Οι ζεόλιθοι, συμπεριλαμβανομένων των νανο-ζεολιτών και των παραγώγων ζεόλιθου, μπορούν να συντεθούν αποτελεσματικά και αξιόπιστα, να λειτουργικοποιηθούν και να αποκολληθούν χρησιμοποιώντας υπερήχους υψηλής απόδοσης. Υπερήχων zeolite σύνθεση και επεξεργασία υπερέχει συμβατική υδροθερμική σύνθεση από την αποτελεσματικότητα, την απλότητα, και απλή γραμμική επεκτασιμότητα στη μεγάλη παραγωγή. Υπερήχων συντεθειμένους ζεόλιθους δείχνουν καλή κρυσταλλικότητα, καθαρότητα καθώς και υψηλό βαθμό λειτουργικότητας λόγω πορώδους και αποσυσσωμάτωσης.

Υπερηχογραφική προετοιμασία των Ζεολιτών

Οι ζεολίτες είναι μικροπορώδη κρυσταλλικά ενυδατωμένα αλουμινοσιλικά με απορροφητικές και καταλυτικές ιδιότητες.
Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής απόδοσης επηρεάζει το μέγεθος και τη μορφολογία των υπερηχητικά συντεθειμένων κρυστάλλων ζεόλιθου και βελτιώνει την κρυσταλλικότητα τους. Επιπλέον, ο χρόνος κρυστάλλωσης μειώνεται δραστικά χρησιμοποιώντας μια sonochemical διαδρομή σύνθεσης. Υπερήχων υποβοηθούμενη ζεόλιθος γραμμές σύνθεσης δοκιμάστηκε και αναπτύχθηκε για πολλούς τύπους ζεόλιθου. Ο μηχανισμός της υπερηχητικής σύνθεσης ζεόλιθου βασίζεται στη βελτιωμένη μεταφορά μάζας που οδηγεί σε αυξημένο ρυθμό ανάπτυξης κρυστάλλου. Αυτή η αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης κρυστάλλου οδηγεί στη συνέχεια σε αυξημένο ποσοστό πυρήνων. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους επηρεάζει την ισορροπία αποπολυμερισμού-πολυμερισμού μέσω της αύξησης της συγκέντρωσης διαλυτών ειδών, η οποία απαιτείται για το σχηματισμό ζεόλιθου.
Συνολικά, διάφορες ερευνητικές μελέτες και πιλοτικές ρυθμίσεις παραγωγής έχουν αποδείξει την υπερηχητική σύνθεση ζεόλιθου ως εξαιρετικά αποτελεσματική εξοικονόμηση χρόνου και κόστους.

Συμβατική Σύνθεση εναντίον Υπερηχητικής Σύνθεσης Ζεολιτών

Πώς συντίθεται συμβατικά ο ζεόλιθος;

Η συμβατική σύνθεση ζεόλιθου είναι μια πολύ χρονοβόρα υδροθερμική διαδικασία, η οποία μπορεί να απαιτήσει χρόνους αντίδρασης από αρκετές ώρες έως αρκετές ημέρες. Η υδροθερμική οδός είναι συνήθως μια διαδικασία παρτίδας, όπου οι ζεόλιθοι συντίθενται από άμορφες ή διαλυτές πηγές Si και Al. Σε ένα αρχικό στάδιο γήρανσης, το αντιδραστικό πήκτωμα αποτελείται από έναν παράγοντα καθοδήγησης δομών (SDA) και οι πηγές αλουμινίου και πυριτίου παλαιώνονται σε χαμηλή θερμοκρασία. Κατά τη διάρκεια αυτού του πρώτου βήματος γήρανσης, σχηματίζονται οι λεγόμενοι πυρήνες. Αυτοί οι πυρήνες είναι το αρχικό υλικό από το οποίο στην ακόλουθη διαδικασία κρυστάλλωσης αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι ζεόλιθου. Με την έναρξη της κρυστάλλωσης, η θερμοκρασία του πηκτώματος αυξάνεται. Αυτή η υδροθερμική σύνθεση πραγματοποιείται συνήθως σε αντιδραστήρες παρτίδας. Ωστόσο, οι μαζικές διαδικασίες έρχονται με το μειονέκτημα της έντονης λειτουργίας.

Πώς συντίθεται ο ζεόλιθος υπό κατεργασία με υπερήχους;

Υπερήχων σύνθεση του ζεόλιθου είναι ταχεία διαδικασία για τη σύνθεση ομοιογενούς ζεόλιθου υπό ήπιες συνθήκες. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι ζεόλιθου 50nm συντέθηκαν μέσω sonochemical διαδρομής σε θερμοκρασία δωματίου. Ενώ η συμβατική αντίδραση σύνθεσης ζεόλιθου μπορεί να διαρκέσει έως και αρκετές ημέρες, η sonochemical διαδρομή μειώνει τη διάρκεια σύνθεσης σε λίγες ώρες, μειώνοντας έτσι σημαντικά το χρόνο αντίδρασης.
Υπερήχων κρυστάλλωση του ζεόλιθου μπορεί να πραγματοποιηθεί ως παρτίδα ή συνεχείς διαδικασίες, γεγονός που καθιστά την εφαρμογή εύκολα προσαρμόσιμη στο περιβάλλον και τους στόχους της διαδικασίας. Λόγω της γραμμικής επεκτασιμότητας, οι υπερηχητικές συνθέσεις ζεόλιθου μπορούν να μεταφερθούν αξιόπιστα από την αρχική διαδικασία παρτίδας στην ενσωματωμένη επεξεργασία. Υπερηχητική επεξεργασία – σε παρτίδα και σε σειρά – επιτρέπει την ανώτερη οικονομική αποδοτικότητα, τον ποιοτικό έλεγχο και τη λειτουργική ευελιξία.

Sonochemical Γραμμές Σύνθεσης διαφόρων τύπων ζεόλιθου

Στην παρακάτω ενότητα, εισάγουμε διάφορες sonochemical διαδρομές, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη σύνθεση διαφορετικών τύπων ζεόλιθου. Τα αποτελέσματα της έρευνας υπογραμμίζουν με συνέπεια την ανωτερότητα της υπερηχητικής σύνθεσης ζεόλιθου.

Υπερηχητική σύνθεση του Ζεόλιθου Bikitaite που περιέχει Λι

Ο Roy και ο Das (2017) συνέθετε κρυστάλλους ζεόλιθου Bikitaite που περιέχουν 50nm σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας το UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) υπερήχων σε μια ρύθμιση παρτίδας. Ο επιτυχημένος sonochemical σχηματισμός του ζεόλιθου Bikitaite σε θερμοκρασία δωματίου επιβεβαιώθηκε από την επιτυχή σύνθεση του ζεόλιθου Bikitaite που περιέχει λίθιο με ανάλυση XRD και IR.
Όταν η sonochemical επεξεργασία συνδυάστηκε με τη συμβατική υδροθερμική επεξεργασία, ο σχηματισμός φάσης των κρυστάλλων ζεόλιθου επιτεύχθηκε σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία (100ºC) σε σύγκριση με τους 300ºC για 5 ημέρες, οι οποίες είναι τυπικές τιμές για τη συμβατική υδροθερμική οδό. Κατεργασία με υπερήχους δείχνει σημαντικές επιπτώσεις στο χρόνο κρυστάλλωσης και το σχηματισμό φάσης του ζεόλιθου. Προκειμένου να αξιολογηθεί η λειτουργικότητα του υπερηχητικά συντεθειμένου ζεόλιθου Bikitaite, διερευνήθηκε η ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου. Ο όγκος αποθήκευσης αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας li του ζεόλιθου.
Sonoχημικός σχηματισμός ζεόλιθου: Η ανάλυση XRD και IR έδειξε ότι ο σχηματισμός καθαρού, νανοκρυσταλλικού ζεόλιθου Bikitaite ξεκίνησε μετά από υπερήχους 3 h και 72 ώρες γήρανσης. Ο νανο-μεγέθους κρυσταλλικός ζεόλιθος Bikitaite με τις προεξέχουσες κορυφές αποκτήθηκε μετά από το χρόνο κατεργασίας με υπερήχους 6 χ σε 250 W.
Πλεονεκτήματα: Η sonochemical διαδρομή σύνθεσης του ζεόλιθου Bikitaite που περιέχει λίθιο προσφέρει όχι μόνο το πλεονέκτημα της απλής παραγωγής καθαρών νανοκρυστάλλων, αλλά παρουσιάζει επίσης μια γρήγορη και οικονομικά αποδοτική τεχνική. Το κόστος για τον εξοπλισμό υπερήχων και την απαιτούμενη ενέργεια είναι πολύ χαμηλό σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες. Επιπλέον, η διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης είναι πολύ σύντομη, έτσι ώστε η sonochemical διαδικασία θεωρείται ως ευεργετική μέθοδος για εφαρμογές καθαρής ενέργειας.
(πρβλ. Ρόι κ.ά. 2017)

Παρασκευάσματα ζεόλιθου Mordenite υπό υπερήχους

Ο μορδενίτης που ελήφθη με εφαρμογή της υπερηχητικής προεπεξεργασίας (MOR-U) έδειξε μια πιο ομοιογενή μορφολογία των μεσοφυτικών σβόλων 10 × 5 μm2 και κανένα σημάδι σχηματισμών που μοιάζουν με βελόνες ή ινώδεις σχηματισμούς. Η διαδικασία υποβοηθούμενη από υπερήχους είχε ως αποτέλεσμα ένα υλικό με βελτιωμένα κειμενικά χαρακτηριστικά, ιδίως τον όγκο μικροπορών προσβάσιμο για μόρια αζώτου στην as-made μορφή. Στην περίπτωση του υπερηχητικά προεπεξεργασμένου μορδενίτη, παρατηρήθηκε αλλοιωμένο σχήμα κρυστάλλου και πιο ομοιογενής μορφολογία.
Συνοπτικά, η τρέχουσα μελέτη κατέδειξε ότι η υπερηχητική προεπεξεργασία του πηκτώματος σύνθεσης επηρέασε τις διάφορες ιδιότητες του

1. πιο ομοιογενές μέγεθος κρυστάλλου και μορφολογία, απουσία ανεπιθύμητων κρυστάλλων που μοιάζουν με ίνες και βελόνες.
2. λιγότερα δομικά ελαττώματα.
3. σημαντική προσβασιμότητα μικροπορίας στο δείγμα μορφίτη (σε σύγκριση με τα μπλοκαρισμένα μικροπορά σε υλικά που παρασκευάζονται με την κλασική μέθοδο ανάδευσης, πριν από τη μετασυνθετική επεξεργασία)·
4. διαφορετική οργάνωση Al, που υποτίθεται ότι οδηγεί σε διαφορετικές θέσεις na+ cations (ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει τις ιδιότητες ρόφησης των as-made υλικών).

Η μείωση των δομικών ελαττωμάτων με υπερηχητική προεπεξεργασία του πηκτώματος σύνθεσης μπορεί να είναι ένας εφικτός τρόπος για την επίλυση του κοινού προβλήματος της "μη ιδανικής" δομής στους συνθετικούς μορδενίτες. Επιπλέον, υψηλότερη ικανότητα ρόφησης σε αυτή τη δομή θα μπορούσε να επιτευχθεί με μια εύκολη και αποτελεσματική μέθοδο υπερήχων που εφαρμόζεται πριν από τη σύνθεση, χωρίς την παραδοσιακή μετασυνθετική θεραπεία που καταναλώνει χρόνο και πόρους (η οποία, αντίθετα, οδηγεί στην παραγωγή δομικών ελαττωμάτων). Επιπλέον, ο μικρότερος αριθμός ομάδων σιλανόλης μπορεί να συμβάλει σε μεγαλύτερη καταλυτική διάρκεια ζωής του προετοιμασμένου μορδενίτη.
(πρβλ. Κορνάς κ.ά. 2021)

Solyman et al. (2013) μελέτησε τις επιπτώσεις του υπερήχου χρησιμοποιώντας τον υπερηχητικό Hielscher UP200S στους ζεόλιθους H-mordite και H-bet. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η κατεργασία με υπερήχους είναι μια αποτελεσματική τεχνική για την τροποποίηση H-mordite και H-Beta, οι οποίες καθιστούν τους ζεόλιθους πιο κατάλληλους για την παραγωγή διμεθυλαιθέρα (DME) μέσω αφυδάτωσης της μεθανόλης.

Υπερηχητική σύνθεση των νανοκρυστάλλων SAPO-34

Μέσω της sonochemical διαδρομής, SAPO-34 (silicoaluminophosphate μοριακά κόσκινα, μια κατηγορία ζεολιτών) συντέθηκαν επιτυχώς στη νανοκρυσταλλική μορφή χρησιμοποιώντας TEAOH ως φορέα καθοδήγησης δομών (SDA). Για κατεργασία με υπερήχους, ο υπερηχητικός τύπου καθετήρα Hielscher UP200S (24kHz, 200 Watt) χρησιμοποιήθηκε. Το μέσο μέγεθος κρυστάλλου του τελικού προϊόντος που παρασκευάζεται sonochemically είναι 50nm, το οποίο είναι ένα σημαντικά μικρότερο μέγεθος κρυστάλλου σε σύγκριση με το μέγεθος των υδροθερμικά συντεθειμένων κρυστάλλων. Όταν οι κρύσταλλοι SAPO-34 ήταν sonochemically κάτω από τις υδροθερμικές συνθήκες, η επιφάνεια είναι σημαντικά υψηλότερη από την επιφάνεια κρυστάλλου των συμβατικά συντεθειμένων κρυστάλλων SAPO-34 μέσω της στατικής υδροθερμικής τεχνικής με σχεδόν την ίδια κρυσταλλικότητα. Ενώ η συμβατική υδροθερμική μέθοδος διαρκεί τουλάχιστον 24 ώρες χρόνου σύνθεσης για να επιτευχθεί πλήρως κρυσταλλική SAPO-34, μέσω της υποβοηθούμενης από sonochemically υδροθερμικής σύνθεσης πλήρως κρυσταλλικών κρυστάλλων SAPO-34 που λαμβάνονται μετά από μόνο 1,5 ώρα χρόνου αντίδρασης. Λόγω της εξαιρετικά έντονης υπερηχητικής ενέργειας, ο ζεόλιθος SAPO-34 κρυστάλλωση εντείνεται από την κατάρρευση των φυσαλίδων υπερήχων σπηλαίωση. Η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης συμβαίνει σε λιγότερο από ένα νανοδευτερόλεπτο με αποτέλεσμα τοπικά την αύξηση και την πτώση των θερμοκρασιών, γεγονός που εμποδίζει την οργάνωση και τον οικισμό σωματιδίων και οδηγεί σε μικρότερα μεγέθη κρυστάλλου. Το γεγονός ότι οι μικροί κρύσταλλοι SONO-SAPO-34 θα μπορούσαν να προετοιμαστούν με τη sonochemical μέθοδο υποδηλώνει υψηλή πυκνότητα πυρήνων στα αρχικά στάδια της σύνθεσης και αργή ανάπτυξη κρυστάλλου μετά τον πυρήνα. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι αυτή η αντισυμβατική μέθοδος είναι μια πολύ χρήσιμη τεχνική για τη σύνθεση των νανοκρυστάλλων SAPO-34 σε υψηλές αποδόσεις σε βιομηχανική κλίμακα παραγωγής.
(πρβλ. Ασκάρι και Χαλάντζ, 2012)

Υπερηχητική απογλώρωση και διασπορά των Ζεολιτών

Όταν οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές, έρευνα ή επιστήμη υλικών, ο ξηρός ζεόλιθος αναμιγνύεται κυρίως σε υγρή φάση. Η διασπορά του ζεόλιθου απαιτεί μια αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική διασποράς, η οποία εφαρμόζει αρκετή ενέργεια για την απογλώρευση των σωματιδίων ζεόλιθου. Υπερήχους είναι γνωστό ότι είναι ισχυροί και αξιόπιστοι διασκορπιστές, ως εκ τούτου χρησιμοποιούνται για τη διασπορά διαφόρων υλικών όπως νανοσωλήνες, γραφένιο, μέταλλα και πολλά άλλα υλικά ομοιογενώς σε μια υγρή φάση.
Μια σκόνη ζεόλιθου που δεν αντιμετωπίζεται με υπέρηχο συσσωματώνεται σημαντικά με μορφολογία που μοιάζει με κέλυφος. Αντίθετα, μια κατεργασία με υπερήχους 5 λεπτών (δείγμα 200 mL με υπερήχους στα 320 W) φαίνεται να καταστρέφει τα περισσότερα από τα σχήματα που μοιάζουν με κέλυφος, γεγονός που οδηγεί σε μια πιο διασκορπισμένη τελική σκόνη. (πρβλ. Ραμίρεζ Μεντόζα κ.ά. 2020)
Για παράδειγμα, ο Ramirez Medoza et al. (2020) χρησιμοποίησε τον υπερηχητικό καθετήρα Hielscher UP200S για την αποκρυσταλλοποίηση του ζεόλιθου NaX (δηλαδή του ζεόλιθου Χ που συντίθεται σε μορφή νατρίου (NaX)) σε χαμηλή θερμοκρασία. Κατεργασία με υπερήχους κατά την πρώτη ώρα της κρυστάλλωσης είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση κατά 20% του χρόνου αντίδρασης σε σύγκριση με μια τυπική διαδικασία κρυστάλλωσης. Επιπλέον, απέδειξαν ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί επίσης να μειώσει το βαθμό συσσωρισμού της τελικής σκόνης εφαρμόζοντας υπερήχους υψηλής έντασης για μεγαλύτερη περίοδο κατεργασίας με υπερήχους.

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για σύνθεση ζεόλιθου

Το εξελιγμένο υλικό και το έξυπνο λογισμικό των υπερήχων Hielscher έχουν σχεδιαστεί για να εγγυώνται αξιόπιστη λειτουργία, αναπαραγώγιμα αποτελέσματα καθώς και φιλικότητα προς το χρήστη. Οι υπερήχους Hielscher είναι ισχυροί και αξιόπιστοι, γεγονός που επιτρέπει την εγκατάσταση και τη λειτουργία υπό συνθήκες βαρέως τύπου. Οι λειτουργικές ρυθμίσεις είναι εύκολα προσβάσιμες και καλούνται μέσω διαισθητικού μενού, το οποίο είναι προσβάσιμο μέσω ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής και τηλεχειριστηρίου του προγράμματος περιήγησης. Ως εκ τούτου, όλες οι συνθήκες επεξεργασίας όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία καταγράφονται αυτόματα σε ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να αναθεωρήσετε και να συγκρίνετε προηγούμενες διαδρομές κατεργασίας με υπερήχους και να βελτιστοποιήσετε τη διαδικασία σύνθεσης και διασποράς ζεόλιθου στην υψηλότερη απόδοση.
Hielscher Ultrasonics συστήματα χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο για διαδικασίες κρυστάλλωσης και έχουν αποδειχθεί αξιόπιστα για τη σύνθεση υψηλής ποιότητας ζεολίτες και παράγωγα ζεόλιθου. Hielscher βιομηχανικοί υπερήχους μπορούν εύκολα να τρέξουν υψηλά πλάτοτα σε συνεχή λειτουργία (24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365). Τα πλάτοτα μέχρι 200μm μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν συνεχώς με τυποποιημένα sonotrodes (υπερηχητικοί έλεγχοι / κέρατα). Για ακόμη υψηλότερα πλάτος, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Λόγω της ευρωστίας και της χαμηλής συντήρησής τους, οι υπερήχοι μας εγκαθίστανται συνήθως για εφαρμογές βαρέως τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Hielscher υπερήχων επεξεργαστές για sonochemical συνθέσεις, κρυστάλλωση και αποχρωματοποίηση είναι ήδη εγκατεστημένοι σε όλο τον κόσμο σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διαδικασία κατασκευής του ζεόλιθου σας! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να μοιραστεί περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το μονοπάτι sonochemical synthesis, τα συστήματα υπερήχων και την τιμολόγηση!
Με το πλεονέκτημα της μεθόδου υπερήχων σύνθεση, η παραγωγή ζεόλιθου σας θα υπερέχει στην αποτελεσματικότητα, την απλότητα και το χαμηλό κόστος σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες σύνθεσης ζεόλιθου!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: