مقاله ساخت جاذب های زئولیتی نانوساختار به منظور جداسازی گازها

بخشی از مقاله

چکیده

زئولیت ها دسته مهمی از جاذب هاي صنعتی هستند که امروزه جایگاه بسیار مهمی در صنایع شیمیایی، نفت و گاز دارند. ساختمان زئولیت ها شامل حفرات ریزي با اندازه هاي در حد چند نانومتر هستند که می توان آن ها را ترکیباتی نانوساختار نامید. این مواد ریزحفره که قابلیت جذب و به دام انداختن ملکول هاي بسیار کوچک را دارند، می توانند کاربردهایی مانند جداسازي گازها، حذف آلاینده هاي گازي و مایع و استفاده هاي کاتالیستی را داشته باشند.

زئولیت ها انواع مختلفی دارند که با توجه به شرایط مختلف سنتز و در نظر گرفتن پارامترهاي موثر می توان این گونه ها را تهیه نمود. در این مطالعه، تهیه گونه زئولیت سدیمی به روش سنتز هیدروترمال در آزمایشگاه و با استفاده از مواد اولیه حاوي منابع آلومینیوم و سیلیسیوم مورد توجه قرارگرفته است. پس از انجام آزمایشات و تهیه زئولیت، آنالیز پراش اشعه ایکس - XRD - بر روي نمونه هاي تولیدي انجام و ساختار زئولیت تائید شد.

-1 مقدمه

زئولیت ها دسته مهمی از جاذب هاي صنعتی هستند که به طور گسترده اي مورد استفاده قرار میگیرند. زئولیت ها آلومیناسیلیکات هاي قلیایی یا قلیایی خاکی هستند که داراي ساختار کریستالی میباشند.[1] این مواد که هم بصورت طبیعی و هم بصورت سنتزي یافت میشوند، داراي ترکیب شیمیایی کلی زیر میباشند: که در این رابطه، x و y اعداد صحیحی هستند بطوریکه نسبت y به x همواره بزرگتر یا مساوي یک میباشد. n ظرفیت کاتیون M و   تعداد مولکولهاي آب موجود در هر سلول واحد این مواد می باشد.

زئولیت هاي سنتزي با توجه به خواص و ویژگی هاي کارآمدتر در مقایسه با زئولیت هاي طبیعی کاربردهاي بیشتري دارند. زئولیتهاي سنتزي زیادي وجود دارد مانند زئولیت هاي نوع A، X، Y، ZSM و موردنایت که بسته به کاتیون موجود در ترکیب شیمیایی و نسبت میزان آلومینیوم به سیلیسیوم دسته بندي شده و هریک خواص متفاوتی را از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نسبت Si/Al در زئولیتهاي نوع A معمولاً برابر 1 میباشد در حالیکه این نسبت در زئولیتهاي نوع X حداکثر برابر 1/5 میباشد. همچنین در زئولیت هاي نوع X و Y یکی از کاتیون هاي سدیم، کلسیم و یا منیزیوم می توانند حضور داشته باشند.[2]

زئولیتها داراي حفرات ریز با ابعاد برابر و یکنواختی با اندازه هاي در حد چند نانومتر هستند که می توان آن ها را ترکیباتی نانوساختار نامید. این ریزحفرات میتوانند مولکول هاي با اندازه هاي یکسان را غربال کنند. از اینرو این دسته از جاذب ها معمولا با عنوان غربال مولکولی شناخته می شوند. براي زئولیت ها سطح BET اندازه گیري شده توسط نیتروژن مایع در محدوده500-800 m2g -1 می باشد.[3] مهمترین کاربردهاي زئولیت ها عبارتند از: استفاده در شوینده ها، استفاده هاي کاتالیستی به ویژه در صنایع نفت - کراکینگ نفت خام - و پتروشیمی، تصفیه آب، جذب سطحی پروتئین در فصل مشترك مایع- جامد و [2]... از جمله مهمترین کاربردهاي زئولیتها به عنوان جاذب نیز میتوان به خشک کردن گازها، حذف دي اکسیدکربن از مخلوط هاي گازي، جداسازي اولفین/پارافین و تولید اکسیژن و نیتروژن از هوا اشاره کرد.

