Tseoliitide süntees ja funktsionaliseerimine ultrahelitöötluse abil

Tseoliite, sealhulgas nano-tseoliite ja tseoliidi derivaate, saab tõhusalt ja usaldusväärselt sünteesida, funktsionaliseerida ja deagglomereerida, kasutades suure jõudlusega ultraheli. Ultraheli tseoliidi süntees ja ravi ületab tavapärase hüdrotermilise sünteesi tõhususe, lihtsuse ja lihtsa lineaarse mastaapsuse tõttu suurele tootmisele. Ultraheli sünteesitud tseoliidid näitavad head kristallilisust, puhtust ja kõrget funktsionaalsust poorsuse ja deagglomeratsiooni tõttu.

Tseoliitide ultraheli abil valmistamine

Tseoliidid on mikropoorsed kristalsed hüdraatunud alumiinosilikaadid, millel on absorbeerivad ja katalüütilised omadused.
Suure jõudlusega ultraheli rakendamine mõjutab ultraheli sünteesitud tseoliidi kristallide suurust ja morfoloogiat ning parandab nende kristallilisust. Lisaks vähendatakse kristalliseerumisaega drastiliselt, kasutades sonokeemilist sünteesiteed. Ultraheli abil tseoliidi sünteesi marsruute testiti ja arendati paljude tseoliidi tüüpide jaoks. Ultraheli tseoliidi sünteesi mehhanism põhineb paranenud massiülekandel, mille tulemuseks on kristallide kasvukiiruse suurenemine. See kristallide kasvukiiruse suurenemine suurendab seejärel tuumastumise kiirust. Lisaks mõjutab ultrahelitöötlus depolümerisatsiooni-polümerisatsiooni tasakaalu lahustuvate liikide kontsentratsiooni suurenemise kaudu, mis on vajalik tseoliidi moodustamiseks.
Üldiselt on erinevad uuringud ja piloottootmise seadistused tõestanud ultraheli tseoliidi sünteesi kui väga tõhusat aja ja kulude kokkuhoidu.

Tavapärane süntees vs tseoliitide ultraheli süntees

Kuidas tseoliiti tavapäraselt sünteesitakse?

Tavapärane tseoliidi süntees on väga aeganõudev hüdrotermiline protsess, mis võib vajada reaktsiooniaega mitu tundi kuni mitu päeva. Hüdrotermiline tee on tavaliselt partiiprotsess, kus tseoliidid sünteesitakse amorfsetest või lahustuvatest Si ja Al allikatest. Esialgses vananemisetapis koosneb reaktiivne geel struktuuri suunavast ainest (SDA) ning alumiiniumi ja ränidioksiidi allikad vanandatakse madalal temperatuuril. Selle vananemise esimese etapi käigus moodustuvad nn tuumad. Need tuumad on lähtematerjal, millest järgmises kristalliseerumisprotsessis kasvavad tseoliidi kristallid. Kristalliseerumise alustamisega tõstetakse geeli temperatuuri. See hüdrotermiline süntees viiakse tavaliselt läbi partiireaktorites. Partiiprotsessidega kaasneb aga töömahuka töö puudus.

Kuidas tseoliit sünteesitakse ultrahelitöötluse all?

Tseoliidi ultraheli süntees on kiire protseduur homogeense tseoliidi sünteesimiseks kergetes tingimustes. Näiteks sünteesiti 50nm tseoliidi kristalle sonokeemilisel teel toatemperatuuril. Kuigi tavapärane tseoliidi sünteesireaktsioon a võib kesta kuni mitu päeva, vähendab sonokeemiline tee sünteesi kestust mõne tunnini, vähendades seeläbi oluliselt reaktsiooniaega.
Tseoliidi ultraheli kristalliseerumist saab läbi viia partii või pidevate protsessidena, mis muudab rakenduse kergesti kohandatavaks keskkonna ja protsessi eesmärkidega. Lineaarse mastaapsuse tõttu saab ultraheli tseoliidi sünteesi usaldusväärselt üle kanda esialgsest partiiprotsessist tekstisisesele töötlemisele. Ultraheli töötlemine – partiina ja reas – võimaldab suuremat majanduslikku efektiivsust, kvaliteedikontrolli ja tegevuse paindlikkust.

FESEM mikrograaf liitiumi sisaldavast Bikitaite tseoliidist, mis on valmistatud a) ultrahelitöötlusega 3 tundi, b) vastava EDAX-iga, c) ultrahelitöötlusega, millele järgneb hüdrotermiline töötlemine 100 ° C juures 24 tundi, d) vastav EDAX.
(uuring ja pilt Roy ja Das, 2017)

Erinevate tseoliiditüüpide sonokeemilised sünteesiteed

Järgmises osas tutvustame erinevaid sonokeemilisi radu, mida on edukalt kasutatud erinevate tseoliiditüüpide sünteesimiseks. Uurimistulemused rõhutavad järjekindlalt ultraheli tseoliidi sünteesi paremust.

Li-sisaldava Bikitaite tseoliidi ultraheli süntees

Roy ja Das (2017) sünteesisid toatemperatuuril 50nm liitiumi sisaldavaid tseoliit Bikitaite kristalle, kasutades UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ultrasonikaator partii seadistamisel. Bikitaite tseoliidi edukat sonokeemilist moodustumist toatemperatuuril kinnitas edukalt sünteesitud liitiumi sisaldav Bikitaite tseoliit XRD ja IR analüüsi abil.
Kui sonokeemiline töötlemine kombineeriti tavapärase hüdrotermilise töötlusega, saavutati tseoliidi kristallide faaside moodustumine palju madalamal temperatuuril (100 ° C) võrreldes 300 ° C-ga 5 päeva jooksul, mis on tüüpilised väärtused tavapärase hüdrotermilise marsruudi jaoks. Sonikatsioon näitab olulist mõju kristalliseerumisajale ja tseoliidi faasi moodustumisele. Ultraheli sünteesitud Bikitaite tseoliidi funktsionaalsuse hindamiseks uuriti selle vesiniku ladustamisvõimsust. Ladustamismaht suureneb tseoliidi Li sisalduse suurenemisega.
Sonokeemiline tseoliidi moodustumine: XRD ja IR analüüs näitas, et puhta, nanokristalse Bikitaite tseoliidi moodustumine algas pärast 3 h ultraheliuuringut ja 72 h vananemist. Nano-suurusega kristalne Bikitaite tseoliit, millel on silmapaistvad piigid, saadi pärast 6-tunnist ultrahelitöötlusaega 250 W juures.
Eelised: Liitiumi sisaldava tseoliidi Bikitaite sonokeemiline sünteesitee pakub mitte ainult puhaste nanokristallide lihtsa tootmise eelist, vaid pakub ka kiiret ja kulutõhusat tehnikat. Ultraheli seadmete ja vajaliku energia kulud on teiste protsessidega võrreldes väga madalad. Lisaks on sünteesiprotsessi kestus väga lühike, nii et sonokeemilist protsessi peetakse kasulikuks meetodiks puhta energia rakendustes.
(vrd Roy et al. 2017)

Tseoliit Mordenite ettevalmistamine ultraheli all

Ultraheli eeltöötluse (MOR-U) rakendamisel saadud mordeniit näitas kasvanud graanulite 10 × 5 μm2 homogeensemat morfoloogiat ja nõelataoliste või kiuliste vormide märke. Ultraheli abil tehtud protseduuri tulemuseks oli materjal, millel olid paremad teksturaalsed omadused, eriti mikropoori maht, mis oli kättesaadav lämmastiku molekulidele as-made kujul. Ultraheli eeltöödeldud mordeniidi puhul täheldati muutunud kristallide kuju ja homogeensemat morfoloogiat.
Kokkuvõttes näitas praegune uuring, et sünteesigeeli ultraheli eeltöötlus mõjutas saadud mordeniidi erinevaid omadusi, mille tulemuseks oli

1. homogeensem kristallide suurus ja morfoloogia, soovimatute kiud- ja nõelataoliste kristallide puudumine;
2. vähem struktuurilisi defekte;
3. märkimisväärne mikropooride kättesaadavus valmistatud mordeniidiproovis (võrreldes klassikalise segamismeetodiga valmistatud materjalide blokeeritud mikropooridega enne sünteetilist töötlemist);
4. erinev Al organisatsioon, mille tulemuseks on väidetavalt Na+ katioonide erinevad positsioonid (kõige mõjukam tegur, mis mõjutab as-valmistatud materjalide sorptsiooniomadusi).

Struktuursete defektide vähendamine sünteesigeeli ultraheli eeltöötlusega võib olla teostatav viis sünteetiliste mordeenide "mitte-ideaalse" struktuuri levinud probleemi lahendamiseks. Lisaks sellele võib selles struktuuris suuremat sorptsioonivõimet saavutada lihtsa ja tõhusa ultraheli meetodiga, mida rakendatakse enne sünteesi, ilma aega- ja ressursimahuka traditsioonilise postsünteetilise ravita (mis vastupidi viib struktuuriliste defektide tekkeni). Veelgi enam, väiksem silanoolirühmade arv võib kaasa aidata ettevalmistatud mordeniidi pikemale katalüütilisele elueale.
(vrd Kornas et al. 2021)

SAPO-34 nanokristallide ultraheli süntees

Sonokeemilisel teel sünteesiti SAPO-34 (silikoaluminofosfaadi molekulaarsõelad, tseoliitide klass) edukalt nanokrstalliini kujul, kasutades TEAOH-d struktuuri suunava ainena (SDA). Ultrahelitöötluseks, Hielscheri sondi tüüpi ultrasonikaator UP200S (24kHz, 200 vatti) kasutati. Sonokeemiliselt valmistatud lõpptoote keskmine kristallide suurus on 50nm, mis on oluliselt väiksem kristallide suurus võrreldes hüdrotermiliselt sünteesitud kristallide suurusega. Kui SAPO-34 kristallid olid sonokeemiliselt hüdrotermilistes tingimustes, on pindala oluliselt suurem kui tavapäraselt sünteesitud SAPO-34 kristallide kristallide pindala staatilise hüdrotermilise tehnika abil, millel on peaaegu sama kristallilisus. Kui tavapärane hüdrotermiline meetod võtab täielikult kristalse SAPO-34 saamiseks vähemalt 24 tundi sünteesiaega, siis sonokeemiliselt hüdrotermilise sünteesi abil saadakse täielikult kristalsed SAPO-34 kristallid werde, mis saadakse alles 1,5-tunnise reaktsiooniaja järel. Tänu väga intensiivsele ultraheli energiale intensiivistub tseoliit SAPO-34 kristalliseerumist ultraheli kavitatsioonimullide kokkuvarisemine. Kavitatsioonimullide implosioon toimub vähem kui nanosekundis, mille tulemuseks on lokaalselt kiiresti tõusev ja langev temperatuur, mis takistab osakeste organiseerimist ja aglomeratsiooni ning viib väiksemate kristallide suurusteni. Asjaolu, et väikeseid SONO-SAPO-34 kristalle saab valmistada sonokeemilise meetodiga, viitab suurele tuumatihedusele sünteesi varases staadiumis ja aeglasele kristallide kasvule pärast tuumamist. Need tulemused viitavad sellele, et see ebatavaline meetod on väga kasulik meetod SAPO-34 nanokristallide sünteesiks suure saagikusega tööstusliku tootmise skaalal.
(vrd Askari ja Halladj; 2012)

Tseoliitide ultraheli deagglomeratsioon ja dispersioon

Kui tseoliite kasutatakse tööstuslikes rakendustes, teadusuuringutes või materjaliteaduses, segatakse kuiv tseoliit enamasti vedelaks faasiks. Tseoliidi dispersioon nõuab usaldusväärset ja tõhusat dispergeerimistehnikat, mis rakendab piisavalt energiat tseoliidiosakeste deagglomeratsiooniks. Ultrasonikaatorid on teadaolevalt võimsad ja usaldusväärsed dispergeerijad, seetõttu kasutatakse neid erinevate materjalide, näiteks nanotorude, grafeeni, mineraalide ja paljude teiste materjalide homogeenseks hajutamiseks vedelasse faasi.
Tseoliidipulber, mida ultraheliga ei töödelda, on märkimisväärselt aglomeeritud kestataolise morfoloogiaga. Seevastu näib, et 5-minutiline ultrahelitöötlus (200 ml proov, mis on töödeldud 320 W juures) hävitab enamiku kestataolistest kujunditest, mille tulemuseks on hajutatum lõpppulber. (vrd Ramirez Medoza et al. 2020)
Näiteks Ramirez Medoza jt (2020) kasutasid Hielscheri sondi ultrasonikaatorit UP200S kristalliseerida NaX tseoliit (st naatriumvormis (NaX) sünteesitud tseoliit X) madalal temperatuuril. Sonikatsioon kristalliseerumise esimesel tunnil vähendas reaktsiooniaega 20% võrreldes tavalise kristalliseerumisprotsessiga. Lisaks näitasid nad, et ultrahelitöötlus võib vähendada ka lõpliku pulbri aglomeratsiooni astet, rakendades suure intensiivsusega ultraheli pikemaks ultrahelitöötlusperioodiks.

Suure jõudlusega ultrasonikaatorid tseoliidi sünteesiks

Hielscheri ultrasonikaatorite keerukas riistvara ja nutikas tarkvara on loodud usaldusväärse töö, reprodutseeritavate tulemuste ja kasutajasõbralikkuse tagamiseks. Hielscheri ultrasonikaatorid on tugevad ja usaldusväärsed, mis võimaldab paigaldada ja kasutada raskeveokite tingimustes. Tööseadetele pääseb hõlpsasti juurde ja neid saab valida intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb juurde digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlemistingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil vaadata ja võrrelda varasemaid ultrahelitöötluse käike ning optimeerida tseoliidi sünteesi ja dispersiooniprotsessi kõrgeima efektiivsusega.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas kristallimisprotsesside jaoks ja need on osutunud usaldusväärseks kvaliteetsete tseoliitide ja tseoliidi derivaatide sünteesiks. Hielscheri tööstuslikud ultrasonikaatorid võivad pidevas töös kergesti käivitada kõrge amplituudiga (24/7/365). Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt genereerida standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / sarved). Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Tänu oma vastupidavusele ja madalale hooldusele paigaldatakse meie ultrasonikaatorid tavaliselt raskeveokite rakenduste jaoks ja nõudlikes keskkondades.
Hielscheri ultraheli protsessorid sonokeemiliste sünteeside, kristalliseerumise ja deagglomeratsiooni jaoks on juba kaubanduslikul tasandil paigaldatud kogu maailmas. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma tseoliidi tootmisprotsessi! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega rohkem teavet sonokeemilise sünteesi raja, ultraheli süsteemide ja hinnakujunduse kohta!
Ultraheli sünteesi meetodi eeliseks on teie tseoliidi tootmine teiste tseoliidi sünteesiprotsessidega võrreldes tõhus, lihtne ja odav!

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: