Θεωρητική και πειραματική μελέτη της απόκρισης ζεολίθων σε μεταβολές θερμοκρασίας, πίεσης και συγκέντρωσης ροφημένων ουσιών

Abstract

Zeolites are nanoporous materials, otherwise called molecular sieves. The knowledge of the response of a zeolite structure to temperature changes or to the presence of host molecules in the pore system is of critical significance for the performance of zeolites as molecular sieves, especially if they are prepared in the form of membranes. Crack formation or grain boundary openings may appear between the substrate and the membrane due to a mismatch between the thermal expansion coefficient of the two materials, affecting the sorption and selectivity properties of the membrane. The problem is enhanced when the zeolite shows negative thermal expansion coefficient. The present work focuses in the mechanism that lies behind contraction upon heating, with the use of simulations and powder XRD experiments. A new force field was developed and was implemented in lattice dynamics simulations. It’s the first time that simulations predict the contraction of silicalite unit cell as well as the expansion of aluminosilicate faujasite (NaX) unit cell above room temperature. Further analysis of the simulation data shows that the Rigid Unit Mode (R.U.M.) mechanism that is proposed in the literature is the dominant mechanism of thermal contraction of the zeolite. Furthermore, mechanical properties such as Young modulus and bulk modulus were computed with the use of the newly derived force field. Finally, the response of framework upon pressure change and sorption of molecules was investigated. The zeolite structure response upon pressure change is similar to this of the temperature response, meaning that the volume and atomic positions change with the help of the rotations of the rigid AlO2/SiO2 tetrahedra. Concerning the response upon sorption, is was found with the help of theoretical calculations that although unit cell size variations that are induced by temperature changes and/or sorption may affect the efficiency of silicalite-1 membrane performance through alteration of the size of the non-zeolitic pores, such changes appear to affect negligibly the bulk sorption capacity of the silicalite-1 crystals.

Οι ζεόλιθοι ανήκουν στα νανοπορώδη υλικά ή αλλιώς και μοριακά κόσκινα. Βρίσκουν δε εφαρμογή σε πληθώρα εφαρμογών, καλύπτοντας ένα μεγάλο θερμοκρασιακό φάσμα. Η γνώση της απόκρισής τους κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας είναι καθοριστικής σημασίας για την αποδοτικότητά τους, ακόμα περισσότερο όταν εμφανίζονται ανώμαλα φαινόμενα, όπως αρνητικός συντελεστής θερμικής διαστολής. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην ερμηνεία αυτού του φαινομένου με την χρήση προσομοιώσεων και πειραμάτων σκέδασης ακτίνων Χ. Ένα νέο πεδίο δυνάμεων αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε προσομοιώσεις δυναμικής πλέγματος, όπου για πρώτη φορά προβλέπεται η συστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του σιλικαλίτη, όπως και η διαστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του αργιλοπυριτικού φωγιασίτη (NaX) πάνω από την θερμοκρασία δωματίου. Περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει πως υπεύθυνες για την συστολή κατά την θέρμανση είναι οι περιστροφές των τετραέδρων SiO4 και AlO4 από τα οποία απαρτίζεται η δομή. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με τον μηχανισμό των περιστροφών άκαμπτων μονάδων που προτείνεται στην βιβλιογραφία (R.U.M.). Στη συνέχεια υπολογίζονται μηχανικές ιδιότητες του υλικού, όπως το μέτρο Young και το μέτρο ελαστικότητας όγκου. Τέλος μελετήθηκε η απόκριση της δομής των ζεολίθων σε ερεθίσματα πέραν της θερμοκρασίας, όπως μεταβολή πίεσης και ρόφηση μορίων. Χαρακτηριστικά καταλήγουμε πως η δομή αποκρίνεται στην άσκηση της πίεσης μέσω του ίδιου μηχανισμού που καθορίζει της θερμοκρασιακή της απόκριση, δηλαδή τις περιστροφές των άκαμπτων ή σχεδόν άκαμπτων τετραέδρων. Επίσης, σε ό, τι αφορά την επίδραση της ρόφησης, η παρουσία των μορίων εξανίου, παρόλο επιφέρει δομικές αλλαγές που βελτιώνουν την αποδοτικότητα των ζεολιθικών μεμβρανών, αυτές οι αλλαγές δεν επηρεάζουν τις ροφητικές ιδιότητες στο εσωτερικό του κρυστάλλου.