Οι ζεόλιθοι είναι κρυσταλλικά αργιλοπυριτικά υλικά με πόρους μοριακών διαστάσεων και για το λόγο αυτό συχνά καλούνται και ως μοριακά κόσκινα. Χαρακτηρίζονται από την ικανότητα ρόφησης αερίων και ατμών, ανταλλαγής των κατιόντων της δομής τους, καθώς και κατάλυσης σημαντικού αριθμού χημικών αντιδράσεων. Λόγω των ιδιαίτερων φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους, οι ζεόλιθοι αποτελούν ιδανικά υλικά για το διαχωρισμό μορίων με διαφορετικό σχήμα, μέγεθος ή πολικότητα γι’αυτό την τελευταία δεκαετία μέρος του ερευνητικού ενδιαφέροντος έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη πολυκρυσταλλικών μεμβρανών από ζεόλιθους με σκοπό το διαχωρισμό αερίων και υγρών μιγμάτων. Στην παρούσα Διατριβή μελετήθηκε η κρυστάλλωση μεμβρανών φωγιασίτη πάνω σε πορώδη υποστρώματα από α-Al2O3 με επίπεδη και κυλινδρική γεωμετρία συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων σύνθεσης όπως ήταν η σύσταση, η θερμοκρασία, ο χρόνος και η γήρανση των αιωρημάτων σύνθεσης των μεμβρανών Συνολικά εξετάστηκαν πέντε διαφορετικές συστάσεις. Η σύσταση 4.17Na2O : 1.0Al2O3 : 10TEA (τριαιθανολαμίνη) : 1.87SiO2 : 460H2O οδήγησε στην ανάπτυξη μεμβρανών φωγιασίτη με λιγότερες ατέλειες και για αυτό μελετήθηκε περισσότερο. Η ικανότητα των μεμβρανών να διαχωρίζουν μίγματα CO2 / H2, CO2 / N2, CO2 / CH4, CO2 / H2 / N2 / CH4, C3H6 / C3H8, C3H6 / N2, C3H8 / N2 και C3H6 / C3H8 / N2 εξετάστηκε συναρτήσει της θερμοκρασίας, της σύστασης και της πίεσης της τροφοδοσίας καθώς και της παρουσίας ή μη υγρασίας στο ρεύμα της τροφοδοσίας. Τα πειράματα διαπερατότητας απέδειξαν, ότι ευνοείται η εκλεκτική μεταφορά κυρίως του CO2 και του C3H6 μέσα από τις μεμβράνες. Η εκλεκτικότητα μπορεί να αποδοθεί στην ισχυρή αλληλεπίδραση των μορίων αυτών με τα κατιόντα Na+ που περιέχονται στη δομή του φωγιασίτη. Τέλος, μελετήθηκαν οι μηχανισμοί μεταφοράς μάζας των μιγμάτων CO2 / H2 και CO2 / H2 / N2 / CH4 με τη χρήση της θεωρίας Stefan-Maxwell. Επιπρόσθετα εξετάστηκαν διάφορες περιπτώσεις αργού σταδίου (διάχυση και εκρόφηση) καθώς και συνδυασμοί διαφορετικών μηχανισμών διάχυσης (επιφανειακή διάχυση και ενεργοποιημένη διάχυση αερίων). Οι συντελεστές διάχυσης υπολογίστηκαν από το συνδυασμό των πειραματικών δεδομένων ρόφησης και διαπερατότητας των καθαρών συστατικών. Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η μεταφορά των μιγμάτων μέσα από τις μεμβράνες μπορεί να προβλεφθεί κυρίως από το μηχανισμό της επιφανειακής διάχυσης. / Zeolites are crystalline aluminosilicate materials. They are frequently called molecular sieves because they have pores of molecular dimensions. They are able to adsorb gases or vapors, to exchange framework cations and to catalyze a large number of chemical reactions. Due to their physicochemical properties they are ideal materials for the discrimination of molecules based on their shape, size or polarity. The last decade part of the research attention has been focused on the synthesis of polycrystalline zeolite membranes for the separation of gas and vapor mixtures. In the present thesis the crystallization of faujasite membranes on porous flat or tubular α-Al2O3 substrates was studied as a function of several synthesis parameters such as composition, temperature, time and aging of sol mixtures. Five different compositions were examined. Membranes synthesized using sols with composition 4.17Na2O : 1.0Al2O3 : 10TEA (triethanolamine) : 1.87SiO2 : 460H2O, had the best separation performance. The ability of the membranes to separate CO2 / H2, CO2 / N2, CO2 / CH4, CO2 / H2 / N2 / CH4, C3H6 / C3H8, C3H6 / N2, C3H8 / N2 and C3H6 / C3H8 / N2 mixtures was examined as a function of temperature, feed mixture composition, total feed pressure and the presence or not of humidity in the feed side. In all cases the membranes were either CO2 or C3H6 selective. The separation ability can be attributed to the strong interaction between those molecules with the Na+ cations of the faujasite framework. The transport of CO2, H2, N2 and CH4 through the membranes was modeled using the Maxwell-Stefan theory. Two different cases of rate limiting step (diffusion and desorption) as well as several combinations of different diffusion mechanisms (surface diffusion and activated gaseous diffusion) were considered. The diffusion coefficients were calculated using the single-component permeation and adsorption data. It has been possible to predict the multicomponent permeation fluxes when surface diffusion was assumed the transport mechanism of all species.

Το αντικείμενο της έρευνας της παρούσας εργασίας είναι η ατομιστική προσομοίωση της ρόφησης αερίων μέσα σε ζεολιθους, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας στην δομή του και την ροφητική του ικανότητα. Από τους σχεδόν 200 συνθετικούς και φυσικούς ζεολίθους, επιλέχθηκε ο φωγιασίτης, ο οποίος αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο υλικό με πλήθος εφαρμογών, όπως η ρόφηση, η αποθήκευση και ο διαχωρισμός αερίων, αλλά και σε τομείς όπως η κατάλυση και η δημιουργία συσκευών ανίχνευσης αερίων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξετάστηκε η αλληλεπίδραση των κατιόντων της δομής με μόρια διαφόρων αερίων, τα οποία ροφούνται στον φωγιασίτη, καθώς και ο βαθμός στον οποίο αυτή η αλληλεπίδραση επηρεάζει την ποσότητα του αερίου που μπορεί να ροφηθεί. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά ανακατασκευάστηκε στον υπολογιστή η δομή της μοναδιαίας κυψελίδας του φωγιασίτη και έγινε μοντελοποίηση της ρόφησης μορίων CO2 και Η2 μέσα στην ανακατασκευασμένη κυψελίδα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του λόγου Si/Al στον κρύσταλλο, και της σύστασής του σε μη πλεγματικά κατιόντα. Στο τμήμα αυτό έγινε η θεώρηση ότι η δομή μένει αμετάβλητη με την είσοδο των μορίων του αερίου. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στην θέση των ιόντων, των ατόμων του πλέγματος και στο μέγεθος της μοναδιαίας κυψελίδας, καθώς και η περαιτέρω επίδραση που φέρουν αυτές οι αλλαγές στη ρόφηση. Τα αποτελέσματα της ρόφησης συγκρίθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Τέλος, μοντελοποιήθηκε η διάχυση του CO2 μέσα στον φωγιασίτη και υπολογίστηκε ο συντελεστής διαχύσεως σε διάφορες θερμοκρασίες. Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα από πειραματική μέτρηση του συντελεστή διαχύσεως του αερίου στον φωγιασίτη. Η αναπαράσταση του υλικού και των φαινομένων της ρόφησης έγινε σε ατομιστικό επίπεδο, με την χρήση μεθόδων Monte Carlo, ενώ η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του φωγιασίτη με τις μεταβολές της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της προσομοιωμένης ανόπτησης. Η διάχυση μοντελοποιήθηκε με την μέθοδο της μοριακής δυναμικής. / -

Τα ιοντικά υγρά (ΙΥ) έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον των ερευνητών, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους σε εφαρμογές κατάλυσης, ηλεκτροχημείας, σύνθεσης και αναλυτικής χημείας καθώς και σε μεθόδους διαχωρισμού. Πρόκειται για ιοντικές ενώσεις που αποτελούνται από οργανικά κατιόντα και οργανικά/ανόργανα ανιόντα, τα οποία εμφανίζουν χαμηλό σημείο τήξης Τm<100oC. Η δομή και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιοντικών υγρών καθορίζουν τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες όπως είναι το χαμηλό σημείο τήξης, το χαμηλό ιξώδες, η χαμηλή τάση ατμών, η υψηλή αγωγιμότητα, η μη αναφλεξιμότητα αλλά και η δυνατότητα ανακύκλωσης. Η κατανόηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις δομές είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη αλλά και τη σχεδίαση των ιδιοτήτων τους. Για να κατανοηθεί η δομή και οι αλληλεπιδράσεις στην υγρή φάση, στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν πρωτονιωμένα ιοντικά υγρά (ΠΙΥ) HCnImNTf2 (n=0-12) καθώς επίσης και τα τήγματα των αλκαλικών αλάτων ΜNTf2 (Μ:Li-Cs). Επίσης παρουσιάζεται o εγκλωβισμός τους σε μικροπορώδη υλικά για εφαρμογή τους σε κελιά καυσίμου. Κύριο χαρακτηριστικό των πρωτονιωμένων ιοντικών υγρών είναι ότι πέραν των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους, τα ανιόντα και τα κατιόντα συνδέονται και με ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου. Στα συστήματα αυτά μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή τους με χρήση δονητικής φασματοσκοπίας FT-IR και FT-Raman καθώς και με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Από τη συγκεκριμένη μελέτη προέκυψε ότι στα συγκεκριμένα ιοντικά υγρά εμφανίζονται ηλεκτροστατικές και van der Waals αλληλεπιδράσεις, δεσμοί υδρογόνου καθώς και π-π αλληλεπιδράσεις. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί τη cis ισομέρεια του ανιόντος. Αντίθετα, στα τήγματα των αλάτων MNTf2 (Li-Cs) το ανιόν προτιμά την trans διαμόρφωση. Επίσης η μελέτη της επίδρασης του κατιόντος μελετώντας την επίδραση του κατιόντος στη δομή του ανιόντος οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το ανιόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εσωτερικός δείκτης των αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα ΙΥ. Κατά τη μελέτη των σύνθετων υλικών βρέθηκε ότι κατά την εισαγωγή του ιοντικού υγρού στους ζεόλιθους λαμβάνει χώρα ιονανταλλαγή μεταξύ του κατιόντος του HMIm+του ΠΙΥ και των κατιόντων Na+του ζεόλιθου. Επίσης, παρουσιάστηκε αύξηση της ιοντικής τους αγωγιμότητας σχεδόν τέσσερις φορές, σε σχέση με την αγωγιμότητα της άνυδρης κατάστασης των κρυστάλλων του ζεόλιθου. / Ionic liquids (ILs) have received considerable attention due to their unique properties in applications in catalysis, electrochemistry, synthesis, analytical chemistry, and separations. They consist of organic cations and organic or inorganic anions and have melting points less than 100oC. Their interesting properties such as low melting points, extremely low vapor pressures, low viscosity, high electrochemical window, no flammability and the ability of being recycled depend on the intermolecular and inter-ionic interactions. Understanding how these interactions are affected by the IL cation alkyl substituents is of paramount importance in order to understand how the IL structure influences macroscopically measured properties and eventually design ILs with desired properties by tailoring their structure. The main interactions of between the PIL ions are Coulombic, van der Waals and hydrogen bonding. In order to understand the effect of these forces to their properties, I examined the effect of alkyl length chain and temperature on the structure of Protic Ionic Liquids (PILs) HCnImNTf2 (n=0-12) using vibrational spectroscopy (FT-Raman and FT-IR/ATR) and differential scanning calorimetry (DSC). A similar study was also carried to the alkali molten salts ANTf2 (A:Li-Cs). Finally the encapsulation of HC1ImNTf2 in zeolites was studied. The goal of this study was to increase the crystal conductivity to level that makes them suitable for PEM fuel cell applications. According to these studies, it was found that the ions interactive long range electrostatic interactions, van der Waals interaction, hydrogen bonds and pi-pi stacking interactions. Moreover, it was found that in PILs the cis conformation of the anion is favored with increasing temperatures, whereas, in case of alkaline molten salts MNTf2 (Li-Cs), trans conformation is dominant in the liquid state. Since the population of the two isomers is affected by the local environment of the anion it was concluded that the anion NTf2- can be used as an indirect mean of the interactions that occur in these systems. Finally, from the encapsulation of protic ionic liquid HMImNTf2 into the porosity of zeolite material, it was found that an ion exchange procedure take place between the cation HMIm+ of the ionic liquid and the cation Na+ of the zeolite. The electric conductivity of the zeolite crystals increased by three times under dry conditions