بررسی ویژگی ساختاری زئولیت 5-ZSM با مقدار سیلیکای متوسط تهیه شده با اتانول
محورهای موضوعی : شیمی معدنی
محدثه نظری
1
(
استادیار مهندسی شیمی، گروه مهندسی مواد، شیمی و ایمنی، مجتمع آموزش عالی اسفراین، اسفراین، ایران
)
فریدون یاریپور
2
(
دکترای شیمی، گروه کاتالیست، شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی مرکز تهران، تهران، ایران
)
کلید واژه: سطح ویژه, اتانول, بلورینگی, زئولیت ZSM-5, افزایش مقیاس,
چکیده مقاله :
قالب‌ها نقش مهمی را در تبلور زئولیت‌ها ایفا می کنند. ترکیب های آمونیمی رایج‌ترین الگو‌های مورداستفاده در تهیه زئولیت 5-ZSM هستند. که به دلیل قیمت، سمیت و خورندگی زیاد می‌توانند مشکل های فراوانی را در مقیاس بالا ایجاد کنند. در پژوهش حاضر امکان‌پذیری تولید 5-ZSM با سیلیکای متوسط با اتانول در دم فشار همزن دار 5 لیتری (rpm 450) و با منابع آلومینا و سیلیکا ارزان‌قیمت و در دسترس بررسی شد. به کمک پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف شناسی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) ، میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی (FE-SEM)، طیف‌شناسی تفکیک انرژی (EDS)، فلورسانس پرتو ایکس (XRF)، تجزیه وزن‌سنجی گرمایی (TGA) و روش BET، اثر عامل های موثر بر ویژگی های ساختاری زئولیت بررسی شد. نتیجه ها نشان می دهد که کوچک بودن اتانول و پیوند ضعیف آن با گروه‌های انتهایی Si-OH در آنیون‌های سیلیکات، مدت بلورسازی و حساسیت ساختار به عامل های سنتزی را افزایش می‌دهد. با این حال، تنظیم مناسب این عامل ها، امکان تهیه 5-ZSM با سیلیکا متوسط را با خلوص، بلورینگی و سطح ویژه بالا فراهم ساخت. نسبت‌های بالای OH-/SiO2 در سامانه، با افزایش سرعت هسته‌زایی و کاهش رشد بلور، منجر به کاهش نسبت ابعادی Lc/La در بلور شد. همچنین، افزایش میزان Si/Al رشد سینتیکی بلور را در جهت b تقویت کرد و موجب پدیدارشدن بلورهای دوقلوی شش‌ضلعی شد. در پایان، نسبت OH-/SiO2 برابر با 0/15 و مدت تبلور 40 ساعت، به عنوان مناسب‌ترین شرایط برای تهیه 5-ZSM خالص با SiO2/Al2O3 برابر با 50، بازدهی بالای 90 %، بلورینگی نسبی 100 % و سطح ویژه 1-443m2gانتخاب شد.
Templates play a key role in the crystallization of zeolites. Quaternary ammonium compounds, the most common templates used in the synthesis of ZSM-5 zeolite, can cause problems in large-scale production due to their high cost, toxicity, and corrosive effects. The present study aimed to synthesize the medium-silica ZSM-5 templated by ethanol in a 5-liter stirred autoclave (450 rpm) with cheap and available alumina and silica sources. The effects of synthesis and operating parameters on the structural and textural characteristics of the zeolite were investigated using XRD, FTIR, FE-SEM EDX, XRF, BET, and TGA analyses. The results showed that the small size of ethanol and its weak bonding with Si-OH terminal groups of silicate anions increased the crystallization time and the sensitivity of the structure to synthesis parameters. However, proper adjustment of these parameters allowed the synthesis of a pure ZSM-5 with high crystallinity and surface area. It was found that high OH-/SiO2 ratios decrease the aspect ratio Lc/La by increasing nucleation rate and decreasing crystal growth. Moreover, increasing the Si/Al value accelerated the kinetic growth of the crystal in the b axis and led to the appearance of twinned coffin-shaped crystals. Finally, a pure silica-medium ZSM-5 (SiO2/Al2O3 = 50) with a yield above 90%, relative crystallinity of 100%, and surface area of 443 m2.g-1 was obtained at OH-/SiO2 =0.15 within 40 h.
[1] Costa, E.; Uguina, M.; De Lucas, A.; Blanes, J.; J. Catal. 107, 317-324, 1987.
[2] Ma, T.; Zhang, L.; Song, Y.; Shang, Y.; Zhai, Y.; Gong, Y.; Catalysis Science & Technology 8, 1923-1935, 2018.
[3] Uguina, M.A.; de Lucas, A.; Ruiz, F.; Serrano, D.P.; Industrial & engineering chemistry research 34, 451-456, 1995.
[4] Zhang, D.; Wang, R.; Yang, X.; Microporous Mesoporous Mater. 126, 8-13, 2009.
[5] Falamaki, C.; Edrissi, M.; Sohrabi, M.; Zeolites 19, 2-5, 1997.
[6] Feng, F.; Balkus, K.J.; J. Porous Mater. 10, 235-242, 2003.
[7] Plank, C.J.; Rosinski, E.J.; Rubin, M.K.; US Patent, 4341748, 1982.
[8] Van der Gaag, F.; Jansen, J.; Van Bekkum, H.; Applied catalysis 17, 261-271, 1985.
[9] Fu, D.; Schmidt, J.E.; Pletcher, P.; Karakiliç, P.; Ye, X.; Vis, C.M.; Bruijnincx, P.C.; Filez, M.; Mandemaker, L.D.; Winnubst, L.; Angew. Chem. Int. Ed. 57, 12458-12462, 2018.
[10] Sang, S.; Chang, F.; Liu, Z.; He, C.; He, Y.; Xu, L.; Catal. Today. 93, 729-734, 2004.
[11] Uguina, M.; Sotelo, J.; Serrano, D.; Applied catalysis 76, 183-198, 1991.
[12] Song, W.; Justice, R.; Jones, C.; Grassian, V.; Larsen, S.; Langmuir 20, 8301-8306, 2004.
[13] Albiero, J.K.; Schwaab, M.; Castilhos, F.D.; Coutinho, E.B.; Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental 19, 1325-1333, 2015.
[14] Calsavara, V.; Baesso, M.L.; Fernandes-Machado, N.R.C.; Fuel. 87, 1628-1636, 2008.
[15] Liu, X.; Sun, Y.; Catalysts 10, 198-211, 2020.
[16] Al-Jubouri, S.M.; Microporous Mesoporous Mater. 303, 110296-110305, 2020.
[17] Beyraghi, S.; Rostamizadeh, M.; Alizadeh, R.; Polyolefins Journal 8, 93-103, 2021.
[18] Sun, H.; Peng, P.; Wang, Y.; Li, C.; Subhan, F.; Bai, P.; Xing, W.; Zhang, Z.; Liu, Z.; Yan, Z.; J. Porous Mater. 24, 1513-1525, 2017.
[19] Baerlocher, C.; Bennett, J.M.; Depmeier, W.; Fitch, A.N.; Jobic, H.; van Koningsveld, H.; Meier, W.M.; Pfenninger, A.; Terasaki, O.; "Structures and Structure Determination, Chap. 6,", Springer, Switzerland, 1999.
[20] Bebon, C.; Colson, D.; Marrot, B.t.; Klein, J.P.; Di Renzo, F.; Microporous Mesoporous Mater. 53, 13-20, 2002.
[21] Marrot, B.; Bebon, C.; Colson, D.; Klein, J.; Crystal Research and Technology 36, 269-281, 2001.
[22] Derouane, E.G.; Determmerie, S.; Gabelica, Z.; Blom, N.; Applied catalysis 1, 201-224, 1981.
[23] Guth, J.; Caullet, P.; Wey, R.; Studies in Surface Science and Catalysis 24, 183-190, 1985.
[24] Moolenaar, R.J.; Evans, J.C.; McKeever, L.; The Journal of Physical Chemistry 74, 3629-3636, 1970.
[25] Shukla, D.B.; Pandya, V.P.; Journal of Chemical Technology & Biotechnology 44, 147-154, 1989.
[26] Fujita, S.; Kanai, T.; Oumi, Y.; Sano, T.; Studies in Surface Science and Catalysis 158, 191-198, 2005.
[27] Chatterjee, A.; Vetrivel, R.; J. Chem. Soc., Faraday Trans. 91, 4313-4319, 1995.
[28] Hargreaves, J.; Crystallography Reviews 11, 21-34, 2005.
[29] Alvarez, A.; Viturro, H.; Bonetto, R.; Mater. Chem. Phys. 32, 135-140, 1992.
[30] Mentzen, B.; Lefebvre, F.; Mater. Res. Bull. 32, 813-820, 1997.
[31] Dai, F.-Y.; Suzuki, M.; Takahashi, H.; Saito, Y.; Bull. Chem. Soc. Jpn. 61, 3403-3407, 1988.
[32] Schmidt, F.; Hoffmann, C.; Giordanino, F.; Bordiga, S.; Simon, P.; Carrillo-Cabrera, W.; Kaskel, S.; J. Catal. 307, 238-245, 2013.
[33] Parise, J.; Hriljac, J.; Cox, D.; Corbin, D.; Ramamurthy, V.; J. Chem. Soc., Chem. Commun. 3, 226-228, 1993.
[34] Wu, E.; Lawton, S.; Olson, D.; Rohrman, A.; Kokotailo, G.; J. Phys. Chem. 83, 2777-2781, 1979.
[35] Ali, B.; Lan, X.; Arslan, M.T.; Gilani, S.Z.A.; Wang, H.; Wang, T.; Journal of Industrial and Engineering Chemistry 88, 127-136, 2020.
[36] Bonilla, G.; Díaz, I.; Tsapatsis, M.; Jeong, H.-K.; Lee, Y.; Vlachos, D.G.; Chem. Mater. 16, 5697-5705, 2004.
[37] Zhou, M.; Rownaghi, A.A.; Hedlund, J.; RSC advances. 3, 15596-15599, 2013.
[38] Shirazi, L.; Jamshidi, E.; Ghasemi, M.; Crystal Research and Technology 43, 1300-1306, 2008.
[39] Wang, K.; Dong, M.; Niu, X.; Li, J.; Qin, Z.; Fan, W.; Wang, J.; Crystal Growth & Design 18, 7548-7561, 2018.
[40] Loewenstein, W.; American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials 39, 92-96, 1954.
[41] Li, T.; Krumeich, F.; Van Bokhoven, J.A.; Crystal Growth & Design 19, 2548-2551, 2019.
[42] Thommes, M.; Kaneko, K.; Neimark, A.V.; Olivier, J.P.; Rodriguez-Reinoso, F.; Rouquerol, J.; Sing, K.S.; Pure Appl. Chem. 87, 1051-1069, 2015.
[43] Gharamaleki, J.A.; Farzaneh, F.; Ghandi, M.; Journal of Sciences Islamic Republic of Iran. 15, 39-46, 2004.
_||_[1] Costa, E.; Uguina, M.; De Lucas, A.; Blanes, J.; J. Catal. 107, 317-324, 1987.
[2] Ma, T.; Zhang, L.; Song, Y.; Shang, Y.; Zhai, Y.; Gong, Y.; Catalysis Science & Technology 8, 1923-1935, 2018.
[3] Uguina, M.A.; de Lucas, A.; Ruiz, F.; Serrano, D.P.; Industrial & engineering chemistry research 34, 451-456, 1995.
[4] Zhang, D.; Wang, R.; Yang, X.; Microporous Mesoporous Mater. 126, 8-13, 2009.
[5] Falamaki, C.; Edrissi, M.; Sohrabi, M.; Zeolites 19, 2-5, 1997.
[6] Feng, F.; Balkus, K.J.; J. Porous Mater. 10, 235-242, 2003.
[7] Plank, C.J.; Rosinski, E.J.; Rubin, M.K.; US Patent, 4341748, 1982.
[8] Van der Gaag, F.; Jansen, J.; Van Bekkum, H.; Applied catalysis 17, 261-271, 1985.
[9] Fu, D.; Schmidt, J.E.; Pletcher, P.; Karakiliç, P.; Ye, X.; Vis, C.M.; Bruijnincx, P.C.; Filez, M.; Mandemaker, L.D.; Winnubst, L.; Angew. Chem. Int. Ed. 57, 12458-12462, 2018.
[10] Sang, S.; Chang, F.; Liu, Z.; He, C.; He, Y.; Xu, L.; Catal. Today. 93, 729-734, 2004.
[11] Uguina, M.; Sotelo, J.; Serrano, D.; Applied catalysis 76, 183-198, 1991.
[12] Song, W.; Justice, R.; Jones, C.; Grassian, V.; Larsen, S.; Langmuir 20, 8301-8306, 2004.
[13] Albiero, J.K.; Schwaab, M.; Castilhos, F.D.; Coutinho, E.B.; Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental 19, 1325-1333, 2015.
[14] Calsavara, V.; Baesso, M.L.; Fernandes-Machado, N.R.C.; Fuel. 87, 1628-1636, 2008.
[15] Liu, X.; Sun, Y.; Catalysts 10, 198-211, 2020.
[16] Al-Jubouri, S.M.; Microporous Mesoporous Mater. 303, 110296-110305, 2020.
[17] Beyraghi, S.; Rostamizadeh, M.; Alizadeh, R.; Polyolefins Journal 8, 93-103, 2021.
[18] Sun, H.; Peng, P.; Wang, Y.; Li, C.; Subhan, F.; Bai, P.; Xing, W.; Zhang, Z.; Liu, Z.; Yan, Z.; J. Porous Mater. 24, 1513-1525, 2017.
[19] Baerlocher, C.; Bennett, J.M.; Depmeier, W.; Fitch, A.N.; Jobic, H.; van Koningsveld, H.; Meier, W.M.; Pfenninger, A.; Terasaki, O.; "Structures and Structure Determination, Chap. 6,", Springer, Switzerland, 1999.
[20] Bebon, C.; Colson, D.; Marrot, B.t.; Klein, J.P.; Di Renzo, F.; Microporous Mesoporous Mater. 53, 13-20, 2002.
[21] Marrot, B.; Bebon, C.; Colson, D.; Klein, J.; Crystal Research and Technology 36, 269-281, 2001.
[22] Derouane, E.G.; Determmerie, S.; Gabelica, Z.; Blom, N.; Applied catalysis 1, 201-224, 1981.
[23] Guth, J.; Caullet, P.; Wey, R.; Studies in Surface Science and Catalysis 24, 183-190, 1985.
[24] Moolenaar, R.J.; Evans, J.C.; McKeever, L.; The Journal of Physical Chemistry 74, 3629-3636, 1970.
[25] Shukla, D.B.; Pandya, V.P.; Journal of Chemical Technology & Biotechnology 44, 147-154, 1989.
[26] Fujita, S.; Kanai, T.; Oumi, Y.; Sano, T.; Studies in Surface Science and Catalysis 158, 191-198, 2005.
[27] Chatterjee, A.; Vetrivel, R.; J. Chem. Soc., Faraday Trans. 91, 4313-4319, 1995.
[28] Hargreaves, J.; Crystallography Reviews 11, 21-34, 2005.
[29] Alvarez, A.; Viturro, H.; Bonetto, R.; Mater. Chem. Phys. 32, 135-140, 1992.
[30] Mentzen, B.; Lefebvre, F.; Mater. Res. Bull. 32, 813-820, 1997.
[31] Dai, F.-Y.; Suzuki, M.; Takahashi, H.; Saito, Y.; Bull. Chem. Soc. Jpn. 61, 3403-3407, 1988.
[32] Schmidt, F.; Hoffmann, C.; Giordanino, F.; Bordiga, S.; Simon, P.; Carrillo-Cabrera, W.; Kaskel, S.; J. Catal. 307, 238-245, 2013.
[33] Parise, J.; Hriljac, J.; Cox, D.; Corbin, D.; Ramamurthy, V.; J. Chem. Soc., Chem. Commun. 3, 226-228, 1993.
[34] Wu, E.; Lawton, S.; Olson, D.; Rohrman, A.; Kokotailo, G.; J. Phys. Chem. 83, 2777-2781, 1979.
[35] Ali, B.; Lan, X.; Arslan, M.T.; Gilani, S.Z.A.; Wang, H.; Wang, T.; Journal of Industrial and Engineering Chemistry 88, 127-136, 2020.
[36] Bonilla, G.; Díaz, I.; Tsapatsis, M.; Jeong, H.-K.; Lee, Y.; Vlachos, D.G.; Chem. Mater. 16, 5697-5705, 2004.
[37] Zhou, M.; Rownaghi, A.A.; Hedlund, J.; RSC advances. 3, 15596-15599, 2013.
[38] Shirazi, L.; Jamshidi, E.; Ghasemi, M.; Crystal Research and Technology 43, 1300-1306, 2008.
[39] Wang, K.; Dong, M.; Niu, X.; Li, J.; Qin, Z.; Fan, W.; Wang, J.; Crystal Growth & Design 18, 7548-7561, 2018.
[40] Loewenstein, W.; American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials 39, 92-96, 1954.
[41] Li, T.; Krumeich, F.; Van Bokhoven, J.A.; Crystal Growth & Design 19, 2548-2551, 2019.
[42] Thommes, M.; Kaneko, K.; Neimark, A.V.; Olivier, J.P.; Rodriguez-Reinoso, F.; Rouquerol, J.; Sing, K.S.; Pure Appl. Chem. 87, 1051-1069, 2015.
[43] Gharamaleki, J.A.; Farzaneh, F.; Ghandi, M.; Journal of Sciences Islamic Republic of Iran. 15, 39-46, 2004.
