Synthesis, Characterization and Application of Hydrophobic Zeolites

Abstract

The aim of the thesis was to design and synthesize a type of zeolite with the characteristics of hydrophobicity, high porosity, and proper pore size, which can be used for high-performance adsorption of ethanol from aqueous solution. In addition, the aim was to synthesize hydrophobic microporous zeolites including theoretic and experimental content.

The experiment was carried out using hydroxide basic system and hydrogen fluoride neutral based on hydrothermal methods. Pure silica zeolites with fewer defects are expected to be highly hydrophobic, highly porous and to have uniform pore size. A series of pure silica zeolites with different porosity were designed and synthesized and their adsorption performance of ethanol from dilute aqueous solution was tested. The characterization of zeolite was performed by powder X-ray diffraction measurement, scanning electronic microscope for possessing cubic morphology and uniform crystal size and nitrogen adsorption-desorption analysis for evaluating porosity. The adsorption of ethanol from aqueous solution was done by using a sealed flask containing a known amount of ethanol–water mixture. The adsorbed amounts of ethanol were tested by using gas chromatography.

As a result of experiment, the powder X-ray diffraction patterns indicated that every samples had the framework type MFI structure with crystallization and high purity. Scanning electronic microscope (SEM) images showed the possessed cubic of morphology and uniform crystal size between 1.0–5.0 m and 100–200 nm differing with different images and samples. Nitrogen adsorption-desorption isotherms demonstrated that the materials were type-I adsorption isotherms (Langmuir isotherm or type-1 isotherm describes a rapid rise approaching a maximum value asymptotically as the vapour pressure increases in the adsorption isotherms diagram) indicating microporous materials. Finally, adsorption testing showed that the performance of hydrophobic zeolites was better than ordinary zeolites. Hydrophobic zeolites can be used, e.g., in removal of organic molecules, air pollution and adsorption of alcohol from water, which is a physical adsorption by van der Waals forces. The adsorption ability is based on the adsorption surface. Zeolite has a potential application in bio-ethanol separation process, for instance, processing bio-ethanol from biomass via fermentation.

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli suunnitella ja syntetisoida zeoliitti, joka on hydrofobinen ja omaa oikeanlaisen huokoskoon. Tuotetta on tarkoitus käyttää etanolin absorboimiseen vesiliuoksesta.

Työn kirjallisessa osassa käsitellään zeoliitin historiaa, ominaisuksia, rakenteita, sen sovelluksia, bioetanolin fermentointia ja adsorptioisotermejä. Kokeellinen osa tehtiin kahdella eri järjestelmällä: hydroksidiperusjärjestelmällä ja vetyfluoridineutraalijärjestelmällä. Piioksidin zeoliitin oletetaan olevan hyvin hydrofobinen ja korkeasti huokoinen. Työssä suunniteltiin ja syntetisoitiin neljä erilaista huokoskokoja omaavia piioksidin zeoliitteja. Lisäksi testattiin niiden adsorptio etanolin laimeassa vesiliuoksessa. Zeoliitin luonnehdinta suoritettiin käyttämällä röntgensädediffraktio-mittauslaitetta ja analysointielektronimikroskooppia käytettiin kuvien morfologiseen käsittelyyn ja typen adsorption-desorptiota adsorption analyysiin. Etanolin adsorptio laimeasta liuoksesta tehtiin käyttämällä etanoli-vesiliuosta. Zeoliittinäytteet analysoitiin liekkiionisaatiodetektorilla (FID) varustetulla kaasukromatografialla niiden etanolipitoisuuden testaamiseksi.

Röntgensädediffraktion avulla osoitettiin näytteiden yhteys pentasil-ryhmään kuuluvan zeoliitin kehystyyppi-MFI:n kiteisyyteen ja niiden puhtauteen. Analysointielektronimikroskoopilla (SEM) kuvattiin morfologian kidekokoa välillä 1.0–5.0 μm ja 100–200 nm. Typen adsorption-desorption isotermillä osoitettiin materiaalin tyyppiä (tyypi-1 isotermi eli Langmuirin adsorptioisotermi) ja huokoskokoa. Adsorption testauksella osoitettiin, että hydrofobiset zeoliitit olivat parempia kuin yleisimmät zeoliitit. Hydrofobisia zeoliiteja voidaan käyttää muun muassa orgaanisten aineiden poistossa vedestä, alkoholin adsorptiossa vedestä ja yleisen pyykinpesuaineissa vedenpehmentimenä. Pyykinpesuaineissa adsorptio on fysikaalinen adsorptio, joka tapahtuu van der Waalsin voimalla, heikoilla vuorovaikutuksilla, ja jonka kyky perustuu adsorption pintaan. Zeoliiteilla on suuri pinta-ala, josta on hyötyä molekyylin pinta-adsorptiolle. Hydrofobiset zeoliitit ovat potentiaalinen sovellusmahdollisuus bioetanolin fermentointiin.