιθοι, Κρυστάλλωση, Φασματοσκοπία