Phase Transition of Zeolite X under High Pressure and Temperature

Abstract

AbstractX-ray powder diffraction study was conducted on the bulk modulus and phase transition behavior of synthetic zeolite X under high temperature and high pressure. Water and HCO3- solution were used as a PTM. Sample was heated and pressurized up to 250 °C and 5.18 GPa. The change of unit cell volume and phase transition were observed by X-ray diffraction. The lattice constants and unit cell volume of zeolite X, gmelinite, natrolite, and smectite were calculated using the GSAS2 program to which Le Bail’s whole powder pattern decomposition (WPPD) method was applied. The bulk modulus of each zeolite X and smectite were calculated using the EosFit program to which the Birch-Murnaghan equation was applied. The bulk modulus of zeolite X is 89(3) GPa in water run, and zeolite X is 92(3) GPa in HCO3- solution run. In both run, pressure induced hydration (PIH) occurred due to the inflow of PTM into the zeolite X framework at initial pressure. Zeolite X transited to gmelinite, natrolite, and smectite in water run. Zeolite X, however, transited to smectite in HCO3- solution run. Interzeolite transformation occurred in water run, and did not occur in HCO3- solution run, which is assumed that conflict between the environment to form zeolite and the pH of the HCO3- solution.합성 제올라이트 X의 고온 고압 하에서 압력 전달 매개체에 따른 체적탄성계수와 상전이 특성을 이해하기 위해 X-선 분말 회절 연구를 진행하였다. 제올라이트 X에 물과 탄산 용액을 압력전달매개체로 사용하여 상온 상압에서 최대 250 ℃, 5.18 GPa까지 가열 및 가압하는 과정에서 나타나는 단위포 부피 변화와 상전이를 방사광 X-선 회절을 통해 관찰하였다. 르바일의 전체 분말 패턴 분해법이 적용된 GSAS2 프로그램을 사용하여 각 압력 단계에서 제올라이트 X와 그멜리나이트, 나트로라이트, 스멕타이트의 격자상수와 단위포 부피를 도출하였다. 버치-머내한 2차 방정식이 적용된 EosFIt 프로그램을 사용하여 각 제올라이트 X와 스멕타이트의 체적탄성계수를 구하였다. 물을 사용한 실험에서 제올라이트 X의 체적탄성계수는 89(3) GPa, 탄산 수용액을 사용한 실험에서 제올라이트 X의 체적탄성계수는 92(3) GPa이다. 두 실험 모두 최초 가압 시 제올라이트 X 내부로 압력 전달매개체의 유입으로 인한 부피 증가 현상이 발생하였다. 물을 사용한 실험에서 제올라이트 X는 그멜리나이트, 나트로라이트, 스멕타이트로 상전이 하였으며, 탄산 수용액을 사용한 실험에서 제올라이트 X는 스멕타이트로 상전이 하였다. 물을 사용한 실험에서 나타난 제올라이트 간 변화는 탄산 수용액을 사용한 실험에서는 발생하지 않았으며, 이는 특정 제올라이트 생성 조건이 압력 전달 매개체 pH와 연관이 있는 것으로 판단된다.Keywords : Zeolite X, phase transition, bulk modulus, temperature, pressure