Preparation, characterization and modeling of zeolite NaA membranes for the pervaporation dehydration of alcohol mixtures

Abstract

Zeolite NaA membranes have attracted special attention in the last years in light of their high selectivities (>40000) and fluxes in the dehydration of alcohol/water mixtures. This Ph.D. thesis is aimed at developing new methods for zeolite NaA membrane synthesis together with the characterization of their mass transfer mechanisms for their further application in membrane reactors.<br/>The membranes have been prepared onto the outer and inner surface of ceramic tubular supports by in situ and seeded hydrothermal synthesis. To avoid the shortcoming of low accessibility to the lumen of the tubes in inner-side membrane synthesis, a new seeding technique is here presented that relies on a controled filtration of a zeolite particle suspension. The seeding weight gain strongly depends on the retentate flow rate, transmembrane pressure and pH. On the other hand, for the hydrothermal syntheses, four different techniques have been used: (1) synthesis in a batch system, (2) synthesis in a centrifugal force field, (3) semi-continuous synthesis and (4) continuous synthesis. The as-synthesized membranes have been characterized by gas permeance, PV of ethanol/water mixtures, XRD and SEM. The results reveal that techniques (3) and (4) that involve gel renewal improve the PV performance, with selectivities and fluxes up to 16000 and 1.2 kg m-2 h-1, respectively, for ethanol/water mixtures 92:8 wt.% at 323 K. Moreover, despite the presence of a certain amount of intercrystalline defects in the layers, their use is suitable for dehydrating long-chain alcohols and ethers, which opens up the possibility of being used in membrane reactors to carry out etherificarion reactions.<br/>The PV process in zeolite NaA membranes has been modeled using the generalized Maxwell-Stefan diffusional theory, including the explicit contribution of intercrystalline porosity and the binary adsorption isotherm of water and ethanol. The surface diffusivities of water obtained from the fittings to PV fluxes are ca. 3-5 orders of magnitud higher than those obtained from adsorption kinetics experiments. This apparent contradiction might be ascribed to the role of grain boundaries between adjacent zeolite grains as fast diffusion paths.

<I>Les membranes zeolítiques hidrofíliques, caracteritzades per les seves elevades relacions Al/Si, constitueixen una camp de recerca prometedor per a la deshidratació de mescles orgàniques mitjançant pervaporació (PV). Més específicament, les membranes de zeolita NaA han rebut especial atenció per les seves altes selectivitats (>40000) y fluxos en la deshidratació de mescles alcohol/aigua. En aquest context, l'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral ha estat el desenvolupament de nous mètodes de preparació d'aquestes membranes, juntament amb la caracterització dels seus mecanismes de transport per a la seva posterior aplicació en reactors de membrana.<br/>En els capítols IV i V de la memòria es descriu la preparació de membranes de zeolita NaA sobre suports tubulars ceràmics, tant a la seva superficie externa com interna, mitjançant síntesi hidrotèrmica in situ y creixement secundari. En aquesta configuració, la sembra del suport és complexa a causa de la poca accessibilitat a la seva superficie interior. Per a paliar aquesta limitació, en esta tesi s'ha desenvolupat un mètode de sembra basat en la filtració controlada d'una suspensió de partícules de zeolita NaA. S'ha observat que el guany de de sembra [mg cm-2] depèn fortament del cabal de retingut, pressió transmembranal y pH. D'altra banda, la síntesi hidrotèrmica de les capes s'ha realizat mitjançant quatre tècniques diferents: (1) síntesi en un sistema batch, (2) síntesi sota l'acció d'un camp centrífug, (3) síntesi en un sistema semi-continu i (4) síntesi en un sistema continu. Les capas sintetizades s'han caracteritzat mitjançant permeació de gasos, PV de mescles etanol/aigua, DRX y SEM. Els resultats obtinguts indiquen que la renovació del gel a l'interior dels tubs millora la qualitat pervaporativa de les membranes, amb selectivitats y fluxos de fins a 16000 y 1.2 kg m-2 h-1, respectivament, per a mescles etanol/aigua 92:8 wt.% a 323 K. Les membranes també mostren bones prestacions en la deshidratació d'alcohols primaris C1-C5 i mescles ternàries 1-pentanol/DNPE/aigua. Els resultats també reflecteixen que, a pesar de la presència de defectes en les capes, el seu ús sembla adequat per a deshidratar alcohols y èters de cadena llarga, la qual cosa en possibilitaria l'ús en reactors de membrana per a dur a terme reaccions d'eterficació. Aquesta possibilitat s'il·lustra a partir de la simulació d'un reactor de membrana de zeolita NaA per a la reacció de l'1-pentanol a di-n-pentil éter (DNPE) en fase líquida catalitzada per resines àcides de bescanvi iònic.<br/>En el capítol VI es presenta un model matemàtic per a la predicció de distribucions de tamanys de porus en membranes de MF, UF i NF a partir de la teoria de moments a partir de tres experiments independients: (1) permeació de N2 en règim Knudsen, (2) permeació d'agua pura, i (3) difusió iònica no impedida. Posteriorment, aquest mètode s'ha extès a la caracterització de defectes meso- i macroporosos en capes zeolítiques a partir d'una col·lecció d'experiments de PV. S'observa que les membranes de zeolita NaA perden parcialment la seva capacitat deshidratadora per a porositats intercristal·lines >10-4.<br/>Finalment, en els capítols VII y VIII es descriu la modelització del procés de PV en membranes de zeolita NaA mitjançant la teoria generalitzada de Maxwell-Stefan. La modelització inclou explícitament la contribució de la porositat intercristal·lina i la informació de l'adsorció binària d'aigua i etanol. La modelització de l'equilibri d'adsorció binari s'ha realitzat a partir de la teoria IAST i la versió modificada PRAST. Els models resultants representen satisfactòriament les tendències experimentals. Les difusivitats superficials de l'aigua obtingudes a partir dels ajustos a fluxos de PV són 3-5 ordres de magnitud superiors als obtinguts a partir de cinètiques d'adsorció. Aquesta aparent contradicció s'argumenta a partir de la contribució dels límits de gra en les capes, el quals podrien actuar com a camins de difusió ràpida. </I>