براي تهیه زئولیت، نیاز به منابع سیلیکا و آلومینا است. منابع قابل استفاده براي این منظور می تواند از بین مواد زیر انتخاب شود: سدیم سیلیکات، سیلیکاژل، تترااتیل اورتوسیلیکات - TEOS - ، تترامتیل اورتوسیلیکات - TMOS - ، سدیم آلومینات، آلومینیوم نیترات، آلومینیوم ایزوپروپوکساید، آلومینیوم هیدروکساید، پودر آلومینیوم.[4] پارامترهاي موثر در سنتز زئولیت: در کنار پارامترهاي عملیاتی، زمان آماده سازي ژل آبدار یکنواخت، زمان کریستالیزاسیون، دماي کریستالیزاسیون و نسبت مولی مواد اولیه در تشکیل و گونه ساختاري زئولیت موثر می باشد.

براي تهیه ساختارهاي مختلف زئولیتی نسبت هاي مختلفی می توان در نظر گرفت که هریک با توجه به شرایط آزمایشگاهی منحصر به فرد خود منجر به یک گونه زئولیتی می شود.[5] مثلا براي تهیه سه نوع زئولیت شناخته شده A، X و Y می توان نسبت هاي مولی به صورت زیر در نظر گرفت:[2] زئولیت 2 Na2O: Al2O3: 2SiO2: 35H2O : A زئولیت 3.6 Na2O: Al2O3: 3SiO2: 144H2O :X زئولیت 8 Na2O: Al 2O3: 20SiO2: 320H2O : Y البته باید به این نکته توجه نمود که در نظر گرفتن نسبت هاي مولی فوق الزاما منجر به تهیه نوع زئولیت بیان شده نخواهد شد. چراکه اثر پارامترهاي دیگري مانند دما و زمان نیز در تهیه نوع زئولیت موردنظر بایستی لحاظ گردد. در برخی موارد نیز چندین نوع زئولیت در کنار یکدیگر تولید می شوند.

همانطور که اشاره شد، جداسازي گازها به روش جذب سطحی یکی از موارد پرکاربرد استفاده از جاذب هاي زئولیتی در صنایع مختلف می باشد. این مواد به جهت دارا بودن خلل و فرج هاي بسیار ریز، براي به دام انداختن ملکول هاي کوچک گازي و جداسازي آن ها از مخلوط هاي گازي بسیار مناسب می باشند و از این میان زئولیت هاي گونه A و X مهمترین و پرکاربردترین مواد در جداسازي هاي گازي می باشند. لذا می توان گفت با توجه به کاربردهاي گسترده زئولیت ها در صنایع مختلف و عدم تولید این مواد در داخل کشور و نیاز کشور به این دسته از مواد، بررسی روش ها و تعیین و رسیدن به شرایط بهینه به منظور سنتز زئولیت بسیار حائز اهمیت می باشد که در این کار، به این مسئله پرداخته شده است.

-2 مواد و آزمایشات

مواد اولیه اي که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفت به شرح زیر است: سدیم سیلیکات به عنوان منبع سیلیکا، سدیم آلومینات به عنوان منبع آلومینا، سود سوزآور و آب دیونیزه. این مواد در یک سنتز هیدروترمال به منظور تولید گونه سدیمی زئولیت1 مورد استفاده قرار می گیرند. همانطور که اشاره شد به طور کلی مواد اولیه با نسبت هایی که به صورت x Na 2O: Al2O3: y SiO2: z H2 O در نظر گرفته می شوند که حروف x، y و z نشاندهنده نسبت هاي مولی مواد هستند. با توجه به این مقادیر و در نظر گرفتن نوع منبع آلومینا و سیلیس، مواد اولیه توزین و مورد استقاده قرار می گیرند.