سنتز غشای زئولیتی SSZ-13 و بررسی تاثیر یون‌های سدیم، لیتیوم و پتاسیم در عبوردهی دی‌اکسیدکربن، متان و نیتروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد/دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند تبریز

2 عضو هیات علمی/ دانشگاه صنعتی سهند

چکیده

در این پژوهش، سنتز غشای زئولیتی SSZ-13 به روش رشد ثانویه و به‌صورت استاتیک انجام شد. سپس، تأثیر یون‌های سدیم، پتاسیم و لیتیوم بر عملکرد آن در عبوردهی و انتخاب‌گری گازهای دی‌اکسید‌کربن، متان و نیتروژن بررسی ‌شد. غشای سنتز شده حاوی یون سدیم می باشد که در فشار 2 بار و دمای 300 کلوین دارای عبوردهی دی‌اکسیدکربن برابرmol.m-2.s-1.Pa-1 7-10×67/3 و انتخاب‌گری ایده‌آل CO2/CH4 و CO2/N2 به ترتیب 6/44 و 11 می باشد. اثر تبادل یون‌ سدیم در ساختار لایه زئولیتی با یون‌های پتاسیم و لیتیوم در فشارها و دماهای مختلف بر عبوردهی گازهای فوق مورد بررسی و اثر دما از طریق بررسی انرژی فعال‌سازی در عبوردهی گازها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که حضور یون لیتیوم در لایه غشایی عبوردهی دی‌اکسید‌کربن را در دمای 300 کلوین از 7-10× 67/3 به mol.m-2.s-1.Pa-1 7-10×13/1 کاهش می دهد درحالیکه آن مقدار برای متان از mol.m-2.s-1.Pa-1 9-10×51/4 به mol.m-2.s-1.Pa-1 11-10×30/5 و برای نیتروژن در غشا را از mol.m-2.s-1.Pa-1 8-10×31/3 به mol.m-2.s-1.Pa-1 9-10×30/5 می رسد. کاهش شدیدتر عبوردهی گازهای متان و نیتروژن در مقایسه با دی اکسید کربن باعث افزایش انتخابگری CO2/CH4 از 44 به 97 و CO2/N2 از 11 به 19 می شود. در غشای تبادل یونی شده با یون پتاسیم عبوردهی دی‌اکسیدکربن کاهش بیشتری نسبت به یون لیتیوم از خود نشان داده و به مقدار mol.m-2.s-1.Pa-1 10-8×73/9 می رسد در حالیکه انتخاب‌گری CO2/CH4 از 44 به 7/2 و انتخاب‌گری CO2/N2 از 11 به 87/3 کاهش می یابد. بنابراین، تبادل با یون پتاسیم باعث افت عملکرد غشا شده و توصیه نمی شود.

کلیدواژه‌ها


[1] Shang, J., Hanif, A., Li, G., Xiao, G., Liu, J. Z., Xiao, P., & Webley, P. A. (2020). Separation of CO2 and CH4 by pressure swing adsorption using a molecular trapdoor chabazite adsorbent for natural gas purification. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(16), 7857-7865.‏
 
[2] Pera-Titus, M. (2014). Porous inorganic membranes for CO2 capture: present and prospects. Chemical reviews, 114(2), 1413-1492.
 
[3] Pachauri, R. K., & Meyer, L. A. (2014). Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.‏U.S. Department of energy.
 
[4] Kosinov, N., Auffret, C., Gücüyener, C., Szyja, B. M., Gascon, J., Kapteijn, F., & Hensen, E. J. (2014). High flux high-silica SSZ-13 membrane for CO 2 separation. Journal of Materials Chemistry A, 2(32), 13083-13092.‏
 
[5] Du, N., Park, H. B., Dal-Cin, M. M., & Guiver, M. D. (2012). Advances in high permeability polymeric membrane materials for CO 2 separations. Energy & Environmental Science, 5(6), 7306-7322.‏
 
[6] Anderson, M., Wang, H., & Lin, Y. S. (2012). Inorganic membranes for carbon dioxide and nitrogen separation. Chemical Engineering, 28(2-3), 101-121.‏
 
[7] Zhang, Z., Yao, Z. Z., Xiang, S., & Chen, B. (2014). Perspective of microporous metal–organic frameworks for CO 2 capture and separation. Energy & environmental science, 7(9), 2868-2899.‏
 
[8] Diestel, L., Liu, X. L., Li, Y. S., Yang, W. S., & Caro, J. (2014). Comparative permeation studies on three supported membranes: Pure ZIF-8, pure polymethylphenylsiloxane, and mixed matrix membranes. Microporous and mesoporous materials, 189, 210-215.
 
[9] Caro, J., Noack, M., Kölsch, P., & Schäfer, R. (2000). Zeolite membranes–state of their development and perspective. Microporous and mesoporous materials, 38(1), 3-24.
 
[10] Gascon, J., Kapteijn, F., Zornoza, B., Sebastian, V., Casado, C., & Coronas, J. (2012). Practical approach to zeolitic membranes and coatings: state of the art, opportunities, barriers, and future perspectives. Chemistry of Materials, 24(15), 2829-2844.‏
 
[11] Lai, Z., Bonilla, G., Diaz, I., Nery, J. G., Sujaoti, K., Amat, M. A., Vlachos, D. G. (2003). Microstructural optimization of a zeolite membrane for organic vapor separation. Journal of Membrane Science, 300(5618), 456-460.‏
 
[12] Yue, B., Liu, S., Chai, Y., Wu, G., Guan, N., & Li, L. (2022). Zeolites for separation: Fundamental and application. Journal of Energy Chemistry.‏
 
[13] Kosinov, N., Auffret, C., Sripathi, V. G., Gücüyener, C., Gascon, J., Kapteijn, F., & Hensen, E. J. (2014). Influence of support morphology on the detemplation and permeation of ZSM-5 and SSZ-13 zeolite membranes. Microporous and mesoporous materials, 197, 268-277.‏
 
[14] Li, S., Martinek, J. G., Falconer, J. L., Noble, R. D., & Gardner, T. Q. (2005). High-pressure CO2/CH4 separation using SAPO-34 membranes. Industrial & engineering chemistry research, 44(9), 3220-3228.‏
 
[15] Poshusta, J. C., Tuan, V. A., Falconer, J. L., & Noble, R. D. (1998). Synthesis and permeation properties of SAPO-34 tubular membranes. Industrial & engineering chemistry research, 37(10), 3924-3929.‏
 
[16] Li, S., Falconer, J. L., & Noble, R. D. (2004). SAPO-34 membranes for CO2/CH4 separation. Journal of Membrane Science, 241(1), 121-135.‏
[17] Lixiong, Z., Mengdong, J., & Enze, M. (1997). Synthesis of SAPO-34/ceramic composite membranes. In Studies in Surface Science and Catalysis. Elsevier .Vol. 105, pp. 2211-2216.
 
[18] Janocha, A., & Wojtowicz, K. (2018). Studies reducing the H2S from natural gas of using polyimide membrane. Nafta-Gaz, 74.‏
 
[19] Hailu, Y., Tilahun, E., Brhane, A., Resky, H., & Sahu, O. (2019). Ion exchanges process for calcium, magnesium and total hardness from ground water with natural zeolite. Groundwater for Sustainable Development, 8, 457-467.‏
 
[20] Pham, T. D., Liu, Q., & Lobo, R. F. (2013). Carbon dioxide and nitrogen adsorption on cation-exchanged SSZ-13 zeolites. Langmuir, 29(2), 832-839.‏
 
[21] Smith, L. J., Eckert, H., & Cheetham, A. K. (2000). Site preferences in the mixed cation zeolite, Li, Na-chabazite: a combined solid-state NMR and neutron diffraction study. Journal of the American Chemical Society, 122(8), 1700-1708.‏
 
[22] Civalleri, B., Ferrari, A. M., Llunell, M., Orlando, R., Merawa, M., & Ugliengo, P. (2003). Cation selectivity in alkali-exchanged chabazite: an ab initio periodic study. Chemistry of materials, 15(21), 3996-4004.‏
 
[23] Ugliengo*, P., Busco, C., Civalleri, B., & Zicovich-Wilson, C. M. (2005). Carbon monoxide adsorption on alkali and proton-exchanged chabazite: an ab-initio periodic study using the CRYSTAL code. Molecular Physics, 103(18), 2559-2571.‏
 
[24] Serati-Nouri, H., Jafari, A., Roshangar, L., Dadashpour, M., Pilehvar-Soltanahmadi, Y., & Zarghami, N. (2020). Biomedical applications of zeolite-based materials: A review. Materials Science and Engineering: C, 116, 111225.‏
 
[25] Guan, G., Kusakabe, K., & Morooka, S. (2001). Synthesis and permeation properties of ion-exchanged ETS-4 tubular membranes. Microporous and mesoporous materials, 50(2-3), 109-120.‏
 
[26] Chew, T. L., Ng, T. Y. S., & Yeong, Y. F. (2019). Zeolite Membranes for CO2 Permeation and Separation. In Membrane Technology for CO2 Sequestration and Separation. CRC Press.‏ pp. 182-201.‏
 
[27] Aydani, A., Brunetti, A., Maghsoudi, H., & Barbieri, G. (2021). CO2 separation from binary mixtures of CH4, N2, and H2 by using SSZ-13 zeolite membrane. Separation and Purification Technology, 256, 117796.‏
 
[28] Maghsoudi, H., Soltanieh, M., Bozorgzadeh, H., & Mohamadalizadeh, A. (2013). Adsorption isotherms and ideal selectivities of hydrogen sulfide and carbon dioxide over methane for the Si-CHA zeolite: comparison of carbon dioxide and methane adsorption with the all-silica DD3R zeolite. Adsorption, 19(5), 1045-1053.‏
 
[29] Vlasveld, D. P. N., Groenewold, J. H. E. N., Bersee, H. E. N., & Picken, S. J. (2005). Moisture absorption in polyamide-6 silicate nanocomposites and its influence on the mechanical properties. Polymer, 46(26), 12567-12576.‏
 
[30] Kalipcilar, H., Gade, S. K., Noble, R. D., & Falconer, J. L. (2002). Synthesis and separation properties of B-ZSM-5 zeolite membranes on monolith supports. Journal of membrane science, 210(1), 113-127.
 
[31] Song, S., Gao, F., Zhang, Y., Li, X., Zhou, M., Wang, B., & Zhou, R. (2019). Preparation of SSZ-13 membranes with enhanced fluxes using asymmetric alumina supports for N2/CH4 and CO2/CH4 separations. Separation and Purification Technology, 209, 946-954.‏