Skip to main content
SUPERVISOR
Kayghobad Shams
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Homa Fardi emamzade hashemi
هما فردی امامزاده هاشمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Synthesis of ZSM-5 and Mordenite zeolite nanocrystals using Microemulsion-ultrasound technique and Study of Pb2+ Adsorption on the synthesized ZSM-5
: Zeolites are porous crystalline materials with various attractive properties that are widely used in chemical processindustries because of their adsorption capacity, thermal stability, ion exchange, strong acidity, high surface area, and molecularsieving. Today, synthetic zeolites are used commercially more often than natural zeolites due to the purity ofcrystalline products and the uniformity of particles and pore sizes. Short crystallization time has always beenpursued from the commercial viewpoint since it is associated with high synthesis efficiency, low energyconsumption, and thus low production cost. Pore size of zeolite is a property that differs between different types of zeolites and improvement/tuning ofpore size of zeolites has recently received much attention. Size of zeolite crystalline and uniformity of zeolite grains are properties thatare significant in synthesis and application of these materials. Uniform small-sized zeolites show better catalytic andadsorptive properties than large-sized ones because of increased surface area, increased ion exchange capacity,decreased diffusion limitations, and improvement of mass transfer. Crystal size distribution of zeolites is influencedby different parameters such as initial chemical composition of precursors, the silicon and aluminum source, temperature, time ofcrystallization, pH of solution, processes of ageing, stirring, and use of surfactants during the synthesis of the zeolites.Microemulsions usually consist of small droplets of water-in-oil or oil-in-water formed by the dispersion in continuous oil or water phases inside of a surfactant layer. Microemulsions are generally prepared by using asurfactant, a co-surfactant, an oil phase, and water phase. Under appropriate conditions, a variety of reactants can beintroduced into the nanometer-sized aqueous domains for reaction, leading to materials with controlled size andshape. There are two advantages in using microemulsions as a medium for zeolite growth during the synthesisprocess. On one hand the microemulsion with small aqueous domains can be viewed as micro/nanoreactors forsynthesis of zeolite nanocrystals, and on the other hand, the surfactant will coordinate to the crystallographic facesofthe growing crystals and affect the growth of the zeolite crystals.In this research project, ZSM-5 and mordinite nanocrystals were synthesized using sodium silicate as the silica source and aluminum sulfate as the source of alumina via nanoemulsion-ultrasound method, and the effects of the pertinent parameters such as concentration of the surfactant, concentration of the aluminosilicate gel and intensity of the ultrasound on nanostructural modifications were investigated. Pb 2+ adsorption tests were performed to determine the effect of nanoemulsion-ultrasound technique on adsorption property of ZSM-5 zeolite.XRD, SEM, and FTIR were utilized to study and characterize crystal phases and crystalinity, morphology of crystals, and phase purityof ZSM-5 and mordenite prepared samples. The celebrated Scherer equation was used to determine the crystalline size of samples.Results show that the nanoemulsion-ultrasound technique compared with the conventional hydrothermal synthesis, allows rapid crystallization of both ZSM-5 and mordenite, and leads into much smaller crystals and zeolite grains with smaller and uniform morphologies. Results show that the crystals and grain sizes of ZSM-5 samples prepared by nanoemulsion-ultrasound technique compared with samples produced via the conventional method are reduced to from 113 nm to 17nm and from 39 µm to 1.5µm,respectively. These results for the case of mordenite zeolite were from 112.70 nm to 65.08 nm and from 15.6µm to 3.5µm. It was revealed that nanoemulsion-ultrasound synthesis method produces smaller and purer zeolite nanocrystals. The improved adsorption of Pb 2+ is attributed to larger pore apertures compared with ZSM-5 cryst als prepared by conventional synthesis methods. In addition, adsorption isotherms of Pb 2+ were studied. Results show that the adsorption of Pb 2+ onto both zeolitesfollow a second-order Freundlich model. Key words: ZSM-5 and Mordenite zeolites, surfactant, microemulsion, nanoemulsion, ultrasound, adsorption, Freundlich isotherm
زئولیت‌ها موادی با ویژگی‌های بسیار متنوع هستند که به دلیل خواص جذب، مقاومت گرمایی، تبادل یونی، اسیدیته قوی، مساحت سطح بالا و داشتن قابلیت غربالگری، کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون دارند. زئولیت‌های مصنوعی به دلیل خلوص کریستالی و شیمیایی و یکنواختی اندازه ذرات و حفراتشان نسبت بهزئولیت‌های طبیعی دارای اهمیت تجاری بیشتری هستند و این امر موجب شده که در دو دهه اخیر،تلاش زیادی برای سنتز زئولیت‌ها صورت گیرد.کوتاه کردنزمان کریستالیزاسیوناز آنجاییکهمنجربهبازدهیبالاترسنتز،کمتر شدنمصرفانرژیوکاهشقیمتنهایی محصولمی شود،امریاستکههموارهازدیدگاهتجاریمورد توجهواقعشدهاست. یکیازویژگی های زئولیت هاکهآن‌هاراازهممتفاوتمی نمایداندازهحفره هایآن‌هامی باشد و اصلاح و یکسان سازیاندازهحفره هایزئولیت هایموجود و مناسب کردن آن‌هابرایجداسازی‌هایخاصبسیارمورد توجهقرارگرفتهاست. ویژگی مهم دیگر در سنتز و کاربرد زئولیت ها، اندازه و یکنواختیذراتآن‌ها می باشد. ذرات کوچک‌ترزئولیت به دلیل افزایش سطح تماس، طول عمر و ویژگی تبادل یونی و همچنین کاهش در محدودیت نفوذ و بهبود انتقال جرم، خاصیت جذب سطحی و کاتالیتیکی بهتری نسبت بهزئولیت های در سایزبزرگ‌ترنشانمی دهند. نوع ماده مورد استفاده به عنوان منبع سنتز، کاهش دما، افزایش زمان، pH محلول، افزودن ماده فعال سطحی و استفاده از میکروامولسیون، هم زدن محلول در مرحله کریستالیزاسیون و توقف هسته زایی از روش هایی است که می توان اندازه کریستال ها را تنظیم نمود.میکروامولسیون محلول کلوئیدی آب درروغن و روغن در آباست که با لایه های ماده فعال سطحی پایدار شده است. یک محلول میکروامولسیون شامل ماده فعال سطحی، ماده فعال سطحی کمکی، فاز آلی و فاز آبی می باشد. با کنترل مناسب پارامتر های سنتز می توان از میکروامولسیون ها به عنوان نانوراکتورهایی برایتولیدمحصولات سفارشی با ابعاد نانوو خواص جدید استفاده کرد. استفادهازروشامولسیوندرسنتززئولیتدومزیتدارد، ازیکجنبهمیکروامولسیونیک فضای محدود hy;شده (نانورآکتور) تشکیل می دهد که رشد و هسته زاییرا کنترل می کندوازجنبه ی دیگرمادهفعالسطحی صفحاتکریستالیکریستالدرحالرشدراهماهنگنمودهورشدکریستال هاراتحت تأثیرقرارمی دهد. در این کار تحقیقاتی، نانوکریستال زئولیت های ZSM-5 و موردینیت با استفاده از سیلیکات سدیم به عنوان منبع سیلیکا و آلومینیوم سولفات به عنوان منبع آلومینیومتوسطروشنانوامولسیون-فراصوت تولید شدند و اثر پارامترهای مرتبط از جمله غلظت ماده فعال سطحی، غلطت ژل آلومینوسیلیکات و شدت فرکانس همزن فرا صوتی روی اصلاح ساختار زئولیت ها بررسی شد. همچنین به منظور بررسی اثر استفاده از روش نانوامولسیون- فرا صوت در مهندسی اندازه حفرات زئولیت و بهبود خواص جذب، از نمونه زئولیتZSM-5تهیه شده به این روش در آزمون جذب و به منظور حذف فلز سرب در غلظت های مختلف استفاده شد. آزمون های XRD، SEM و FTIR به منظور تأیید کریستاله بودن، بررسی مورفولوژی ذرات و خلوص نمونه های تولیدشده روی نمونه های سنتز شده انجام گرفت. از رابطه شرر برای تعیین اندازه کریستال ها استفاده شد. نتایجنشان می دهد که استفاده از روش نانوامولسیون-فراصوت در مقایسه با روش معمول هیدروترمال، برای هر دو نمونه زئولیت ZSM-5 و موردینیت باعث کوتاه شدن زمان سنتز، کوچک شدن اندازه کریستال ها و یکنواختی و کوچک شدن اندازه ذرات می شود،به طوری که در سنتز زئولیت ZSM-5 اندازه کریستال و اندازه ذرات نمونه تولیدشده به ترتیب از 40/50 نانومتر و 39 میکرومتر به مقدار 17 نانومتر و 5/1 میکرومتر کاهش یافت.همچنین در سنتز زئولیت موردینیت اندازه کریستال و اندازه ذرات در نمونه تهیه شده به روش معمول به ترتیب از 70/112 نانومتر و 6/15 میکرومتر به مقدار 08/65 نانومتر و 5/3 میکرومتر کاهش یافت.به علاوه مشخص شد نمونه های تهیه شده به روش میکروامولسیون-فرا صوت دارای کریستال های خالص تر و کوچک تر هستند.نمونه سنتز شده به روش میکروامولسیون-فرا صوت به دلیل کاهش اندازه کریستال ها و ذرات و در نتیجه افزایش سطح تماس جذب بسیار بهتری نسبت به نمونه تهیه شده به روش معمول از خود نشان می دهد. مکانیسم جذب Pb 2+ مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج نشان داد که تئوری همدمایفرندلیچ مدلمناسبیبرایتوجیهمکانیسم جذبسربروینمونه هایزئولیتمی باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی