Синтез и функционализация на зеолити с помощта на Соникация

Зеолитите, включително нанозеолитите и зеолитните производни, могат да бъдат ефективно и надеждно синтезирани, функционализирани и деагломерирани с помощта на високоефективна ултразвукова обработка. Ултразвуковият синтез и обработка на зеолит превъзхожда конвенционалния хидротермален синтез по ефективност, простота и проста линейна мащабируемост до голямо производство. Ултразвуково синтезираните зеолити показват добра кристалност, чистота, както и висока степен на функционалност поради порьозност и деагломерация.

Ултразвуково подпомагано препариране на зеолити

Зеолитите са микропорести кристално хидратирани алумосиликати с абсорбиращи и каталитични свойства.
Прилагането на високоефективен ултразвук влияе върху размера и морфологията на ултразвуково синтезираните зеолитни кристали и подобрява тяхната кристалност. Освен това времето за кристализация се намалява драстично с помощта на сонохимичен синтез. Ултразвуково асистираните пътища за синтез на зеолит са тествани и разработени за множество видове зеолит. Механизмът на ултразвуковия синтез на зеолит се основава на подобрения масовообмен, което води до повишена скорост на растеж на кристалите. Това увеличаване на скоростта на растеж на кристалите впоследствие води до повишена скорост на нуклеация. Освен това ултразвукът влияе върху равновесието деполимеризация-полимеризация чрез увеличаване на концентрацията на разтворими видове, което е необходимо за образуването на зеолит.
Като цяло различни изследвания и пилотни производствени настройки доказаха, че ултразвуковият синтез на зеолит е високоефективен, спестяващ време и разходи.

Конвенционален синтез срещу ултразвуков синтез на зеолити

Как се синтезира зеолитът конвенционално?

Конвенционалният синтез на зеолит е много трудоемък хидротермален процес, който може да изисква време за реакция от няколко часа до няколко дни. Хидротермалният път обикновено е партиден процес, при който зеолитите се синтезират от аморфни или разтворими Si и Al източници. В началния етап на стареене реактивният гел се състои от структурно-насочващ агент (SDA), а източниците на алуминий и силициев диоксид отлежават при ниска температура. По време на тази първа стъпка от стареенето се образуват така наречените ядра. Тези ядра са изходният материал, от който в следващия процес на кристализация растат кристалите на зеолита. С началото на кристализацията температурата на гела се повишава. Този хидротермален синтез обикновено се извършва в партидни реактори. Партидните процеси обаче идват с недостатъка на трудоемката работа.

Как се синтезира зеолитът при ултразвук?

Ултразвуковият синтез на зеолит е бърза процедура за синтез на хомогенен зеолит при меки условия. Например, 50nm зеолитни кристали са синтезирани по сонохимичен път при стайна температура. Докато конвенционалната реакция на синтез на зеолит може да отнеме до няколко дни, сонохимичният път намалява продължителността на синтеза до няколко часа, като по този начин значително намалява времето за реакция.
Ултразвуковата кристализация на зеолита може да се извърши като партидни или непрекъснати процеси, което прави приложението лесно адаптивно към околната среда и целите на процеса. Благодарение на линейната мащабируемост, ултразвуковите синтези на зеолит могат да бъдат надеждно прехвърлени от първоначалния партиден процес към поточната обработка. Ултразвукова обработка – В партида и на линия – позволява превъзходна икономическа ефективност, контрол на качеството и оперативна гъвкавост.

Сонохимични пътища за синтез на различни видове зеолити

В следващия раздел представяме различни сонохимични пътища, които успешно се използват за синтез на различни видове зеолит. Резултатите от изследванията постоянно подчертават превъзходството на ултразвуковия синтез на зеолит.

