Syntéza a funkcionalizace zeolitů pomocí ultrazvuku

Zeolity včetně nano-zeolitů a derivátů zeolitu mohou být účinně a spolehlivě syntetizovány, funkčně a deaglomerovány pomocí vysoce výkonné ultrazvuku. Ultrazvuková syntéza a léčba zeolitu vyniká konvenční hydrotermální syntézou účinností, jednoduchostí a jednoduchou lineární škálovatelností pro velkou výrobu. Ultrazvukově syntetizované zeolity vykazují dobrou krystaličnost, čistotu a vysokou úroveň funkčnosti kvůli pórovitosti a deaglomeraci.

Ultrazvukem asistovaná příprava zeolitů

Zeolidy jsou mikropórové krystalické hydratované oxidáty s absorpčními a katalytickými vlastnostmi.
Aplikace vysoce výkonného ultrazvuku ovlivňuje velikost a morfologii ultrazvukem syntetizovaných krystalů zeolitu a zlepšuje jejich krystaličnost. Kromě toho je doba krystalizace drasticky zkrácena pomocí sonochemické syntetické cesty. Ultrazvukem asistované zeolit syntézy cesty byly testovány a vyvinuty pro četné typy zeolitů. Mechanismus ultrazvukové syntézy zeolitu je založen na zlepšení přenosu hmoty, což má za následek zvýšenou rychlost růstu krystalů. Toto zvýšení rychlosti růstu krystalů následně vede ke zvýšení nukleační rychlosti. Kromě toho sonikace ovlivňuje depolymerizační-polymerační rovnováhu zvýšením koncentrace rozpustných druhů, což je nutné pro tvorbu zeolitů.
Celkově různé výzkumné studie a pilotní nastavení výroby prokázaly ultrazvukovou syntézu zeolitu jako vysoce účinnou úsporu času a nákladů.

Žádost o informace





Ultrasonicator UIP2000hdT with sonochemical inline reactor for highly efficient zeolite synthesis

ultrazvukovač UIP2000hdT se sonochemickým inline reaktorem pro vysoce účinnou syntézu zeolitu.

Konvenční syntéza vs ultrazvuková syntéza zeolitů

Jak se zeolit syntetizuje konvenčně?

Konvenční syntéza zeolitu je velmi časově náročný hydrotermální proces, který může vyžadovat reakční časy od několika hodin do několika dnů. Hydrotermální cesta je obvykle dávkový proces, při kterém jsou zeovity syntetizovány z amorfních nebo rozpustných zdrojů Si a Al. V počáteční fázi stárnutí se reaktivní gel skládá z redukce-režírujícího činidla (SDA) a zdroje hliníku a oxidu křemičitého jsou při nízké teplotě zrající. Během tohoto prvního kroku stárnutí se tvoří tzv. jádra. Tato jádra jsou výchozím materiálem, ze kterého v následujícím krystalizačním procesu rostou krystaly zeolitu. Se zahájením krystalizace se teplota gelu zvýšila. Tato hydrotermální syntéza se obvykle provádí v dávkových reaktorech. Dávkové procesy však přicházejí s nevýhodou provozu intenzivního pracovní síly.

Jak se zeolit syntetizuje pod sonikací?

Ultrazvuková syntéza zeolitu je rychlý postup pro syntézu homogenního zeolitu za mírných podmínek. Například 50nm krystaly zeolitu byly syntetizovány sonochemickou cestou při pokojové teplotě. Zatímco konvenční syntetická reakce zeolitu a může trvat až několik dní, sonochemická cesta zkracuje dobu syntézy na několik hodin, čímž výrazně zkracuje reakční dobu.
Ultrazvuková krystalizace zeolitu může být prováděna jako dávkové nebo kontinuální procesy, díky kterým je aplikace snadno přizpůsobitelná životnímu prostředí a cílům procesu. Vzhledem k lineární škálovatelnosti mohou být ultrazvukové syntézy zeolitů spolehlivě přeneseny z počátečního dávkového procesu do inline zpracování. Ultrazvukové zpracování – v dávce a in-line – umožňuje vynikající ekonomickou efektivitu, kontrolu kvality a provozní flexibilitu.

Výhody ultrazvukové syntézy zeolitu

  • Výrazně zrychlená krystalizace
  • Zvýšená nukleace
  • Čistý zeolit
  • Homogenní morfologie
  • Vysoce funkční zeolit (mikroporozita)
  • Nízká teplota (např. pokojová teplota)
  • Zvýšená reakční kinetika
  • Deaglomerované krystaly
  • Dávkový nebo válý proces
  • Vynikající nákladová efektivita
Ultrasonic synthesis of zeolite is a rapid crystallization process that gives pure, high-quality nano-sized zeolite.

FESEM mikrograf bikitaitového zeolitu obsahujícího lithium, připravený a sonikací po dobu 3 hodin, b odpovídající EDAX, c sonikace následovaná hydrotermální úpravou při 100 °C po dobu 24 hodin, d odpovídající EDAX.
(studie a obrázek od Roye a Das, 2017)

Ultrasonic synthesis is a highly efficient technique to produce SAPO-34 nanocrystals (silicoaluminophosphate molecular sieves, a class of zeolites).

SEM obrazy ultrazvukem syntetizovaných krystalů SAPO-34 (SONO-SAPO-34) s ultrasonicatorem UP200S za různých podmínek.
(Kliknutím zvětšíte! Studie a obrázek: Askari a Halladj, 2012)

Sonochemické syntetické cesty různých typů zeolitů

V následující části zavádíme různé sonochemické dráhy, které byly úspěšně použity k syntéze různých typů zeolitů. Výsledky výzkumu důsledně zdůrazňují nadřazenost ultrazvukové syntézy zeolitu.

Ultrazvuková syntéza bikitaitu zeolitu obsahujícího li

Ultrasonicator-sonochemical-zeolite-synthesisRoy a Das (2017) syntetizovali 50nm krystaly zeolitu bikitaitu obsahujícího lithium při pokojové teplotě pomocí UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ultrasonicator v dávkovém nastavení. Úspěšná sonochemická tvorba Bikitaitového zeolitu při pokojové teplotě byla potvrzena úspěšně syntetizovanou zeolitem Bikitait obsahujícím lithium XRD a IR analýzou.
Při kombinaci sonochemické léčby s konvenční hydrotermální úpravou bylo dosaženo fázové tvorby krystalů zeolitu při mnohem nižší teplotě (100 ° C) ve srovnání s 300 ° C po dobu 5 dnů, což jsou typické hodnoty pro konvenční hydrotermální cestu. Použití ultrazvuku vykazuje významné účinky na krystalizační čas a fázovou tvorbu zeolitu. Za účelem vyhodnocení funkčnosti ultrazvukem syntetizovaného zeolitu Bikitaitátu byla zkoumána jeho kapacita pro ukládání vodíku. Objem úložiště se zvyšuje se zvyšující se obsahem Li zeolitu.
Sonochemická tvorba zeolitu: XRD a IR analýza ukázaly, že tvorba čistého, nanokrystalický Bikitaitový zeolit začal po 3 h ultrazvuku a 72 h stárnutí. Nano-velký krystalický bikitaitový zeolit s výraznými vrcholy byl získán po 6 h ultrazvuku při 250 W.
Výhody: Sonochemická syntetická syntetická cesta zeolitu Bikitaitát obsahujícího lithium nabízí nejen výhodu jednoduché výroby čistých nanokrystalů, ale také představuje rychlou a nákladově efektivní techniku. Náklady na ultrazvukové zařízení a požadovanou energii jsou ve srovnání s jinými procesy velmi nízké. Kromě toho je doba trvání procesu syntézy velmi krátká, takže sonochemický proces je považován za prospěšnou metodu pro aplikace čisté energie.
(viz Roy et al. 2017)

Zeolit Mordenit příprava pod ultrazvukem

Mordenit získaný pomocí ultrazvukového předúpravky (MOR-U) vykazoval homogenní morfologii mezirostlých pelet 10 × 5 μm2 a žádné známky jehlových nebo vláknitých útvarů. Ultrazvukem asistovaný postup vyústil v materiál se zlepšenými textovými charakteristikami, zejména objem mikroporu přístupný molekulám dusíku v as-made formě. V případě ultrazvukem předléčeného mordenitu byly pozorovány změněné krystalové tvary a homogenní morfologie.
Stručně řečeno, současná studie prokázala, že ultrazvuková předúpravka syntetizační gelu ovlivnila různé vlastnosti získaného mordenitu, což vedlo

  1. homogenní velikost krystalů a morfologie, absence nežádoucích krystalů vláknitých a jehlových;
  2. méně konstrukčních vad;
  3. významná dostupnost mikroporu ve vzorku mordenitu ve způsobu výroby (ve srovnání s blokovanou mikroporou v materiálech připravených klasickou metodou míchání před postsyntetickou úpravou);
  4. různé organizace Al, což údajně vede k různým pozicím Na + kations (nejvlivnější faktor ovlivňující sorpční vlastnosti jako vyrobených materiálů).

Snížení strukturálních vad ultrazvukovým předúpravkou syntetického gelu může být proveditelným způsobem, jak vyřešit společný problém "ne-ideální" struktury u syntetických mordenitů. Navíc vyšší sorpční kapacity v této struktuře by mohlo být dosaženo snadnou a účinnou ultrazvukovou metodou aplikované před syntézou, bez časově a zdroje náročné tradiční postsyntetické léčby (což naopak vede k tvorbě strukturálních vad). Nižší počet silanolových skupin navíc může přispět k delší katalytické životnosti připraveného mordenitu.
(viz Kornas et al. 2021)

SEM obraz ultrazvukem syntetizovaného zeolitu MCM-22

SEM obraz ultrazvukem syntetizovaného zeolitu MCM-22
(studie a obrázek: Wang et al. 2008)

Solyman a kol. (2013) studoval účinky ultrazvuku pomocí Ultrasonicator Hielscher UP200S na H-mordite a H-bet zeolites. Dospěli k závěru, že sonikace je účinnou technikou modifikace H-mordite a H-Beta, díky níž jsou zeobity vhodnější pro výrobu dimethyletheru (DME) dehydratací metanolu.

Ultrazvuková syntéza NANOKRYSTALŮ SAPO-34

Sonochemickou cestou byl SAPO-34 (silicoaluminofosfátová molekulární síta, třída zeolitů) úspěšně syntetizován v nanokrstalické formě pomocí TEAOH jako směrovací činidla struktury (SDA). Pro ultrazvuku, Hielscher sonda typu ultrasonicator UP200S (24kHz, 200 wattů) byla použita. Průměrná velikost krystalu konečného výrobku připraveného sonochemicky je 50nm, což je výrazně menší velikost krystalu ve srovnání s velikostí hydrotermálně syntetizovaných krystalů. Když byly krystaly SAPO-34 sonochemicky za hydrotermálních podmínek, povrchová plocha je výrazně vyšší než křišťálová plocha konvenčně syntetizovaných krystalů SAPO-34 statickou hydrotermální technikou s téměř stejnou krystaličností. Zatímco konvenční hydrotermální metoda trvá nejméně 24 hodin syntézy, aby se dosáhlo plně krystalické SAPO-34, prostřednictvím sonochemicky asistované hydrotermální syntézy plně krystalické krystaly SAPO-34 získané po pouhých 1, 5 hodinách reakční doby. Vzhledem k vysoce intenzivní ultrazvukové energii je krystalizace zeolitu SAPO-34 zesílena zhroucením ultrazvukových kavitačních bublin. Imploze kavitačních bublin se vyskytuje za méně než nanosekundu, což má za následek lokálně rostoucí a klesající teploty, což zabraňuje organizaci a aglomerace částic a vede k menším velikostem krystalů. Skutečnost, že malé krystaly SONO-SAPO-34 by mohly být připraveny sonochemickou metodou, naznačuje vysokou hustotu nukleace v raných fázích syntézy a pomalý růst krystalů po nukleaci. Tyto výsledky naznačují, že tato nekonvenční metoda je velmi užitečnou technikou pro syntézu nanokrystalů SAPO-34 ve vysokých výnosech v průmyslovém výrobním měřítku.
(viz Askari a Halladj; 2012)

Ultrazvuková deaglomerace a disperze zeolitů

Ultrasonic disperser UP200St stirring a zeolite suspensionKdyž se zelolity používají v průmyslových aplikacích, výzkumu nebo materiálové vědě, suchý zeolit se většinou smíchá do kapalné fáze. Disperze zeolitu vyžaduje spolehlivou a účinnou disperzní techniku, která spotřebovává dostatek energie k deaglomerace částic zeolitu. Ultrasonicators jsou dobře známo, že jsou silné a spolehlivé dispergátory, proto se používají k rozptýlení různých materiálů, jako jsou nanotrubičky, grafen, minerály a mnoho dalších materiálů homogenní do kapalné fáze.
Zeolitový prášek, který není ošetřen ultrazvukem, je značně aglomerován morfologií jako skořápka. Naproti tomu se zdá, že sonikace o velikosti 5 minut (200 ml vzorku sonikovaného při 320 W) zničí většinu tvarů jako skořápka, což má za následek rozptýlenější konečný prášek. (viz Ramirez Medoza et al. 2020)
Například Ramirez Medoza et al. (2020) použil ultrasonicator sondy Hielscher UP200S krystalizovat Zeolit NaX (tj. zeolit X syntetizovaný ve formě sodíku (NaX)) při nízké teplotě. Použití ultrazvuku během první hodiny krystalizace mělo za následek 20% zkrácení reakční doby ve srovnání se standardním krystalizačním procesem. Kromě toho prokázali, že použití ultrazvuku může také snížit aglomerace stupně konečného prášku použitím ultrazvuku s vysokou intenzitou po delší dobu použití ultrazvuku.

Žádost o informace





Vysoce výkonné ultrasonicators pro syntézu zeolitu

Sofistikovaný hardware a inteligentní software ultrasonicators Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručily spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Ultrasonicators Hielscher jsou robustní a spolehlivé, což umožňuje instalaci a provoz v podmínkách těžkého provozu. Provozní nastavení lze snadno získat a vytočit pomocí intuitivní nabídky, ke které lze přistupovat prostřednictvím digitálního barevného dotykového displeje a dálkového ovládání prohlížeče. Proto jsou všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenány na vestavěné SD kartě. To vám umožní revidovat a porovnat předchozí zvukové běhy a optimalizovat proces syntézy a disperze zeolitu na nejvyšší účinnost.
Hielscher Ultrazvukové systémy se používají po celém světě pro krystalizační procesy a jsou prokázány jako spolehlivé pro syntézu vysoce kvalitních zeolitů a derivátů zeolitů. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou snadno provozovat vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200μm lze snadno generovat se standardními sonárody (ultrazvukové sondy / rohy). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonorody. Díky své robustnosti a nízké údržbě jsou naše ultrasonicators běžně instalovány pro náročné aplikace a v náročných prostředích.
Hielscher ultrazvukové procesory pro sonochemické syntézy, krystalizace a deaglomerace jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a prodiskutujte váš výrobní proces zeolitu! Naši zkušení zaměstnanci rádi podělí více informací o cestě synochemické syntézy, ultrazvukových systémech a cenách!
S výhodou ultrazvukové syntetické metody, vaše výroba zeolitu bude vynikat v účinnosti, jednoduchosti a nízkých nákladech ve srovnání s jinými procesy syntézy zeolitů!

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:

Hromadná dávka průtok Doporučené Devices
1 až 500 ml 10 až 200 ml / min UP100H
10 až 2000ml 20 až 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
00,1 až 20L 00,2 až 4 litry / min UIP2000hdT
10 až 100L 2 až 10 l / min UIP4000hdT
na 10 až 100L / min UIP16000
na větší hrozen UIP16000

Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!

Požádejte o další informace

Použijte prosím níže uvedený formulář a vyžádejte si další informace o ultrazvukových procesorech, aplikacích a ceně. Rádi s vámi probereme váš proces a nabídneme vám ultrazvukový systém splňující vaše požadavky!









Uvědomte si prosím naši Zásady ochrany osobních údajů,


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrazvuk vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakce v laboratoři, pilotním a průmyslovém měřítku.

Literatura / Reference



Fakta Worth Knowing

Zeolity

Zeonity jsou třídou hlinitýsičitanů, tj.2 a SiO2, v kategorii mikroporézních pevných látek, které jsou známé jako “molekulární síta". Zelovity se skládají hlavně z oxidu křemičitého, hliníku, kyslíku a kovů, jako je titan, cín, zinek a další molekuly kovů. Termín molekulární síto pochází ze zvláštní vlastnosti zeolitů k selektivnímu třídění molekul založených především na procesu vyloučení velikosti. Selektivita molekulárních sít je definována jejich velikostí pórů. V závislosti na velikosti pórů jsou molekulární síta kategorizována jako makroporézní, zvužná a mikroporémová. Zeoly spadají do třídy mikroporézních materiálů, protože jejich velikost pórů je <2 nm. Due to their porous structure, zeolites have the ability accommodate a wide variety of cations, such as Na+, K+, Ca2 +Mg2 + a jiní. Tyto pozitivní ionty jsou spíše volně drženy a lze je snadno vyměnit za jiné v kontaktním roztoku. Některé z častějších minerálních zeolitů jsou analcim, chabazite, klinoptilolit, heulandit, natrolit, phillipsit a stilbite. Příkladem minerálního vzorce zeolitu je: Na2Al2A3O 10·2H2O, vzorec pro natrolit. Tyto kationty vyměněné zeolity mají různou kyselost a katalyzují několik kyselých katalýz.
Vzhledem k jejich selektivitě a vlastnostem odvozeným od pórovitosti se zeolety často používají jako katalyzátory, sorbenty, iontové výměníky, roztoky pro čištění odpadních vod nebo jako antibakteriální činidla.
Faujasit zeolit (FAU) je například jedna specifická forma zeolitů, které se vyznačují rámem s dutinami o průměru 1,3 nm, které jsou propojeny póry o průměru 0,8 nm. Zeolit typu faujasite (FAU) se používá jako katalyzátor průmyslových procesů, jako je katalytické praskání tekutin (FCC), a jako adsorbent těkavých organických sloučenin v plynových tocích.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.