Synthesis and Characterization of Thin MFI-type Zeolite Layer on Porous Alumina Substrates. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Final_Thesis_Report_(Turki).PDF Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

تشكل الأغشية المصنعة من المواد البوليمرية أغلب الأغشية المتوفرة في معالجة وتحلية المياه ونظرا ً لقصور أدائها في بعض التطببيقات التي تصاحبها درجات حرارة عالية أو محيط مساعد على التآكل أصبحت الحاجة ملحة لخيارات أخرى تزيد من كفاءة هذه الأغشية .وتعتبر الأغشية السيراميكية خياراً ملائم جدا خصوصا لما تمتلك من صفات مثل الثبات الحراري والكيميائي تجعلها تنافس وبقوة الأغشية البوليمرية.أحد أنواع هذه الأغشية السيراميكية الغير عضوية هي مادة (MFI-zeolite) والتي تتميز على غيرها من الأغشية السيراميكية بإنتظام وتوحد إنتشار المسامات وكذلك صغر مساحة هذه المسامات في حدود (~ 0.5 nm) مما يجعلها مادة واعدة في كثير من تطبيقات الفصل واالمعالجة.ومازال إستخدام مثل هذه المادة في تصنيع طبقات فاعلة مع إمكانية التحكم في سمكها وإتجاهات مجموعات الكريستل المكونة للطبقات مع خلوها من التشققات محل تحدي وخطوة تحتاج إلى دراسة علمية وتجارب عديدة. تم التركيز في هذه الرسالة العلمية على تصنيع طبقة من مادة (MFI-zeolite) وذلك من خلال إستخدام تقنيتين مختلفتين الأولى تسمى(In-situ Crystallization) والأخرى تسمى تقنية(Secondary Growth). نظرا ًلأن تقنية (Secondary Growth) تتطلب خطوة مهمة جدا ً ألا وهي خطوة توزيع مجموعة الكريستال النانوية( البذور) على سطح القاعدة السيراميكية تهيئة لها لكي تنمو ونظرا ً لأن هذه الخطوة لها التأثير الواضح والأهمية القصوى في تشكل وجودة الطبقة المتكونة، قامت هذه الدراسة بإستخدام تقنيتين هما (Dip-coating) و (Spin-coating) من أجل الوصول إلى مستوى فائق من التحكم في مواصفات هذه الطبقة. تشير النتائج التي تم التوصل إليها وتحليلها بإستخدام أجهزة دقيقة ومتقدمة مثل جهاز(X-ray Diffraction Scanning) و (Scanning Electron Microscope) أن الطبقات التي تم تصنيعها بإستخدام تقنية (Secondary Growth) بإستخدام المايكرويف من أجل التسخين الحراري لمدة ساعتين ودرجة حرارة 1600C إلى إمكانية الحصول على طبقة متصلة ومتجانسة عالية الجودة من مادة (MFI-zeolite) على سطح القاعدة السيراميكية. مع القدرة على التحكم بإتجاه نمو مجموعات الكريستال النانويه من خلال عملية (Spin-coating) حيث أثبت النتائج أن الإنتقال من حالة النمو العشوائي إلى حالة النمو المنتظم في الإتجاه المفضل للكريستال(101) يتم بعد إعادة عملية (Spin-coating) ثلاث مرات لمحلول تركيز البذور فيه( 1wt.%) لبذورمن مادة (MFI-zeolite) حجمها (89 nm). وحتى يتم تفعيل هذه الطبقة لتصبح جاهزة لإستخدامها في التطبيقات المختلفة تم إزالة المادة العضوية- التي أستخدمت سابقا في صناعة التركيب الداخلية لمادة الزيولايت- وذلك بعد تسخين الطبقة عند درجة (5000C ) بمعدل تسخين منخفض ( (10C/min لمدة خمسة ساعات. ونظرا ً لتعاكس ردات الفعل أثناء التسخين بين القاعدة السيراميكية من مادة الألومينا وطبقة مادة (MFI-zeolite) مما قد يؤدي إلى تشققات على السطح بالإضافة إلى أن نتائج Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS))) أظهرت أن أيونات الألمونيوم من القاعدة السيراميكية تستطيع النفاذ أثناء عملية التسخين العالية لتصبح جزءا من الكريستال المكون. لكن النتائج المعملية أثبتت أن 3 طبقات من البذور كافية لتشكل حاجزا منيعا أمام هذه النفاذية مع إنعدام وجود التشققات على سطح الطبقة مما يؤكد جودة الطبقة المصنعة لتصبح جاهزة لإستخدامها في تطبيقات مختلفة.

English Abstract

The most commonly used and commercially available membranes utilized for water desalination are made of polymeric materials. Due to their limitation and low performance in harsh environment such as high temperature and corrosive medium, ceramic-based membranes constitute a viable alternative. MFI is a particularly interesting inorganic zeolite structure with pores’ size close to the kinetic diameter of many industrially important molecules. Controlled thickness, defect-free layer and preferential crystal orientation are still the main challenges with zeolite membrane fabrication. In this research work, fabricating MFI zeolite membranes was performed using two techniques, in-situ crystallization and secondary growth. With the in-situ crystallization method, MFI zeolite crystals were directly grown on the substrates by subjecting the substrate to a hydrothermal treatment in the synthesis solution. Processing parameters such as hydrothermal treatment temperature and duration were varied. In the secondary growth method, MFI zeolite layer was synthesized by microwave assisted secondary growth, from microwave derived seeds deposited on α-Al 2 O 3 substrate by either dip-coating or spin-coating before being exposed to the synthesis solution and subjected to a microwave thermal treatment. The synthesized MFI zeolite layers were analyzed with X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) for their surface properties, coverage and the orientation of the zeolite crystals. It is worth noting that the morphology of MFI zeolite membrane/layer was strongly influenced by several parameters. Albeit the simplicity of the in-situ crystallization technique, the combination of leaching and lack of continuity of the zeolite layer made this technique inadequate. Continuous MFI zeolite thin layer, defect free, with good morphology was grown on porous alumina substrate using secondary growth technique with the assistance of microwave irradiation at 160 C for 2h. Two seeding methods were used; namely dip-coating and spin-coating. The spin-coating technique showed promising results in term of the ability to reach a level of uniform seeds distribution on the top of the alumina substrate leading to formation of a closed packed seeding layer, in addition to a short process time compared to dip-coating technique. To our knowledge, this is the first published work using spin-coating technique for seeding porous alumina substrate with MFI-zeolite nano-sized crystals. The uniform morphology of MFI zeolite layer was enhanced as the number of seeding runs was increased, and the orientation of the grown crystals was controlled with their crystallographic preferred orientation (CPO) (1 0 1). MFI zeolite layer was calcinated at very low heating and cooling rates of 1 C/min at 500 C for 6 hours. After calcination, the chemical analysis performed using energy dispersive spectroscopy (EDS) confirmed the diffusion of aluminum ions into the zeolite layer. However, the results revealed that using three seeding layers with a thickness of about 120 nm was sufficient to prevent the diffusion of the aluminum ions towards the top surface of MFI zeolite crystals.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Civil Engineering Engineering Chemical Engineering Research Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Laoui, tahar
Committee Members:	Laoui, Tahar and Khan, Zaferullah and Muraza, Oki
Depositing User:	TURKI NABI BAROOD (g200450320)
Date Deposited:	02 Jul 2012 10:17
Last Modified:	01 Nov 2019 15:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138713