Ултразвуков синтез на Li-съдържащ бикитаит зеолит

Roy and Das (2017) синтезират 50nm съдържащи литий зеолитни бикитаитни кристали при стайна температура, използвайки UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ултразвук в партидна настройка. Успешното сонохимично образуване на бикитаит зеолит при стайна температура е потвърдено от успешно синтезиран литиесъдържащ бикитаит зеолит чрез XRD и IR анализ.
Когато сонохимичната обработка се комбинира с конвенционална хидротермална обработка, фазовото образуване на зеолитни кристали се постига при много по-ниска температура (100ºC) в сравнение с 300ºC за 5 дни, които са типични стойности за конвенционалния хидротермален път. Соникацията показва значителни ефекти върху времето за кристализация и фазовото образуване на зеолита. За да се оцени функционалността на ултразвуково синтезирания бикитаит зеолит, е изследван неговият капацитет за съхранение на водород. Обемът на съхранение се увеличава с увеличаване на съдържанието на Li в зеолита.
Сонохимично образуване на зеолит: XRD и IR анализът показа, че образуването на чист, нанокристален бикитаит зеолит започва след 3 часа ултразвук и 72 часа стареене. Наноразмерен кристален бикитаит зеолит с изпъкнали върхове е получен след 6 часа ултразвук при 250 W.
Предимства: Пътят на сонохимичен синтез на съдържащ литий зеолит Бикитаит предлага не само предимството на простото производство на чисти нанокристали, но също така представлява бърза и рентабилна техника. Разходите за ултразвуково оборудване и необходимата енергия са много ниски в сравнение с други процеси. Освен това продължителността на процеса на синтез е много кратка, така че сонохимичният процес се счита за полезен метод за приложения на чиста енергия.
(срв. Roy et al. 2017)

Препарат от зеолит морденит под ултразвук

Морденитът, получен с прилагане на ултразвукова предварителна обработка (MOR-U), показва по-хомогенна морфология на врасналите пелети 10 × 5 μm2 и няма признаци на игловидни или влакнести образувания. Процедурата с помощта на ултразвук доведе до материал с подобрени текстурни характеристики, по-специално обема на микропорите, достъпен за азотни молекули в готовата форма. В случай на ултразвуково предварително обработен морденит се наблюдава променена кристална форма и по-хомогенна морфология.
В обобщение, настоящото проучване показва, че ултразвуковата предварителна обработка на синтезиращ гел влияе върху различните свойства на получения морденит, което води до

1. по-хомогенен размер и морфология на кристалите, липса на нежелани фибро- и игловидни кристали;
2. по-малко структурни дефекти;
3. значителна достъпност на микропорите в готовата проба от морденит (в сравнение със запушените микропори в материали, приготвени по класическия метод на разбъркване, преди постсинтетична обработка);
4. различна Al организация, за която се предполага, че води до различни позиции на Na+ катионите (най-влиятелният фактор, влияещ върху сорбционните свойства на готовите материали).

Намаляването на структурните дефекти чрез ултразвукова предварителна обработка на синтезиращия гел може да бъде възможен начин за решаване на общия проблем с “Неидеален” структура в синтетичните морденити. Освен това, по-висок сорбционен капацитет в тази структура може да бъде постигнат чрез лесен и ефективен ултразвуков метод, приложен преди синтеза, без отнемащо време и ресурси традиционно постсинтетично лечение (което, напротив, води до генериране на структурни дефекти). Освен това, по-малкият брой силанолови групи може да допринесе за по-дълъг каталитичен живот на приготвения морденит.
(срв. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) изследват ефектите на ултразвука с помощта на ултразвука на Hielscher UP200S на H-мордитните и H-bet зеолитите. Те стигнаха до извода, че ултразвукът е ефективна техника за H-мордит и H-бета модификация, които правят зеолитите по-подходящи за производството на диметилов етер (DME) чрез дехидратация на метанола.

Ултразвуков синтез на нанокристали SAPO-34

По сонохимичен път SAPO-34 (силикоалумофосфатни молекулярни сита, клас зеолити) са успешно синтезирани в нанокристална форма, като се използва TEAOH като структурен насочващ агент (SDA). За ултразвук ултразвуковият ултразвук на сондата Hielscher UP200S (24kHz, 200 вата) беше използван. Средният размер на кристала на крайния продукт, приготвен сонохимично, е 50 nm, което е значително по-малък размер на кристала в сравнение с размера на хидротермично синтезираните кристали. Когато кристалите SAPO-34 са били сонохимични при хидротермални условия, повърхността е значително по-висока от повърхността на кристала на конвенционално синтезираните кристали SAPO-34 чрез статична хидротермална техника с почти същата кристалност. Докато конвенционалният хидротермален метод отнема най-малко 24 часа време за синтез, за да се получи напълно кристален SAPO-34, чрез сонохимично подпомаган хидротермален синтез напълно кристални кристали SAPO-34 се получават само след 1,5 часа време на реакция. Поради силно интензивната ултразвукова енергия, кристализацията на зеолита SAPO-34 се засилва от колапса на ултразвукови кавитационни мехурчета. Имплозията на кавитационните мехурчета се случва за по-малко от наносекунда, което води локално до бързо покачващи се и понижаващи се температури, което предотвратява организирането и агломерацията на частиците и води до по-малки размери на кристалите. Фактът, че малки кристали SONO-SAPO-34 могат да бъдат получени по сонохимичния метод, предполага висока плътност на нуклеация в ранните етапи на синтеза и бавен растеж на кристалите след нуклеацията. Тези резултати показват, че този неконвенционален метод е много полезна техника за синтез на нанокристали SAPO-34 с високи добиви в промишлен производствен мащаб.
(срв. Askari and Halladj; 2012)

Ултразвукова деагломерация и диспергиране на зеолити

Когато зеолитите се използват в промишлени приложения, изследвания или материалознание, сухият зеолит се смесва предимно в течна фаза. Зеолитната дисперсия изисква надеждна и ефективна техника на диспергиране, която прилага достатъчно енергия за деагломериране на зеолитните частици. Ултразвуковите апарати са добре известни като мощни и надеждни диспергатори, поради което се използват за хомогенно диспергиране на различни материали като нанотръби, графен, минерали и много други материали в течна фаза.
Зеолит на прах, който не се третира с ултразвук, е значително агломериран с морфология, подобна на черупка. За разлика от това, ултразвукова обработка от 5 минути (200 ml проба, ултразвукована при 320 W) изглежда унищожава повечето от подобни на черупки форми, което води до по-диспергиран краен прах. (срв. Ramirez Medoza et al. 2020)
Например, Ramirez Medoza et al. (2020) са използвали ултразвуковия ултразвук на сондата Hielscher UP200S за кристализиране на зеолит NaX (т.е. зеолит X, синтезиран в натриева форма (NaX)) при ниска температура. Сонирането през първия час на кристализацията води до 20% намаляване на времето за реакция в сравнение със стандартния процес на кристализация. Освен това те демонстрираха, че ултразвукът може също да намали степента на агломерация на крайния прах чрез прилагане на ултразвук с висока интензивност за по-дълъг период на ултразвук.

Високоефективни ултразвукови апарати за синтез на зеолит

Усъвършенстваният хардуер и интелигентен софтуер на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати, както и удобство за потребителя. Ултразвуковите апарати Hielscher са здрави и надеждни, което позволява да се монтират и експлоатират при тежки условия. Работните настройки могат лесно да бъдат достъпни и набрани чрез интуитивно меню, което може да бъде достъпно чрез цифров цветен сензорен дисплей и дистанционно управление на браузъра. Следователно всички условия на обработка като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура се записват автоматично на вградена SD-карта. Това ви позволява да преглеждате и сравнявате предишни цикли на ултразвук и да оптимизирате процеса на синтез и дисперсия на зеолит до най-висока ефективност.
Системите Hielscher Ultrasonics се използват в световен мащаб за процеси на кристализация и са доказано надеждни за синтеза на висококачествени зеолити и производни на зеолит. Индустриалните ултразвукови апарати Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7/365). Амплитуди до 200 μm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди? рога). За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Поради своята здравина и ниска поддръжка, нашите ултразвукови уреди обикновено се инсталират за тежки приложения и в взискателни среди.
Ултразвуковите процесори Hielscher за сонохимичен синтез, кристализация и деагломерация вече са инсталирани в световен мащаб в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес на производство на зеолит! Нашият опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за пътя на сонохимичния синтез, ултразвуковите системи и цените!
С предимството на метода на ултразвуков синтез, вашето производство на зеолит ще се отличава с ефективност, простота и ниска цена в сравнение с други процеси на синтез на зеолит!

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: