Σύνθεση και λειτουργικότητα ζεολίθων με χρήση υπερήχων

Οι ζεόλιθοι, συμπεριλαμβανομένων των νανο-ζεολίθων και των παραγώγων ζεολίθου, μπορούν να συντεθούν αποτελεσματικά και αξιόπιστα, να λειτουργήσουν και να αποσυσσωματωθούν χρησιμοποιώντας υπερήχους υψηλής απόδοσης. Υπερήχων ζεολιθική σύνθεση και θεραπεία υπερέχει συμβατική υδροθερμική σύνθεση από την αποτελεσματικότητα, απλότητα, και απλή γραμμική επεκτασιμότητα σε μεγάλη παραγωγή. Οι υπερηχητικά συντιθέμενοι ζεόλιθοι παρουσιάζουν καλή κρυσταλλικότητα, καθαρότητα καθώς και υψηλό βαθμό λειτουργικότητας λόγω πορώδους και αποσυσσωμάτωσης.

Υπερηχογραφικά υποβοηθούμενη παρασκευή ζεολίθων

Οι ζεόλιθοι είναι μικροπορώδη κρυσταλλικά ένυδρα αργιλοπυριτικά με απορροφητικές και καταλυτικές ιδιότητες.
Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής απόδοσης επηρεάζει το μέγεθος και τη μορφολογία των κρυστάλλων ζεόλιθου που συντίθενται με υπερήχους και βελτιώνει την κρυσταλλικότητά τους. Επιπλέον, ο χρόνος κρυστάλλωσης μειώνεται δραστικά χρησιμοποιώντας μια οδό ηχοχημικής σύνθεσης. Υπερήχων υποβοηθούμενες διαδρομές σύνθεσης ζεόλιθου δοκιμάστηκε και αναπτύχθηκε για πολλούς τύπους ζεολίθου. Ο μηχανισμός της υπερηχητικής σύνθεσης ζεόλιθου βασίζεται στη βελτιωμένη μεταφορά μάζας που έχει ως αποτέλεσμα αυξημένο ρυθμό ανάπτυξης κρυστάλλων. Αυτή η αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης κρυστάλλων οδηγεί στη συνέχεια σε αυξημένο ρυθμό πυρήνωσης. Επιπλέον, κατεργασία με υπερήχους επηρεάζει την ισορροπία αποπολυμερισμού-πολυμερισμού μέσω της αύξησης της συγκέντρωσης διαλυτών ειδών, η οποία απαιτείται για το σχηματισμό ζεολίθου.
Συνολικά, διάφορες ερευνητικές μελέτες και ρυθμίσεις παραγωγής πιλοτικής κλίμακας έχουν αποδείξει την υπερηχητική σύνθεση ζεόλιθου ως εξαιρετικά αποτελεσματική εξοικονόμηση χρόνου και κόστους.

Συμβατική σύνθεση vs υπερήχων σύνθεση ζεολίθων

Πώς συντίθεται συμβατικά ο ζεόλιθος;

Η συμβατική σύνθεση ζεολίθου 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, η αντιδραστική γέλη αποτελείται από έναν παράγοντα κατεύθυνσης δομής (SDA) και πηγές αλουμινίου και διοξειδίου του πυριτίου παλαιώνονται σε χαμηλή θερμοκρασία. Κατά τη διάρκεια αυτού του πρώτου βήματος της γήρανσης, σχηματίζονται οι λεγόμενοι πυρήνες. Αυτοί οι πυρήνες είναι η πρώτη ύλη από την οποία στην επόμενη διαδικασία κρυστάλλωσης αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι ζεόλιθου. Με την έναρξη της κρυστάλλωσης, η θερμοκρασία της γέλης αυξάνεται. Αυτή η υδροθερμική σύνθεση πραγματοποιείται συνήθως σε αντιδραστήρες παρτίδας. Ωστόσο, οι διαδικασίες παρτίδας έρχονται με το μειονέκτημα της λειτουργίας έντασης εργασίας.

Πώς συντίθεται ο ζεόλιθος υπό υπερήχους;

Υπερήχων σύνθεση του ζεόλιθου είναι ταχεία διαδικασία για να συνθέσει ομοιογενή ζεόλιθο υπό ήπιες συνθήκες. Για παράδειγμα, κρύσταλλοι ζεόλιθου 50nm συντέθηκαν μέσω sonochemical οδού σε θερμοκρασία δωματίου. Ενώ η συμβατική αντίδραση σύνθεσης ζεόλιθου μπορεί να διαρκέσει έως και αρκετές ημέρες, η sonochemical οδός μειώνει τη διάρκεια της 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, υπερήχων συνθέσεις ζεόλιθου μπορεί να μεταφερθεί αξιόπιστα από την αρχική διαδικασία παρτίδας σε ενσωματωμένη επεξεργασία. Επεξεργασία υπερήχων – σε παρτίδα και σε σειρά – επιτρέπει ανώτερη οικονομική αποδοτικότητα, ποιοτικό έλεγχο και λειτουργική ευελιξία.

Οδοί Ηχοχημικής Σύνθεσης Διαφόρων Τύπων Ζεολίθων

Στην επόμενη ενότητα, παρουσιάζουμε διάφορες υπερηχογραφικές οδούς, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη σύνθεση διαφορετικών τύπων ζεολίθου. Τα αποτελέσματα της έρευνας υπογραμμίζουν σταθερά την ανωτερότητα της υπερηχητικής σύνθεσης ζεολίθου.

Υπερήχων σύνθεση του Li-περιέχουν Bikitaite ζεόλιθο

Οι Roy και Das (2017) συνέθεσαν κρυστάλλους ζεόλιθου Bikitaite που περιέχουν λίθιο 50nm σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας το UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) υπερήχων σε ρύθμιση παρτίδας. Ο επιτυχής sonochemical σχηματισμός ζεόλιθου Bikitaite σε θερμοκρασία δωματίου επιβεβαιώθηκε με επιτυχή σύνθεση ζεόλιθου Bikitaite που περιέχει λίθιο με ανάλυση XRD και IR.
Όταν η sonochemical επεξεργασία συνδυάστηκε με συμβατική υδροθερμική επεξεργασία, επιτεύχθηκε ο σχηματισμός φάσης κρυστάλλων ζεόλιθου σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία (100ºC) σε σύγκριση με τους 300ºC για 5 ημέρες, που είναι τυπικές τιμές για συμβατική υδροθερμική διαδρομή. Κατεργασία με υπερήχους δείχνει σημαντικές επιπτώσεις στο χρόνο κρυστάλλωσης και το σχηματισμό φάσης του ζεόλιθου. Προκειμένου να αξιολογηθεί η λειτουργικότητα του υπερηχητικά συντιθέμενου ζεόλιθου Bikitaite, διερευνήθηκε η ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου. Ο όγκος αποθήκευσης αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε Li του ζεόλιθου.
Ισοχημικός σχηματισμός ζεολίθου: Η ανάλυση XRD και IR έδειξε ότι ο σχηματισμός καθαρού, νανοκρυσταλλικού ζεόλιθου Bikitaite ξεκίνησε μετά από 3 ώρες υπερήχων και 72 ώρες γήρανσης. Νανο-μεγέθους κρυσταλλικός ζεόλιθος Bikitaite με προεξέχουσες κορυφές ελήφθησαν μετά από 6 ώρες υπερήχων χρόνο στα 250 W.
Πλεονεκτήματα: Η οδός ηχοχημικής 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 μικρή, έτσι ώστε η sonochemical διαδικασία να θεωρείται ως ευεργετική μέθοδος για εφαρμογές καθαρής ενέργειας.
(πρβλ. Roy et al. 2017)

Ζεόλιθος Mordenite Παρασκευή υπό υπερήχους

Ο μορντενίτης που ελήφθη με την εφαρμογή της υπερηχητικής προεπεξεργασίας (MOR-U) έδειξε μια πιο ομοιογενή μορφολογία των σφαιριδίων μεταξύ των καλλιεργειών 10 × 5 μm2 και δεν υπάρχουν σημάδια βελονοειδούς ή ινώδους σχηματισμού. Η διαδικασία με τη βοήθεια υπερήχων οδήγησε σε ένα υλικό με βελτιωμένα χαρακτηριστικά υφής, ειδικότερα, τον όγκο μικροπόρων προσβάσιμο για μόρια αζώτου στην όπως κατασκευασμένη μορφή. Στην περίπτωση του υπερηχητικά προεπεξεργασμένου μορντενίτη, παρατηρήθηκε αλλοιωμένο κρυσταλλικό σχήμα και πιο ομοιογενής μορφολογία.
Συνοπτικά, η τρέχουσα μελέτη έδειξε ότι η υπερηχητική προεπεξεργασία της γέλης σύνθεσης επηρέασε τις διάφορες ιδιότητες του λαμβανόμενου μορντενίτη, με αποτέλεσμα

1. πιο ομοιογενές μέγεθος και μορφολογία κρυστάλλων, απουσία ανεπιθύμητων κρυστάλλων που μοιάζουν με ίνες και βελόνες.
2. λιγότερα δομικά ελαττώματα.
3. σημαντική προσβασιμότητα μικροπόρων στο δείγμα μορντενίτη όπως παρασκευάζεται (σε σύγκριση με τους φραγμένους μικροπόρους 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 κατιόντων Na+ (ο πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τις ιδιότητες ρόφησης των ως κατασκευασμένων υλικών).

Η μείωση των δομικών ελαττωμάτων με υπερήχων προεπεξεργασία της γέλης σύνθεσης μπορεί να είναι ένας εφικτός τρόπος για την επίλυση του κοινού προβλήματος της "μη ιδανικής" δομής σε συνθετικούς μορντενίτες. 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 χρονοβόρα και χρονοβόρα παραδοσιακή μετασυνθετική θεραπεία (η οποία, αντίθετα, οδηγεί στη δημιουργία δομικών ελαττωμάτων). Επιπλέον, ο μικρότερος αριθμός ομάδων σιλανόλης μπορεί να συμβάλει σε μεγαλύτερη καταλυτική διάρκεια ζωής του παρασκευασμένου μορντενίτη.
(πρβλ. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) μελέτησε τις επιδράσεις των υπερήχων χρησιμοποιώντας το Hielscher ultrasonicator UP200S σε ζεόλιθους H-mordite και H-bet. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η υπερήχηση είναι μια αποτελεσματική τεχνική για την τροποποίηση H-mordite και H-Beta, που καθιστούν τους ζεόλιθους πιο κατάλληλους για την παραγωγή διμεθυλαιθέρα (DME) μέσω αφυδάτωσης μεθανόλης.

Υπερήχων σύνθεση των νανοκρυστάλλων SAPO-34

Μέσω sonochemical οδού, SAPO-34 (μοριακά κόσκινα πυριτοαργιλοφωσφορικού, μια κατηγορία ζεολίθων) συντέθηκαν επιτυχώς σε νανοκρυσταλλική μορφή χρησιμοποιώντας το TEAOH ως παράγοντα κατεύθυνσης δομής (SDA). Για υπερήχους, ο υπερηχητικός τύπος καθετήρα Hielscher UP200S (24kHz, 200 watt) χρησιμοποιήθηκε. Το μέσο μέγεθος κρυστάλλων του τελικού προϊόντος που παρασκευάζεται sonochemical είναι 50nm, το οποίο είναι σημαντικά μικρότερο μέγεθος κρυστάλλου σε σύγκριση με το μέγεθος των κρυστάλλων υδροθερμικής σύνθεσης. Όταν οι κρύσταλλοι SAPO-34 ήταν ηχοχημικά υπό υδροθερμικές συνθήκες, η επιφάνεια είναι σημαντικά υψηλότερη από την κρυσταλλική επιφάνεια των συμβατικά συντιθέμενων κρυστάλλων SAPO-34 μέσω στατικής υδροθερμικής τεχνικής με σχεδόν την ίδια κρυσταλλικότητα. Ενώ η συμβατική υδροθερμική μέθοδος απαιτεί τουλάχιστον 24 ώρες χρόνου σύνθεσης προκειμένου να ληφθεί πλήρως κρυσταλλικό SAPO-34, μέσω ηχοχημικά υποβοηθούμενης υδροθερμικής σύνθεσης πλήρως κρυσταλλικοί κρύσταλλοι SAPO-34 ελήφθησαν μετά από μόλις 1,5 ώρα αντίδρασης. Λόγω της εξαιρετικά έντονης υπερηχητικής ενέργειας, η κρυστάλλωση του ζεόλιθου SAPO-34 εντείνεται από την κατάρρευση των φυσαλίδων υπερήχων σπηλαίωσης. Η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης συμβαίνει σε λιγότερο από ένα νανοδευτερόλεπτο με αποτέλεσμα τοπικά την ταχεία άνοδο και πτώση των θερμοκρασιών, γεγονός που εμποδίζει την οργάνωση και τη συσσωμάτωση των σωματιδίων και οδηγεί σε μικρότερα μεγέθη κρυστάλλων. Το γεγονός ότι μικροί κρύσταλλοι SONO-SAPO-34 θα μπορούσαν να παρασκευαστούν με τη sonochemical μέθοδο υποδηλώνει υψηλή πυκνότητα πυρήνωσης στα αρχικά στάδια της σύνθεσης και αργή ανάπτυξη κρυστάλλων μετά την πυρήνωση. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι αυτή η μη συμβατική μέθοδος είναι μια πολύ χρήσιμη τεχνική για τη σύνθεση νανοκρυστάλλων SAPO-34 σε υψηλές αποδόσεις σε κλίμακα βιομηχανικής παραγωγής.
(πρβλ. Askari και Halladj, 2012)

Υπερήχων αποσυσσωμάτωση και διασπορά ζεολίθων

Όταν οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές, έρευνα ή επιστήμη υλικών, ο ξηρός ζεόλιθος αναμιγνύεται κυρίως σε υγρή φάση. Η διασπορά ζεολίθου απαιτεί μια αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική διασποράς, η οποία εφαρμόζει αρκετή ενέργεια για την αποσυσσωμάτωση των σωματιδίων του ζεόλιθου. Ultrasonicators είναι γνωστό ότι είναι ισχυρό και αξιόπιστο διασκορπιστές, ως εκ τούτου χρησιμοποιείται για να διασκορπίσει διάφορα υλικά όπως νανοσωλήνες, γραφένιο, ορυκτά και πολλά άλλα υλικά ομοιογενώς σε μια υγρή φάση.
Μια σκόνη ζεόλιθου που δεν έχει υποστεί επεξεργασία με υπερήχους συσσωματώνεται σημαντικά με μορφολογία κελύφους. Αντίθετα, μια επεξεργασία 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. Ramirez Medoza et al. 2020)
Για παράδειγμα, Ramirez Medoza et al. (2020) χρησιμοποίησε τον υπερηχητικό ανιχνευτή Hielscher UP200S για την κρυστάλλωση του ζεόλιθου NaX (δηλ. του ζεόλιθου X που συντίθεται σε μορφή νατρίου (NaX)) σε χαμηλή θερμοκρασία. Κατεργασία με υπερήχους κατά τη διάρκεια της πρώτης ώρας κρυστάλλωσης είχε ως αποτέλεσμα 20% μείωση του χρόνου αντίδρασης σε σύγκριση με μια τυπική διαδικασία κρυστάλλωσης. Επιπλέον, έδειξαν ότι η υπερήχηση μπορεί επίσης να μειώσει τον βαθμό συσσωμάτωσης της τελικής σκόνης εφαρμόζοντας υπερήχους υψηλής έντασης για μεγαλύτερη περίοδο υπερήχων.

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για σύνθεση ζεολίθου

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 υπερήχων Hielscher είναι ισχυροί και αξιόπιστοι, γεγονός που επιτρέπει την εγκατάσταση και λειτουργία υπό συνθήκες βαρέως τύπου. Οι ρυθμίσεις λειτουργίας είναι εύκολα προσβάσιμες και καλούνται μέσω διαισθητικού μενού, στο οποίο μπορείτε να έχετε πρόσβαση μέσω ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής και τηλεχειριστηρίου προγράμματος περιήγησης. Επομένως, όλες οι συνθήκες επεξεργασίας όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία καταγράφονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να αναθεωρήσετε και να συγκρίνετε προηγούμενες διαδρομές υπερήχων και να βελτιστοποιήσετε τη σύνθεση ζεόλιθου και τη διαδικασία διασποράς στην υψηλότερη απόδοση.
Hielscher Υπέρηχοι συστήματα χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για τις διαδικασίες κρυστάλλωσης και έχουν αποδειχθεί αξιόπιστα για τη σύνθεση υψηλής ποιότητας ζεόλιθους και ζεολιθικά παράγωγα. Hielscher βιομηχανική υπερήχων μπορεί εύκολα να τρέξει μεγάλα πλάτη σε συνεχή λειτουργία (24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα / 365). Πλάτη μέχρι 200μm μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν συνεχώς με τυποποιημένα sonotrodes (υπερηχητικοί ανιχνευτές / κέρατα). Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Λόγω της ευρωστίας και της χαμηλής συντήρησής τους, οι υπερήχων μας εγκαθίστανται συνήθως για εφαρμογές βαρέως τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Hielscher υπερήχων επεξεργαστές για sonochemical συνθέσεις, κρυστάλλωση και αποσυσσωμάτωση έχουν ήδη εγκατασταθεί παγκοσμίως σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διαδικασία παραγωγής ζεολίθου! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να μοιραστεί περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την οδό sonochemical σύνθεσης, τα συστήματα υπερήχων και την τιμολόγηση!
Με το πλεονέκτημα της μεθόδου σύνθεσης υπερήχων, η παραγωγή ζεολίθου σας θα υπερέχει σε αποτελεσματικότητα, απλότητα και χαμηλό κόστος σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες σύνθεσης ζεολίθου!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: