Zeolitter, herunder nano-zeolitter og zeolitderivater, kan være effektivt og pålideligt syntetiseret, funktionaliseret og deagglomereret ved hjælp af højtydende ultralydik. Ultralyd zeolitsyntese og behandling udmærker konventionel hydrotermisk syntese ved effektivitet, enkelhed og enkel lineær skalerbarhed til stor produktion. Ultralydsyntetiserede zeolitter viser god krystallinitet, renhed samt en høj grad af funktionalitet på grund af porøsitet og deagglomerering.

Ultralydassisteret forberedelse af zeolitter

Zeolitter er mikroporous krystallinske hydrerede aluminosilicater med absorberende og katalytiske egenskaber.
Anvendelsen af højtydende ultralyd påvirker størrelse og morfologi af ultralydsyntetiseret zeolitkrystaller og forbedrer deres krystallinitet. Desuden reduceres krystalliseringstiden drastisk ved hjælp af en sånomisk synteserute. Ultralydassisteret zeolitsynteseruter blev testet og udviklet til adskillige zeolittyper. Mekanismen for ultralyd zeolitsyntese er baseret på den forbedrede masseoverførsel, hvilket resulterer i en øget krystalvækst. Denne stigning i krystalvæksten fører efterfølgende til en øget nukleationsrate. Derudover påvirker sonikering afpolymeriserings-polymeriseringsligevægten gennem en stigning i koncentrationen af opløselige arter, som er nødvendig for zeolitdannelsen.
Samlet set har forskellige forskningsundersøgelser og produktionsopsætninger i pilotskala bevist ultralyds-zeolitsyntesen som yderst effektiv, hvilket sparer tid og omkostninger.

Konventionel syntese vs ultralyd syntese af Zeolitter

Hvordan syntetiseres zeolit konventionelt?

Konventionel zeolitsyntese er en meget tidskrævende hydrotermisk proces, som kan kræve reaktionstider fra flere timer til flere dage. Den hydrotermiske rute er normalt en batchproces, hvor zeolitter syntetiseres fra amorfe eller opløselige Si- og Al-kilder. I en indledende aldringsfase består den reaktive gel af et strukturledende middel (SDA), og kilder til aluminium og silica lagres ved lav temperatur. I løbet af dette første trin af aldring dannes såkaldte kerner. Disse kerner er udgangsmaterialet, hvorfra zeolitkrystallerne vokser i den følgende krystalliseringsproces. Ved indledningen af krystalliseringen hæves gelens temperatur. Denne hydrotermiske syntese udføres normalt i batchreaktorer. Batchprocesser kommer dog med ulempen ved arbejdsintensiv drift.

Hvordan syntetiseres zeolit under sonikering?

Ultralydsyntese af zeolit er hurtig procedure for at syntetisere homogen zeolit under milde forhold. For eksempel blev 50nm zeolitkrystaller syntetiseret via sonokemisk rute ved stuetemperatur. Mens konventionel zeolitsyntesereaktion a kan tage op til flere dage, reducerer den sonokemiske rute syntesevarigheden til et par timer og reducerer dermed reaktionstiden betydeligt.
Ultralydkrystallisering af zeolit kan udføres som batch- eller kontinuerlige processer, hvilket gør applikationen let at tilpasse til miljøet og procesmål. På grund af lineær skalerbarhed kan ultralyd zeolitsynteser pålideligt overføres fra indledende batchproces til indbygget behandling. Ultralydsbehandling – i batch og in-line – giver mulighed for overlegen økonomisk effektivitet, kvalitetskontrol og driftsfleksibilitet.

Sonokemiske synteseruter af forskellige zeolittyper

I det følgende afsnit introducerer vi forskellige sonokemiske veje, som med succes er blevet brugt til at syntetisere forskellige zeolittyper. Forskningsresultater understreger konsekvent overlegenheden af ultralyd zeolitsyntese.

Ultralydsyntese af li-holdige Bikitaite Zeolit

Roy og Das (2017) syntetiserede 50nm lithium-holdige zeolit Bikitaite krystaller ved stuetemperatur ved hjælp af UIP1500hdT (20kHz, 1,5 kW) ultralydsopstilling i en batchopsætning. Den vellykkede sonokemiske dannelse af Bikitaite zeolit ved stuetemperatur blev bekræftet af vellykket syntetiseret lithium-holdige Bikitaite zeolit af XRD og IR analyse.
Da sonokemisk behandling blev kombineret med konventionel hydrotermisk behandling, blev fasedannelsen af zeolitkrystaller opnået ved meget lavere temperatur (100ºC) sammenlignet med 300ºC i 5 dage, som er typiske værdier for konventionel hydrotermisk rute. Sonikering viser signifikante virkninger på krystalliseringstid og fasedannelse af zeolit. For at evaluere funktionaliteten af ultralydsyntetiseret Bikitaite zeolit blev dens brintlagringskapacitet undersøgt. Lagervolumen øges med stigende Li-indhold i zeoliten.
Sonokemisk zeolitdannelse: XRD og IR analyse viste, at dannelsen af ren, nano-krystallinsk Bikitaite zeolit startede efter 3 timer ultralydbehandling og 72 timer af aldring. Nano-størrelse krystallinsk Bikitaite zeolit med fremtrædende toppe blev opnået efter 6 timer sonikering tid på 250 W.
Fordele: Den sonokemiske synteserute for lithium-holdige zeolit Bikitaite giver ikke kun fordelen ved den enkle produktion af rene nanokrystaller, men præsenterer også en hurtig og omkostningseffektiv teknik. Omkostningerne til ultralydsudstyr og den nødvendige energi er meget lave sammenlignet med andre processer. Desuden er varigheden af synteseprocessen meget kort, således at den sonokemiske proces betragtes som en gavnlig metode til rene energianvendelser.
(jf.

Zeolit Mordenite Forberedelse under ultralyd

Mordenite opnået ved anvendelse af ultralydsforbehandling (MOR-U) viste en mere homogen morfologi af intergrown pellets 10 × 5 μm2 og ingen tegn på nålelignende eller fiberformationer. Ultralydassisteret procedure resulterede i et materiale med forbedrede stofegenskaber, især mikroporevolumen, der er tilgængeligt for nitrogenmolekyler i as-made form. I tilfælde af ultralydforbehandlet mordenit blev ændret krystalform og mere homogen morfologi observeret.
Sammenfattende viste den aktuelle undersøgelse, at ultralydforbehandling af syntesegel påvirkede de forskellige egenskaber ved opnået mordenit, hvilket resulterede i

1. mere homogen krystalstørrelse og morfologi, fravær af uønskede fiber- og nålelignende krystaller;
2. færre strukturelle mangler
3. betydelig mikroporetilgængelighed i den as made mordeniteprøve (sammenlignet med de blokerede mikroporer i materialer, der er fremstillet ved den klassiske omrøringsmetode, før postsyntetisk behandling)
4. forskellige Al organisation, angiveligt resulterer i forskellige positioner af Na + kationer (den mest indflydelsesrige faktor, der påvirker sorption egenskaber as-made materialer).

Reduktionen af strukturelle defekter ved ultralydforbehandling af syntesegelen kan være en mulig måde at løse det fælles problem med "ikke-ideel" struktur i syntetiske mordenitter. Derudover kunne højere sorptionskapacitet i denne struktur opnås ved hjælp af en nem og effektiv ultralydsmetode, der blev anvendt før syntesen, uden tids- og ressourcekrævende traditionel postsyntetisk behandling (hvilket tværtimod fører til generering af strukturelle defekter). Desuden kan det lavere antal silanolgrupper bidrage til en længere katalytisk levetid for den forberedte mordenit.
(jf. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) studerede virkningerne af ultralyd ved hjælp af Hielscher ultralydsscanning UP200S på H-mordite og H-bet zeoliter. De kom til den konklusion, at sonikering er en effektiv teknik til H-mordit og H-Beta modifikation, som gør zeolitter mere passende til produktion af dimethyl æter (DME) via dehydrering af methanol.

Ultralydsyntese af SAPO-34 Nanokrystaller

Via sonokemisk rute blev SAPO-34 (silicoaluminophosphat molekylære sigte, en klasse af zeolitter) med succes syntetiseret i nanokstallinsk form ved hjælp af TEAOH som strukturretningsmiddel (SDA). Til sonikering, hielscher sonde-type ultralydsbekæmper UP200S (24 kHz, 200 watt) blev brugt. Den gennemsnitlige krystalstørrelse af det færdige produkt tilberedt sonokemisk er 50nm, hvilket er en betydeligt mindre krystalstørrelse sammenlignet med størrelsen af hydrotermisk syntetiserede krystaller. Når SAPO-34 krystaller var sonokemisk under hydrotermiske forhold, overfladearealet er betydeligt højere end krystal overfladeareal af konventionelt syntetiseret SAPO-34 krystaller via statisk hydrotermisk teknik med næsten samme krystallinitet. Mens den konventionelle hydrotermiske metode tager mindst 24 timers syntesetid for at opnå fuldt krystallinsk SAPO-34, via sonokemisk assisteret hydrotermisk syntese fuldt krystallinsk SAPO-34 krystaller werde opnået efter kun 1,5 timers reaktionstid. På grund af den meget intense ultralydsenergi intensiveres zeolit SAPO-34 krystallisering af sammenbruddet af ultralydkavitationsbobler. Implosionen af kavitationsbobler forekommer på mindre end et nanosekund, hvilket resulterer lokalt i hurtigt stigende og faldende temperaturer, hvilket forhindrer organisering og agglomerering af partikler og fører til mindre krystalstørrelser. Det faktum, at små SONO-SAPO-34 krystaller kunne fremstilles ved den sonokemiske metode, tyder på en høj kernetæthed i de tidlige stadier af syntese og langsom krystalvækst efter kernedannelse. Disse resultater tyder på, at denne ukonventionelle metode er en meget nyttig teknik til syntese af SAPO-34 nanokrystaller i høje udbytter i industriel produktionsskala.
(jf.

Ultralydsdeagglomeration og spredning af Zeolitter

Når zeolitter anvendes i industrielle applikationer, forskning eller materialevidenskab, blandes den tørre zeolit for det meste i en flydende fase. Zeolitspredning kræver en pålidelig og effektiv spredningsteknik, som anvender nok energi til at deagglomerere zeolitpartiklerne. Ultralydsapparater er velkendte for at være kraftige og pålidelige dispergeringsmidler, der derfor bruges til at sprede forskellige materialer som nanorør, grafen, mineraler og mange andre materialer homogent i en flydende fase.
En zeolit pulver ikke behandles ved ultralyd er betydeligt agglomereret med shell-lignende morfologi. I modsætning hertil synes en sonikeringsbehandling på 5 min (200 mL prøve sonikeret ved 320 W) at ødelægge de fleste af de skallignende former, hvilket resulterer i et mere spredt slutpulver. (jf. Ramirez Medoza et al. 2020)
For eksempel brugte Ramirez Medoza et al. (2020) Hielscher-sonden ultralyds UP200S at krystallisere NaX zeolit (dvs. zeolit X syntetiseret i natriumform (NaX)) ved lav temperatur. Sonikering i den første time af krystallisering resulterede i 20% reduktion af reaktionstiden sammenlignet med en standard krystalliseringsproces. Desuden viste de, at sonikering også kan reducere agglomerationsgraden af det endelige pulver ved at anvende ultralyd med høj intensitet i en længere sonikeringsperiode.

Højtydende ultralydsapparater til Zeolitsyntese

Hielscher ultralyds sofistikerede hardware og smarte software er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater samt brugervenlighed. Hielscher ultralydsapparaterne er robuste og pålidelige, hvilket gør det muligt at installere og betjene under tunge forhold. Betjeningsindstillinger kan nemt tilgås og ringes op via intuitiv menu, som kan tilgås via digital farve touch-display og browser fjernbetjening. Derfor registreres alle behandlingsbetingelser såsom nettoenergi, total energi, amplitude, tid, tryk og temperatur automatisk på et indbygget SD-kort. Dette giver dig mulighed for at revidere og sammenligne tidligere sonikeringskørsler og optimere zeolitsyntese- og spredningsprocessen til højeste effektivitet.
Hielscher Ultrasonics systemer bruges over hele verden til krystalliseringsprocesser og har vist sig at være pålidelige til syntese af højkvalitets zeolitter og zeolitderivater. Hielscher industrielle ultralydsapparater kan nemt køre høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200μm kan nemt genereres kontinuerligt med standard sonotoder (ultralydsonder / horn). For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssontroder tilgængelige. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelse er vores ultralydsapparater ofte installeret til tunge applikationer og i krævende miljøer.
Hielscher ultralydsprocessorer til sonokemiske syntheser, krystallisering og deagglomerering er allerede installeret over hele verden i kommerciel skala. Kontakt os nu for at diskutere din zeolit fremstillingsproces! Vores erfarne medarbejdere vil med glæde dele mere information om den sonokemiske syntesevej, ultralydssystemer og priser!
Med fordelen ved ultralydsyntesemetoden vil din zeolitproduktion udmærke sig i effektivitet, enkelhed og lave omkostninger sammenlignet med andre zeolitsynteseprocesser!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: