بخشی از مقاله
خلاصه
در این مطالعه، شست و شوی قلیایی زئولیت Y در حضور امواج ماوراء صوت مورد بررسی قرار گرفت. نمونهها با محلول سدیم هیدروکسید 0/5 مولار، سیلیسیمزدایی شدهاند. آنالیزهایی چون XRD و FESEM برای تحلیل و بررسی نتایج، به کار گرفته شدهاند. نتایج حاصل از XRD نشان داد که عملیات سود زنی منجر به کاهش بلورینگی زئولیت Y میشود. همچنین افزایش زمان شست و شوی قلیایی نیز بلورینگی زئولیت را تحت تأثیر قرار داده و از میزان آن کاست. نتایج حاص از آنالیز FESEM، نیز اثرات سود زنی و زمان را به وضوح نشان داد. با اعمال عملیات سیلیسیمزدایی، شیارها و شکافهایی بر روی زئولیت سنتزی رؤیت شد؛ که با افزایش زمان این عملیات، تراکم شکافها بر روی سطح نمونه افزایش یافت. در واقع این شکافها مزوحفرههای ایجاد شده بر اثر سیلیسیمزدایی میباشند. کاهش بلورینگی و وجود شیارها بر روی سطح زئولیت، ناشی از شکسته شدن باندهای سیلیسیم و اکسیژن و استخراج سیلیسیم میباشد.
کلمات کلیدی: سیلسیم زدایی، شست و شوی قلیایی، اموج ماوراء صوت، زئولیت Y
.1 مقدمه
زئولیت Y یک کاتالیست اسیدی جامد از خانواده فوجاسیت - FAU - میباشد. زئولیت Y دارای ساختار سه بعدی میکروحفرهای میباشد که کریستالهای آن از قرار گرفتن سوپر کیجها و سودالیت کیجها در کنار هم تشکیل شدهاند. حفرهها در زئولیت Y با اتصال حلقههای 12تایی باز که دارای قطر منفذ 0/74 نانومتر است، میباشند .[1] مساحت سطح بالا، سایتهای اسیدی قوی، اندازه حفرههای بزرگ، پایداری ترمال و هیدروترمال بالای زئولیت Y، نتیجه ساختار میکروحفرهای آن میباشد. به دلیل داشتن چنین خواصی، زئولیت Y به صورت گستردهای در پالایش نفت و پتروشیمی و صنایع شیمیایی به کار برده میشود .[2]
امروزه بیش از نیمی از منابع فسیلی، مصرف شده است. از این رو سوختهای سنگین باقی ماندههای پالایشگاهی، به منظور تولید سوختهای سبک، جایگزین منابع خام فسیلی شدهاند. سوختهای سنگین هیدروکربنی دارای زنجیرههای هیدروکربنی طولانی و مولکولهای بزرگ میباشند؛ بنابراین به راحتی نمیتوانند وارد میکروحفرههای زئولیت Y شوند. در واقع میکروحفرههای موجود در ساختار زئولیت با داشتن قطر کمتر از 1nm مانع از نفوذ مولکولهای بزرگ به داخل سایتهای فعال و خروج آسان محصولات از آنها میشوند .[3]
روش بسیار مؤثر و پرکابرد برای حل این مشکل، ایجاد مزوحفرهها در داخل کریستالهای میکروحفرهای و کاهش سایز کریستالهای زئولیت میباشد .[4] برای ایجاد مزوحفره روشهای بسیار زیادی توسط محققین ارائه شده است؛ زئولیت مزوحفره را میتوان - 1 با کنترل فرایند کریستالیزاسیون در طول سنتز اولیه به دست آورد و یا - 2 با استفاده از برخی روشهای پس از سنتز تولید کرد؛ که این روشها به ترتیب به شاخهی bottom-up - یا پرایمری-سنتز - و شاخهی top-down - یا پست-سنتز - تقسیم میشوند. روش bottom-up، شامل دو روش قالبگیری نرم1 و قالبگیری سخت2 بوده و روش top-down شامل حذف یکی از عناصر مهم زئولیتهاست، که یا به صورت حذف سیلیکا - سیلیکازدایی3 در محلولهای قلیایی که اصطلاحاً به شستوشوی قلیایی 4 نیز معروف است - و یا حذف آلومینا - روش آلومینیومزدایی با استفاده از عملیات بخار زنی5 در دمای بالا و یا روش عملیات شیمیایی که همان شست و شوی اسیدی6 است - انجام میگیرد .[5]
آمادهسازی زئولیت با روش پرایمری-سنتز اغلب با مشکل تراکم دانه مواجه میشود، در حالی که روش اصلاح سازی پست-سنتز به نظر با صرفهتر میرسد، زیرا نه تنها ویژگیهای ذاتی زئولیتها از جمله پایداری حرارتی و هیدروترمال، خواص آبدوست-آبگریز و سایز کریستال و سطح تراکم، را سازگار میکند و وفق میدهد، بلکه خواص کاتالیستی زئولیت را نیز مناسب میکند. یکی دیگر از معایب روش پرایمری سنتز، قیمت بالای قالبها میباشد. به همین دلیل این روش برای کاربردهای صنعتی بسیار هزینه بر است. اما در مقابل روش پست-سنتز به راحتی در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد ,6] .[7 روش آلومینیومزدایی هرچند که موجب ایجاد ثبات در زئولیت USY مورد استفاده در فرایند FCC میشوند، اما تحقیقات نشان داده است که مزوحفرههای تشکیل شده تأثیر قابل توجهی بر روی نفوذ داخل-کریستالی ندارند؛ زیرا که آنها اغلب به عنوان حفره در داخل کریستالها قرار میگیرند .[8]
عملیات سیلیسیومزدایی به روشهای مختلفی انجام گرفته است .[9] بسیاری از تحقیقات بر روی زئولیت ZSM-5 [10] بوده استو اخیراً بررسیهایی بر روی زئولیت [11] Y نیز صورت پذیرفته است. این روش به دلیل سادگی و ایجاد مزوحفرههای مناسب مورد توجه قرار گرفته است. مزوحفرههای ایجاد شده توسط روش شست و شوی قلیایی به هم پیوسته بوده و از سطوح خارجی کریستالهای زئولیت قابل دسترسی میباشند. که این موضوع یک مزیت برای محدودیت دسترسی و نفوذ واکنش دهندهها به میکروحفرهها به شمار میآید .[12]
بسیاری ازپژوهشگران از امواج ماوراء صوت برای سنتز زئولیتهایی از جمله [13] ZSM-5، [14] MCM-22 استفاده کردهاند. چراکه این روش ساختار یکنواخت را در زئولیت سنتزی به وجود میآورد. اثبات شده است که اموج ماوراء صوت باعث کاویتاسیون در محیط آبی شده و موجب تشکیل، رشد و فروپاشی ریز حبابهایی با دما و فشار بالا میشود. عملیات حرارتدهی ماوراء صوتی، سینیتیک تبلور و شکلگیری هسته کریستال را میتواند تحت تأثیر قرار دهد. این موضوع موجب تحریک گونههای درگیر در واکنش شده، در نتیجه موجب افزایش واکنشهای ناهمگن میان واکنش دهندههای مایع و جامد میشود. از طرفی این امواج در دوره زمانی کوتاه، اختلاط مایعات را در سطح ریزجریان، بهبود میدهد. عبور امواج از میان سیستم جامد-مایع یک اثر همزن به وجود میآید و در نتیجه انتقال جرم بهبود مییابد. قرار گرفتن نوسان در جهت موج، منجر به تولید امواج طولانی میشود. این موضوع موجب جابهجایی لایههای مایع شده و برخی از لایهها منبسط شده و برخی دیگر فشرده میشوند. علاوه بر تغییر مکان مولکولها، تغییرات فشار نیز به وجود میآید .[15]
در مطالعه کنونی، بر روی اصلاح زئولیت Y تمرکز شده است. تأثیرات امواج فراء صوت بر عملیات شست و شوی قلیایی مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور نمونهها در شرایط های متفاوت به دست آمده و توسط آنالیزهایی چون XRD، FESEM ارزیابی شده اند.
.2 مواد و روشها
.1-2 مواد
زئولیت Y استفاده شده در این تحقیق، تهیه شده از کمپانی نیک چین میباشد. سدیم هیدروکسید به کار برده شده تهیه شده از کمپانی مرک آلمان میباشد.
.2-2 شست و شوی قلیایی زئولیت
به منظور سیلیسیمزدایی، زئولیت Y، در محلول سود - NaOH - با نسبت 1 گرم زئولیت10/ میلی لیتر محلول غوطه ور شد. غلظت محلول سود 0/5 مولار در نظر گرفته شده است. ترکیب به دست آمده در دمای 303K در داخل دستگاه ماوراء صوت با توان 300 وات قرار گرفت. نمونهها در دو زمان متفاوت 10 دقیقه و 20 دقیقه مورد عملیات سودزنی قرار گرفتند. سوسپانسیون به دست آمده توسط ارلن جداسازی و فیلتر شد و رسوب به دست آمده توسط آب مقطر شسته شد. این مرحله تا خنثی شدن نمونه - رسیدن به - PH=7 ادامه یافت. کیک خیس حاصل از مرحله قبل، در دمای 383K حرارت و به مدت دوازده ساعت خشک شد. نمونهها به ترتیب UA-10-300 و UA-20-300 نام گذاری شدند. در شکل 1 روند انجام عملیات سودزنی به اختصار آورده شده است.
