Zeoliittien synteesi ja funktionalisointi sonikoinnin avulla

Zeoliitit, mukaan lukien nano-zeoliitit ja zeoliittijohdannaiset, voidaan tehokkaasti ja luotettavasti syntetisoida, funktionalisoida ja deagglomeroida korkean suorituskyvyn ultrasonication avulla. Ultraääni-zeoliittisynteesi ja -hoito ovat erinomaisia perinteisessä hydrotermisynteesissä tehokkuuden, yksinkertaisuuden ja yksinkertaisen lineaarisen skaalautuvuuden avulla suureen tuotantoon. Ultraäänellä syntetisoidut zeoliitit osoittavat hyvää kiteytymistä, puhtautta sekä korkeaa toiminnallisuutta huokoisuuden ja deagglomeroinnin vuoksi.

Zeoliittien ultraääniavusteinen valmistelu

Zeoliitit ovat mikroporoosisia kiteisiä hydratoituja aluminosilikaatteja, joilla on imukykyisiä ja katalyyttisiä ominaisuuksia.
Korkean suorituskyvyn ultraäänen soveltaminen vaikuttaa ultraäänisesti syntetisoitujen zeoliittikiteiden kokoon ja morfologiaan ja parantaa niiden kiteytyneisyyttä. Lisäksi kiteytysaika lyhenee huomattavasti sonokemiallista synteesiä käyttäen. Ultraäänellä avustettuja zeoliittisynteesireittejä testattiin ja kehitettiin lukuisille zeoliittityypeille. Ultraääni-zeoliittisynteesin mekanismi perustuu lisääntyneeseen massansiirtoon, joka johtaa lisääntyneeseen kristallin kasvuvauhtiin. Tämä kiteiden kasvuvauhdissa on sittemmin lisääntynyt ydin. Lisäksi sonikaatio vaikuttaa depolymerointi-polymerisaatiotasa-tasapainoon liukoisten lajien pitoisuuden lisääntymisen kautta, jota tarvitaan zeoliittimuodostukseen.
Kaiken kaikkiaan erilaiset tutkimukset ja pilottituotannon asetukset ovat osoittaneet ultraääni-zeoliittisynteesin erittäin tehokkaaksi ajan ja kustannusten säästöksi.

Perinteinen synteesi vs. zeoliitit ultraäänisynteesi

Miten zeoliitti syntetisoidaan perinteisesti?

Perinteinen zeoliittisynteesi on hyvin aikaa vievä hydroterminen prosessi, joka voi vaatia reaktioaikoja useista tunneista useisiin päiviin. Hydroterminen reitti on yleensä eräprosessi, jossa zeoliitit syntetisoidaan amorfisista tai liukoisista Si- ja Al-lähteistä. Ensimmäisessä ikääntymisvaiheessa reaktiivinen geeli koostuu rakennetta ohjaavalla aineella (SDA), ja alumiinin ja piidioksidin lähteet vanhennevat alhaisessa lämpötilassa. Tämän ikääntymisen ensimmäisen vaiheen aikana muodostuu niin sanottuja ytimiä. Nämä ytimet ovat lähtöaine, josta seuraavassa kiteytysprosessissa zeoliittikiteet kasvavat. Kiteytyksen aloittamisen jälkeen geelin lämpötila nousee. Tämä hydroterminen synteesi tehdään yleensä eräreaktoreissa. Eräprosesseihin tulee kuitenkin työvoimavaltaisen toiminnan haittapuoli.

Miten zeoliitti syntetisoidaan sonikaatiossa?

Zeoliittien ultraäänisynteesi on nopea menettely homogeenisen zeoliitin syntetisoimiseksi lievissä olosuhteissa. Esimerkiksi 50nm zeoliittikiteet syntetisoitiin sonokemiallista reittiä huoneenlämmössä. Vaikka tavanomainen zeoliittisynteesireaktio a voi kestää jopa useita päiviä, sonokemiallinen reitti lyhentää synteesin keston muutamaan tuntiin, mikä lyhentää merkittävästi reaktioaikaa.
Zeoliitin ultraäänikiteet voidaan suorittaa eränä tai jatkuvina prosesseina, mikä tekee sovelluksesta helposti muunneltavissa ympäristöön ja prosessitavoitteisiin. Lineaarisen skaalautuvuuden vuoksi ultraääni-zeoliittisynteesit voidaan luotettavasti siirtää alkuperäisestä eräprosessista inline-käsittelyyn. Ultraääni prosessointi – erässä ja jonossa – mahdollistaa ylivoimaisen taloudellisen tehokkuuden, laadunvalvonnan ja toiminnan joustavuuden.

Eri zeoliittityyppien sonokemialliset synteesireitit

Seuraavassa osassa esittelemme erilaisia sonokemiallisia reittejä, joita on käytetty onnistuneesti eri zeoliittityyppien syntetisoimiseksi. Tutkimustulokset korostavat johdonmukaisesti ultraääni-zeoliittisynteesin paremmuutta.

Li:tä sisältävän bikitaiitti zeoliittisynteesin ultraäänisynteesi

Roy ja Das (2017) syntetisoivat 50nm litiumia sisältävät zeoliittibikitaiittikiteet huoneenlämmössä UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ultraäänilaite eräasetuksissa. Bikitaiiitti-zeoliittien onnistunut sonokemiallinen muodostuminen huoneenlämmössä vahvistettiin onnistuneesti syntetisoidulla litiumia sisältävällä bikitaiitti-zeoliitilla XRD: n ja IR: n analyysillä.
Kun sonokemiallinen käsittely yhdistettiin tavanomaiseen hydrotermiseen hoitoon, zeoliittikiteiden faasin muodostuminen saavutettiin paljon alhaisemmassa lämpötilassa (100ºC) verrattuna 300ºC: seen 5 päivän ajan, jotka ovat tyypillisiä arvoja tavanomaiselle hydrotermiselle reitille. Sonikaatiolla on merkittäviä vaikutuksia zeoliittien kiteytymisaikaan ja faasin muodostumiseen. Ultraäänellä syntetisoitujen bikitaiitti zeoliittien toimivuuden arvioimiseksi tutkittiin sen vedyn varastointikapasiteettia. Zeoliittipitoisuuden kasvaessa tallennustilavuus kasvaa.
Sonokemiallinen zeoliittimuodostus: XRD- ja IR-analyysi osoitti, että puhtaan, nanokiteisen bikitaititiili-zeoliittimuodostuma alkoi 3 tunnin ultraäänen ja 72 tunnin ikääntymisen jälkeen. Nanokokoinen kiteinen bikitaiitti zeoliitti, jossa on näkyviä huippuja, saatiin 6 tunnin sonikaatioajan jälkeen 250 W: n nopeudella.
edut: Litiumia sisältävän zeoliittibikitaiitin sonokemiallinen synteesireitti tarjoaa paitsi puhtaiden nanokiteiden yksinkertaisen tuotannon edun, myös nopean ja kustannustehokkaan tekniikan. Ultraäänilaitteiden kustannukset ja tarvittava energia ovat hyvin alhaiset verrattuna muihin prosesseihin. Lisäksi synteesiprosessin kesto on hyvin lyhyt, joten sonokemiallista prosessia pidetään hyödyllisenä menetelmänä puhtaan energian sovelluksille.
(vrt. Roy ym. 2017)

Zeolite Mordenite -valmiste ultrasonicationissa

Ultraäänikäsitteen (MOR-U) avulla saadussa mordeniitissa oli homogeenisempi morfologia intergrown-pelleteistä 10 × 5 μm2 eikä merkkejä neulan kaltaisista tai kuitumaisesta muodostumisesta. Ultraääniavusteinen menettely johti materiaaliin, jolla oli paremmat tekstuaaliset ominaisuudet, erityisesti typpimolekyylien käytettävissä oleva mikro-itiötilavuus sellaisenaan. Ultraäänellä esikäsitellyssä mordeniitissa havaittiin muuttunutta kristallin muotoa ja homogeenisempaa morfologiaa.
Yhteenvetona voidaan tässä tutkimuksessa osoittaa, että synteesigeelin ultraääninen esikäsitely vaikutti saadun mordeniitin eri ominaisuuksiin, mikä johti

1. homogeenisempi kristallin koko ja morfologia, ei-toivottu kuitu- ja neulamainen kiteet;
2. vähemmän rakenteellisia vikoja;
3. merkittävä mikro-itiöiden saatavuus mordeniittinäytteessä (verrattuna klassisella sekoitusmenetelmällä valmistettujen materiaalien tukkeutuihin mikro-itiöihin ennen synteettistä jälkikäsittelyä);
4. eri Al-organisaatiossa, mikä oletettavasti johtaa erilaisiin Na+ -kations-asemiin (vaikuttavin tekijä, joka vaikuttaa valmistettujen materiaalien sorptio-ominaisuuksiin).

Rakenteellisten vikojen vähentäminen synteesigeelin ultraäänikäsitelmällä voi olla toteuttamiskelpoinen tapa ratkaista synteettisten mordeniittien "ei-ihanteellisen" rakenteen yleinen ongelma. Lisäksi suurempi sorptiokyky tässä rakenteessa voitaisiin saavuttaa helpolla ja tehokkaalla ultraäänimenetelmällä, jota käytetään ennen synteesiä, ilman aikaa ja resursseja kuluttavaa perinteistä postsynteettistä käsittelyä (mikä päinvastoin johtaa rakenteellisten vikojen syntymiseen). Lisäksi silanoliryhmien pienempi määrä voi edistää valmistetun mordeniitin pidempää katalyyttistä käyttöikää.
(vrt. Kornas ym. 2021)

Solyman et al. (2013) tutki ultraäänen vaikutuksia Hielscher-ultraäänilaitetta käyttäen Up200s H-mordite- ja H-bet zeolites -ylle. Ne tulivat siihen tulokseen, että sonikaatio on tehokas tekniikka H-mordiitti- ja H-Beta-muuntamiseen, mikä tekee zeoliiteista tarkoituksenmukaisempia dimetyylieetterien (DME) tuotantoon metanolin dehydratoinnin avulla.

SAPO-34 Nanokiteen ultraäänisynteesi

Sonokemiallista reittiä pitkin SAPO- 34 (silicoaluminofosfaattimolekyyliseulat, zeoliittien luokka) syntetisoitiin onnistuneesti nanokrstalliinimuodossa käyttäen TEAOH: ta rakenteen ohjaavana aineena (SDA). Sonikaatiota varten Hielscher-anturityyppinen ultraäänilaite UP200S (24kHz, 200 wattia) käytettiin. Sonokemiallisesti valmistetun lopputuotteen keskimääräinen kristallikoko on 50 nm, mikä on huomattavasti pienempi kristallikoko verrattuna hydrotermiseen syntetisoitujen kiteiden kokoon. Kun SAPO-34-kiteet olivat sonokemiallisesti hydrotermisissä olosuhteissa, pinta-ala on huomattavasti korkeampi kuin perinteisesti syntetisoitujen SAPO-34-kiteiden kristallipinta-ala staattisen hydrotermisen tekniikan avulla lähes samalla kiteydellä. Vaikka tavanomainen hydroterminen menetelmä kestää vähintään 24 tuntia synteesiaikaa täysin kiteisen SAPO-34:n saamiseksi, sonokemiallisesti avustetun hydrotermisen synteesin avulla täysin kiteinen SAPO-34-kiteet, jotka on saatu vain 1, 5 tunnin reaktioajan jälkeen. Erittäin voimakkaan ultraäänienergian vuoksi zeoliitti SAPO-34-kiteytystä voimistaa ultraäänikavitaatiokuplien romahtaminen. Kavitaatiokuplien luhistuminen tapahtuu alle nanosekunnin aikana, mikä johtaa paikallisesti nopeasti nouseviin ja laskevaan lämpötilaan, mikä estää hiukkasten organisoinnin ja taajaman ja johtaa pienempiin kristallikokoihin. Se, että pienet SONO-SAPO-34-kiteet voitaisiin valmistaa sonokemiallisella menetelmällä, viittaa korkeaan ytimen tiheyteen synteesin alkuvaiheessa ja hitaaseen kiteiden kasvuun ytimen jälkeen. Nämä tulokset viittaavat siihen, että tämä epätavallinen menetelmä on erittäin hyödyllinen tekniikka SAPO-34-nanokiteen synteesiin, jonka tuotto on suuri teollisen tuotannon mittakaavassa.
(vrt. Askari ja Halladj; 2012)

Ultraääni deagglomeraatio ja zeoliitit dispersio

Kun zeoliitteja käytetään teollisissa sovelluksissa, tutkimuksessa tai materiaalitieteessä, kuiva zeoliitti sekoitetaan enimmäkseen nestemäiseen vaiheeseen. Zeoliittien dispersio edellyttää luotettavaa ja tehokasta dispergointitekniikkaa, joka käyttää riittävästi energiaa zeoliittihiukkasten deagglomerointiin. Ultraääniaineet ovat tunnetusti tehokkaita ja luotettavia dispergointiaineita, joten niitä käytetään erilaisten materiaalien, kuten nanoputkien, grafeenin, mineraalien ja monien muiden materiaalien, hajottamiseen homogeenisesti nestemäiseen vaiheeseen.
Zeoliittijauhe, jota ei ole käsitelty ultraäänellä, on huomattavasti täynnä kuoren kaltaista morfologiaa. Sen sijaan 5 minuutin sonikaatiokäsittely (200 ml:n näyte, joka on äänitetty 320 W:llä) näyttää tuhoavan suurimman osan kuoren kaltaisista muodoista, mikä johtaa hajaantuvaan lopulliseen jauheeseen. (vrt. Ramirez Medoza ym. 2020)
Esimerkiksi Ramirez Medoza et al. (2020) käytti Hielscher-anturin ultraäänilaitetta Up200s kiteyttää NaX-zeoliitti (eli natriummuodossa syntetisoitu zeoliitti X (NaX)) alhaisessa lämpötilassa. Sonikaatio ensimmäisen kiteytystumistunnin aikana johti 20% reaktioajan väheentymiseen verrattuna tavalliseen kiteytysprosessiin. Lisäksi ne osoittivat, että sonikaatio voi myös vähentää lopullisen jauheen taajama-astetta soveltamalla korkeatehoista ultraäänitutkimusta pidemmän sonikaatioajan.

Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat zeoliittisynteesiin

Hielscher-ultraäänilaitteiden hienostunut laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavissa oleva lopputulos sekä käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraääniastiat ovat kestäviä ja luotettavia, mikä mahdollistaa sen, että ne voidaan asentaa ja käyttää raskaissa olosuhteissa. Toiminta-asetuksiin pääsee helposti käsiksi ja niihin voi soittaa intuitiivisen valikon kautta, johon pääsee digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Siksi kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, kirjataan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkistaa ja verrata aiempia sonikaatioajoja ja optimoida zeoliittisynteesin ja dispersioprosessin mahdollisimman tehokkaasti.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti kiteytysprosesseihin, ja ne ovat osoittautuneet luotettaviksi korkealaatuisten zeoliittien ja zeoliittijohdannaisten synteesiin. Hielscherin teolliset ultraäänikoneet voivat helposti käyttää korkeita amplitudia jatkuvassa käytössä (24/7/365). Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti jatkuvasti tuottaa tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit / sarvet). Vielä korkeampia amplitudit, räätälöity ultraääni ultraääni sonotrodit ovat saatavilla. Kestävyyksistään ja vähäisestä huollostaan johtuen ultraääniastiamme asennetaan yleisesti raskaisiin sovelluksiin ja vaativiin ympäristöihin.
Hielscher ultraääniprosessorit sonokemiallisia syntetisaatioita, kiteytystä ja deagglomerointia varten on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi zeoliittivalmistusprosessistasi! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisää tietoa sonokemiallisesta synteesireitistä, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Ultraäänisynteesimenetelmän avulla zeoliittituotantosi on erinomainen tehokkuudessa, yksinkertaisuudessa ja alhaisissa kustannuksissa verrattuna muihin zeoliittisynteesiprosesseihin!

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: