سنتز و عاملدار سازی زئولیت ها با استفاده از فراصوت

زئولیت ها از جمله نانو زئولیت ها و مشتقات زئولیت را می توان به طور کارآمد و قابل اعتماد سنتز، عامل دار و deagglomerate با استفاده از اولتراسونیک با کارایی بالا انجام داد. سنتز زئولیت اولتراسونیک و درمان برتری سنتز هیدروترمال معمولی با بهره وری، سادگی، و مقیاس پذیری خطی ساده به تولید بزرگ. زئولیت های سنتز شده با التراسونیک نشان می دهد تبلور خوب، خلوص و همچنین درجه بالایی از عملکرد به دلیل تخلخل و deagglomeration.

آماده سازی زئولیت ها به کمک سونوگرافی

زئولیت ها آلومینوسیلیکات های هیدراته کریستالی ریز متخلخل با خاصیت جاذب و کاتالیزوری هستند.
استفاده از سونوگرافی با کارایی بالا بر اندازه و مورفولوژی کریستال های زئولیت سنتز شده به صورت اولتراسونیک تأثیر می گذارد و تبلور آنها را بهبود می بخشد. علاوه بر این، زمان تبلور با استفاده از یک مسیر سنتز سونوشیمیایی به شدت کاهش می یابد. مسیرهای سنتز زئولیت به کمک التراسونیک برای انواع زئولیت های متعدد آزمایش و توسعه داده شد. مکانیسم سنتز زئولیت مافوق صوت بر اساس انتقال جرم بهبود یافته است که منجر به افزایش سرعت رشد کریستال می شود. این افزایش در سرعت رشد کریستال متعاقبا منجر به افزایش سرعت هسته زایی می شود. علاوه بر این، فراصوت از طریق افزایش غلظت گونه های محلول، که برای تشکیل زئولیت مورد نیاز است، تعادل پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون را تحت تاثیر قرار می دهد.
به طور کلی، مطالعات تحقیقاتی مختلف و راه اندازی تولید در مقیاس آزمایشی سنتز زئولیت مافوق صوت را به عنوان صرفه جویی در وقت و هزینه بسیار کارآمد ثابت کرده اند.

سنتز معمولی در مقابل سنتز اولتراسونیک زئولیت ها

زئولیت چگونه به طور متعارف سنتز می شود؟

سنتز زئولیت معمولی یک فرآیند هیدروترمال بسیار زمان بر است که می تواند به زمان واکنش از چند ساعت تا چند روز نیاز داشته باشد. مسیر گرمابی معمولا یک فرآیند دسته ای است که در آن زئولیت ها از منابع آمورف یا محلول Si و Al سنتز می شوند. در مرحله پیری اولیه، ژل واکنشی توسط یک عامل هدایت کننده ساختار (SDA) تشکیل می شود و منابع آلومینیوم و سیلیس در دمای پایین کهنه می شوند. در طی این اولین مرحله پیری ، به اصطلاح هسته تشکیل می شود. این هسته ها ماده اولیه ای هستند که در فرآیند تبلور زیر بلورهای زئولیت از آنها رشد می کنند. با شروع تبلور ، دمای ژل افزایش می یابد. این سنتز هیدروترمال معمولا در راکتورهای دسته ای انجام می شود. با این حال، فرآیندهای دسته ای با اشکال عملکرد فشرده کار همراه است.

زئولیت چگونه تحت فراصوت سنتز می شود؟

سنتز اولتراسونیک زئولیت روش سریع برای سنتز زئولیت همگن در شرایط خفیف است. به عنوان مثال، بلورهای زئولیت 50 نانومتری از طریق مسیر سونوشیمیایی در دمای اتاق سنتز شدند. در حالی که واکنش سنتز زئولیت معمولی A می تواند تا چند روز طول بکشد، مسیر سونوشیمیایی مدت زمان سنتز را به چند ساعت کاهش می دهد و در نتیجه زمان واکنش را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
تبلور اولتراسونیک زئولیت را می توان به عنوان فرآیندهای دسته ای یا پیوسته انجام داد، که باعث می شود برنامه به راحتی با محیط زیست و اهداف فرآیند سازگار باشد. با توجه به مقیاس پذیری خطی، سنتز زئولیت مافوق صوت را می توان به طور قابل اعتماد از فرآیند دسته ای اولیه به پردازش درون خطی منتقل کرد. پردازش اولتراسونیک – به صورت دسته ای و درون خطی – امکان بهره وری اقتصادی برتر، کنترل کیفیت و انعطاف پذیری عملیاتی را فراهم می کند.

مسیرهای سنتز سونوشیمیایی از انواع مختلف زئولیت

در بخش بعدی، مسیرهای مختلف سونوشیمیایی را معرفی می کنیم که با موفقیت برای سنتز انواع زئولیت استفاده شده اند. نتایج تحقیقات به طور مداوم تاکید برتری سنتز زئولیت مافوق صوت.

سنتز التراسونیک زئولیت Bikitaite حاوی لیتیوم

روی و داس (2017) کریستال های زئولیت بیکیتایت حاوی لیتیوم 50 نانومتری را در دمای اتاق با استفاده از UIP1500hdT (20 کیلوهرتز، 1.5 کیلو وات) ultrasonicator در راه اندازی دسته ای. تشکیل موفقیت آمیز سونوشیمیایی زئولیت بیکیتایت در دمای اتاق با سنتز موفقیت آمیز زئولیت بیکیتایت حاوی لیتیوم توسط آنالیز XRD و IR تأیید شد.
هنگامی که تیمار سونوشیمیایی با تیمار هیدروترمال معمولی ترکیب شد، تشکیل فازی بلورهای زئولیت در دمای بسیار پایین تر (100 درجه سانتیگراد) در مقایسه با دمای 300 درجه سانتیگراد به مدت 5 روز به دست آمد که مقادیر معمولی برای مسیر گرمابی معمولی است. فراصوت تأثیر قابل توجهی بر زمان تبلور و تشکیل فازی زئولیت دارد. به منظور ارزیابی عملکرد زئولیت Bikitaite سنتز شده به صورت فراصوتی، ظرفیت ذخیره هیدروژن آن مورد بررسی قرار گرفت. حجم ذخیره با افزایش محتوای لیتیوم زئولیت افزایش می یابد.
تشکیل زئولیت سونوشیمیایی: آنالیز XRD و IR نشان داد که تشکیل زئولیت خالص و نانو کریستالی Bikitaite پس از 3 ساعت فراصوت و 72 ساعت پیری آغاز می شود. زئولیت Bikitaite کریستالی نانو با قله های برجسته پس از 6 ساعت زمان فراصوت در 250 وات به دست آمد.
مزایای: مسیر سنتز سونوشیمیایی زئولیت حاوی لیتیوم Bikitaite نه تنها مزیت تولید ساده نانو کریستال های خالص را ارائه می دهد، بلکه یک تکنیک سریع و مقرون به صرفه را نیز ارائه می دهد. هزینه های تجهیزات اولتراسونیک و انرژی مورد نیاز در مقایسه با سایر فرآیندها بسیار کم است. علاوه بر این، مدت زمان فرآیند سنتز بسیار کوتاه است، به طوری که فرآیند سونوشیمیایی به عنوان یک روش مفید برای کاربردهای انرژی پاک در نظر گرفته می شود.
(رجوع کنید به روی و همکاران 2017)

آماده سازی زئولیت موردنیت تحت فراصوت

موردنایت به دست آمده با استفاده از پیش تیمار اولتراسونیک (MOR-U) مورفولوژی همگن تری از گلوله های رشد یافته 10 × 5 میکرومتر مربع را نشان داد و هیچ نشانه ای از سوزن مانند یا فیبری تشکیل شد. روش به کمک سونوگرافی منجر به ماده ای با ویژگی های بافتی بهبود یافته، به ویژه حجم میکرو منافذ قابل دسترسی برای مولکول های نیتروژن به شکل ساخته شده شد. در مورد موردنیت پیش تصفیه شده با التراسون، تغییر شکل کریستال و مورفولوژی همگن تر مشاهده شد.
به طور خلاصه، مطالعه حاضر نشان داد که پیش تیمار اولتراسونیک ژل سنتز بر خواص مختلف موردنیت به دست آمده تأثیر می گذارد و در نتیجه

1. اندازه و مورفولوژی کریستال همگن تر، عدم وجود کریستال های فیبر و سوزنی نامطلوب.
2. نقص ساختاری کمتر؛
3. دسترسی قابل توجه به ریزحفره ها در نمونه موردنیت ساخته شده (در مقایسه با ریزحفره های مسدود شده در مواد تهیه شده به روش همزن کلاسیک، قبل از درمان پس از سنتز)؛
4. سازمان آلومینیوم متفاوت، ظاهرا منجر به موقعیت های مختلف کاتیون های Na+ (تأثیرگذارترین عامل موثر بر خواص جذب مواد ساخته شده) می شود.

کاهش نقص ساختاری با پیش تصفیه اولتراسونیک ژل سنتز ممکن است یک راه عملی برای حل مشکل رایج ساختار "غیر ایده آل" در موردنیت های مصنوعی باشد. علاوه بر این، ظرفیت جذب بالاتر در این ساختار را می توان با یک روش اولتراسونیک آسان و کارآمد که قبل از سنتز اعمال می شود، بدون زمان و منابع مصرف درمان سنتی پس از سنتز (که برعکس، منجر به ایجاد نقص های ساختاری) می شود، به دست آورد. علاوه بر این، تعداد کمتر گروه های سیلانول می تواند به طول عمر کاتالیزوری طولانی تر موردنیت تهیه شده کمک کند.
(رجوع کنید به کورناس و همکاران 2021)

سلیمن و همکاران (2013) اثرات سونوگرافی را با استفاده از اولتراسونیک Hielscher مورد مطالعه قرار دادند UP200S در زئولیت های H-موردیت و H-bet. آنها به این نتیجه رسیدند که فراصوت یک روش موثر برای اصلاح H-موردیت و H-Beta است, که زئولیت مناسب تر برای تولید دی متیل اتر (DME) از طریق کم آبی متانول.

سنتز التراسونیک نانوکریستال های SAPO-34

از طریق مسیر سونوشیمیایی، SAPO-34 (غربال های مولکولی silicoaluminophosphate، دسته ای از زئولیت ها) با موفقیت به صورت نانوکرستالین با استفاده از TEAOH به عنوان عامل هدایت کننده ساختار (SDA) سنتز شدند. برای فراصوت، مافوق صوت کاوشگر Hielscher نوع UP200S (24 کیلوهرتز، 200 وات) استفاده شد. میانگین اندازه کریستال محصول نهایی تهیه شده به صورت سونوشیمیایی 50 نانومتر است که در مقایسه با اندازه کریستال های سنتز شده با هیدروترمال ، اندازه کریستال بسیار کوچکتر است. هنگامی که کریستال های SAPO-34 از نظر سونوشیمیایی تحت شرایط گرمابی قرار گرفتند، مساحت سطح به طور قابل توجهی بیشتر از سطح کریستال های بلورهای SAPO-34 سنتز شده به طور معمول با روش هیدروترمال استاتیک با تبلور تقریبا یکسان است. در حالی که روش هیدروترمال مرسوم حداقل 24 ساعت زمان سنتز را برای به دست آوردن SAPO-34 کاملا کریستالی طول می کشد، از طریق سنتز هیدروترمال به کمک سونوشیمیایی، کریستال های کاملا کریستالی SAPO-34 تنها پس از 1.5 ساعت زمان واکنش به دست می آیند. با توجه به انرژی اولتراسونیک بسیار شدید، تبلور زئولیت SAPO-34 با فروپاشی حباب های حفره اولتراسونیک تشدید می شود. انفجار حباب های کاویتاسیون در کمتر از یک نانوثانیه اتفاق می افتد که به صورت موضعی باعث افزایش و کاهش سریع دما می شود که از سازماندهی و تجمع ذرات جلوگیری می کند و منجر به کوچکتر شدن اندازه های کریستال می شود. این واقعیت که کریستال های کوچک SONO-SAPO-34 را می توان با روش سونوشیمیایی تهیه کرد، نشان دهنده چگالی هسته ای بالا در مراحل اولیه سنتز و رشد کندی کریستال پس از هسته زایی است. این نتایج نشان می دهد که این روش غیر متعارف یک روش بسیار مفید برای سنتز نانوکریستال های SAPO-34 با بازده بالا در مقیاس تولید صنعتی است.
(رجوع کنید به عسکری و هالاج؛ 2012)

التراسونیک Deagglomeration و پراکندگی زئولیت ها

هنگامی که زئولیت ها در کاربردهای صنعتی، تحقیقات یا علوم مواد استفاده می شوند، زئولیت خشک بیشتر در یک فاز مایع مخلوط می شود. پراکندگی زئولیت به یک تکنیک پراکندگی قابل اعتماد و موثر نیاز دارد که انرژی کافی را برای گلوگلومره زدایی ذرات زئولیت اعمال می کند. مافوق صوت به خوبی شناخته شده به پراکنده کننده های قدرتمند و قابل اعتماد، بنابراین مورد استفاده برای پراکنده کردن مواد مختلف مانند نانولوله، گرافن، مواد معدنی و بسیاری از مواد دیگر به طور همگن به یک فاز مایع.
پودر زئولیت که توسط سونوگرافی درمان نمی شود به طور قابل توجهی با مورفولوژی پوسته مانند آگلومره می شود. در مقابل، درمان فراصوت 5 دقیقه (200 میلی لیتر نمونه فراصوت در 320 وات) به نظر می رسد برای از بین بردن بسیاری از اشکال پوسته مانند، که منجر به پودر نهایی پراکنده تر. (رجوع کنید به رامیرز مدوزا و همکاران 2020)
به عنوان مثال، رامیرز مدوزا و همکاران (2020) از اولتراسونیک پروب Hielscher استفاده کردند UP200S برای تبلور زئولیت NaX (یعنی زئولیت X سنتز شده به شکل سدیم (NaX)) در دمای پایین. فراصوت در ساعت اول تبلور منجر به کاهش 20 درصدی زمان واکنش در مقایسه با فرآیند کریستالیزاسیون استاندارد شد. علاوه بر این، آنها نشان دادند که فراصوت همچنین می تواند درجه تجمع پودر نهایی را با استفاده از سونوگرافی با شدت بالا برای یک دوره فراصوت طولانی تر کاهش دهد.

مافوق صوت با کارایی بالا برای سنتز زئولیت

سخت افزار پیچیده و نرم افزار هوشمند از مافوق صوت Hielscher طراحی شده اند برای تضمین عملیات قابل اعتماد، نتایج تکرارپذیر و همچنین کاربر پسند. مافوق صوت Hielscher قوی و قابل اعتماد هستند، که اجازه می دهد تا در شرایط سنگین نصب و عمل می شود. تنظیمات عملیاتی را می توان به راحتی از طریق منوی بصری که از طریق نمایشگر لمسی رنگی دیجیتال و کنترل از راه دور مرورگر قابل دسترسی است، قابل دسترسی است. بنابراین، تمام شرایط پردازش مانند انرژی خالص، انرژی کل، دامنه، زمان، فشار و دما به طور خودکار بر روی یک کارت SD داخلی ثبت می شود. این اجازه می دهد تا شما را به تجدید نظر و مقایسه اجرای فراصوت قبلی و بهینه سازی سنتز زئولیت و فرایند پراکندگی به بالاترین راندمان.
سیستم های مافوق صوت Hielscher در سراسر جهان برای فرآیندهای تبلور استفاده می شود و ثابت شده است که قابل اعتماد برای سنتز زئولیت ها و مشتقات زئولیت با کیفیت بالا. مافوق صوت صنعتی Hielscher به راحتی می تواند دامنه های بالا در عملیات مداوم اجرا (24/7/365). دامنه های تا 200 میکرومتر را می توان به راحتی به طور مداوم با سونوترودهای استاندارد (پروب ها / شاخ های اولتراسونیک) تولید کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند. با توجه به استحکام و نگهداری کم آنها، مافوق صوت ما معمولا برای کاربردهای سنگین و در محیط های خواستار نصب شده است.
پردازنده های مافوق صوت Hielscher برای سنتز سونوشیمیایی، تبلور و deagglomeration در حال حاضر در سراسر جهان در مقیاس تجاری نصب شده است. اکنون با ما تماس بگیرید تا در مورد فرآیند تولید زئولیت خود صحبت کنید! کارکنان با تجربه ما خوشحال خواهند شد که اطلاعات بیشتری را در مورد مسیر سنتز سونوشیمیایی، سیستم های اولتراسونیک و قیمت گذاری به اشتراک بگذارند!
با استفاده از روش سنتز اولتراسونیک ، تولید زئولیت شما در مقایسه با سایر فرآیندهای سنتز زئولیت از نظر کارایی ، سادگی و هزینه کم برتری خواهد داشت!

جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد: