Zeoliittien synteesi ja funktionalisointi sonikaatiolla

Zeoliitit, mukaan lukien nanozeoliitit ja zeoliittijohdannaiset, voidaan syntetisoida tehokkaasti ja luotettavasti, funktionalisoida ja deagglomeroida käyttämällä korkean suorituskyvyn ultrasonicationia. Ultraäänizeoliitin synteesi ja hoito ylittää tavanomaisen hydrotermisen synteesin tehokkuudella, yksinkertaisuudella ja yksinkertaisella lineaarisella skaalautuvuudella suureen tuotantoon. Ultraäänellä syntetisoidut zeoliitit osoittavat hyvää kiteisyyttä, puhtautta sekä huokoisuudesta ja deagglomeraatiosta johtuvaa korkeatasoista toimivuutta.

Zeoliittien ultraääniavusteinen valmistus

Zeoliitit ovat mikrohuokoisia kiteisiä hydratoituja alumiinisilikaatteja, joilla on imukykyisiä ja katalyyttisiä ominaisuuksia.
Korkean suorituskyvyn ultraäänen käyttö vaikuttaa ultraäänellä syntetisoitujen zeoliittikiteiden kokoon ja morfologiaan ja parantaa niiden kiteisyyttä. Lisäksi kiteytymisaika lyhenee huomattavasti käyttämällä sonokemiallista synteesireittiä. Ultraäänellä avustettuja zeoliittisynteesireittejä testattiin ja kehitettiin lukuisille zeoliittityypeille. Ultraäänizeoliittisynteesin mekanismi perustuu parannettuun massansiirtoon, mikä johtaa lisääntyneeseen kiteiden kasvunopeuteen. Tämä kiteiden kasvunopeuden kasvu johtaa myöhemmin lisääntyneeseen nukleaationopeuteen. Lisäksi sonikaatio vaikuttaa depolymerointi-polymerointitasapainoon lisäämällä liukoisten lajien pitoisuutta, jota tarvitaan zeoliitin muodostumiseen.
Kaiken kaikkiaan erilaiset tutkimukset ja pilottimittakaavan tuotantojärjestelyt ovat osoittaneet ultraäänizeoliittisynteesin erittäin tehokkaaksi, mikä säästää aikaa ja kustannuksia.

Zeoliittien tavanomainen synteesi vs. ultraäänisynteesi

Miten zeoliitti syntetisoidaan tavanomaisesti?

Tavanomainen zeoliittisynteesi on erittäin aikaa vievä hydroterminen prosessi, joka voi vaatia reaktioaikoja useista tunneista useisiin päiviin. Hydroterminen reitti on normaalisti panosprosessi, jossa zeoliitit syntetisoidaan amorfisista tai liukoisista Si- ja Al-lähteistä. Ensimmäisessä vanhentamisvaiheessa reaktiivinen geeli koostuu rakennetta ohjaavasta aineesta (SDA) ja alumiinin ja piidioksidin lähteitä vanhennetaan matalassa lämpötilassa. Tämän ikääntymisen ensimmäisen vaiheen aikana muodostuu niin kutsuttuja ytimiä. Nämä ytimet ovat lähtöaine, josta zeoliittikiteet kasvavat seuraavassa kiteytysprosessissa. Kiteytymisen alkaessa geelin lämpötila nousee. Tämä hydroterminen synteesi suoritetaan yleensä panosreaktoreissa. Eräprosesseissa on kuitenkin työvoimavaltaisen toiminnan haittapuoli.

Miten zeoliitti syntetisoidaan sonikaatiossa?

Zeoliitin ultraäänisynteesi on nopea menettely homogeenisen zeoliitin syntetisoimiseksi lievissä olosuhteissa. Esimerkiksi 50 nm: n zeoliittikiteet syntetisoitiin sonokemiallisen reitin kautta huoneenlämpötilassa. Vaikka tavanomainen zeoliittisynteesireaktio a voi kestää jopa useita päiviä, sonokemiallinen reitti lyhentää synteesin keston muutamaan tuntiin, mikä lyhentää merkittävästi reaktioaikaa.
Zeoliitin ultraäänikiteytys voidaan suorittaa erä- tai jatkuvina prosesseina, mikä tekee sovelluksesta helposti mukautettavan ympäristöön ja prosessin tavoitteisiin. Lineaarisen skaalautuvuuden ansiosta ultraäänizeoliittisynteesit voidaan siirtää luotettavasti alkuperäisestä eräprosessista inline-käsittelyyn. Ultraääni käsittely – erässä ja rivillä – mahdollistaa ylivoimaisen taloudellisen tehokkuuden, laadunvalvonnan ja toiminnan joustavuuden.

Eri zeoliittityyppien sonokemialliset synteesireitit

Seuraavassa osassa esittelemme erilaisia sonokemiallisia reittejä, joita on käytetty menestyksekkäästi eri zeoliittityyppien syntetisoimiseen. Tutkimustulokset korostavat johdonmukaisesti ultraäänizeoliittisynteesin paremmuutta.

Li-pitoisen bikitiittizeoliitin ultraäänisynteesi

Roy ja Das (2017) syntetisoivat 50 nm: n litiumia sisältäviä zeoliittia sisältäviä bikitaattikiteitä huoneenlämpötilassa käyttämällä UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ultraäänilaite eräasennuksessa. Bikitaiittizeoliitin onnistunut sonokemiallinen muodostuminen huoneenlämpötilassa vahvistettiin onnistuneesti syntetisoidulla litiumia sisältävällä bikitiittizeoliitilla XRD- ja IR-analyysillä.
Kun sonokemiallinen käsittely yhdistettiin tavanomaiseen hydrotermiseen käsittelyyn, zeoliittikiteiden faasimuodostus saavutettiin paljon alhaisemmassa lämpötilassa (100 ºC) verrattuna 300 ºC: seen 5 päivän ajan, jotka ovat tyypillisiä arvoja tavanomaiselle hydrotermiselle reitille. Sonikaatio osoittaa merkittäviä vaikutuksia zeoliitin kiteytymisaikaan ja vaiheen muodostumiseen. Ultraäänellä syntetisoidun bikitiittizeoliitin toimivuuden arvioimiseksi tutkittiin sen vedyn varastointikapasiteettia. Varastointitilavuus kasvaa zeoliitin Li-pitoisuuden kasvaessa.
Sonokemiallinen zeoliitin muodostuminen: XRD- ja IR-analyysi osoitti, että puhtaan, nanokiteisen bikitiittizeoliitin muodostuminen alkoi 3 tunnin ultrasonication ja 72 h ikääntymisen jälkeen. Nanokokoinen kiteinen bikitiittizeoliitti, jolla oli näkyvät huiput, saatiin 6 tunnin sonikaatioajan jälkeen 250 W: lla.
Etuja: Litiumia sisältävän zeoliitin Bikitaiitin 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 sovelluksissa.
(vrt. Roy et al. 2017)

Zeoliittimordeniittivalmiste ultraäänellä

Ultraääniesikäsittelyllä (MOR-U) saatu mordeniitti osoitti kasvaneiden pellettien 10 × 5 μm2 homogeenisempaa morfologiaa eikä merkkejä neulamaisista tai kuitumaisista muodostumista. Ultraääniavusteinen menettely johti materiaaliin, jolla oli paremmat tekstuuriominaisuudet, erityisesti mikrohuokosten tilavuus, joka on typpimolekyylien käytettävissä valmistetussa muodossa. Ultraäänellä esikäsitellyn mordeniitin tapauksessa havaittiin muuttunutta kiteiden muotoa ja homogeenisempaa morfologiaa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että nykyinen tutkimus osoitti, että synteesigeelin ultraäänikäsittely vaikutti saadun mordeniitin eri ominaisuuksiin, mikä johti

1. homogeenisempi kidekoko ja morfologia, ei-toivottujen kuitu- ja neulamaisten kiteiden puuttuminen;
2. vähemmän rakenteellisia vikoja;
3. merkittävä mikrohuokosten saavutettavuus valmistetussa mordeniittinäytteessä (verrattuna klassisella sekoitusmenetelmällä valmistettujen materiaalien tukkeutuneisiin mikrohuokosiin ennen jälkisynteettistä käsittelyä);
4. erilainen Al-organisaatio, jonka oletetaan johtavan Na+-kationien erilaisiin asemiin (vaikuttavin tekijä, joka vaikuttaa valmistettujen materiaalien sorptio-ominaisuuksiin).

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

(2013) tutki ultraäänen vaikutuksia Hielscher-ultraäänilaitteella UP200S H-mordiitista ja H-bet-zeoliiteista. He päättelivät, että sonikaatio on tehokas tekniikka H-mordiitti- ja H-beeta-modifikaatiolle, mikä tekee zeoliiteista sopivampia dimetyylieetterin (DME) tuotantoon metanolin dehydraation kautta.

SAPO-34-nanokiteiden ultraäänisynteesi

Sonokemiallisen reitin kautta SAPO-34 (silikoalumiinifosfaattimolekyyliseulat, zeoliittiluokka) syntetisoitiin onnistuneesti nanokrstalliinimuodossa käyttäen TEAOH: ta rakenteen ohjaavana aineena (SDA). Sonikaatiota varten Hielscher-koettimen tyyppinen ultraäänilaite UP200S (24 kHz, 200 wattia) käytettiin. Sonokemiallisesti valmistetun lopputuotteen keskimääräinen kidekoko on 50 nm, mikä on huomattavasti pienempi kidekoko verrattuna hydrotermisesti syntetisoitujen kiteiden kokoon. Kun SAPO-34-kiteet olivat sonokemiallisesti hydrotermisissä olosuhteissa, pinta-ala on huomattavasti suurempi kuin tavanomaisesti syntetisoitujen SAPO-34-kiteiden kidepinta-ala staattisella hydrotermisellä tekniikalla, jolla on lähes sama kiteisyys. Vaikka tavanomainen hydroterminen menetelmä vie vähintään 24 tuntia synteesiaikaa täysin kiteisen SAPO-34: n saamiseksi, sonokemiallisesti avustetun hydrotermisen synteesin kautta täysin kiteiset SAPO-34-kiteet saadaan vain 1,5 tunnin reaktioajan jälkeen. Erittäin voimakkaan ultraäänienergian vuoksi zeoliitin SAPO-34-kiteytymistä tehostaa ultraäänikavitaatiokuplien romahtaminen. Kavitaatiokuplien luhistuminen tapahtuu alle nanosekunnissa, mikä johtaa paikallisesti nopeasti nouseviin ja laskeviin lämpötiloihin, mikä estää hiukkasten järjestäytymisen ja kasautumisen ja johtaa pienempiin kidekokoihin. Se, että pieniä SONO-SAPO-34-kiteitä voitaisiin valmistaa sonokemiallisella menetelmällä, viittaa korkeaan nukleaatiotiheyteen synteesin alkuvaiheessa ja hitaaseen kiteiden kasvuun nukleaation jälkeen. Nämä tulokset viittaavat siihen, että tämä epätavallinen menetelmä on erittäin hyödyllinen tekniikka SAPO-34-nanokiteiden synteesille suurilla saannoilla teollisessa tuotannossa.
(vrt. Askari ja Halladj; 2012)

Zeoliittien ultraääni deagglomeraatio ja dispersio

Kun zeoliitteja käytetään teollisissa sovelluksissa, tutkimuksessa tai materiaalitieteessä, kuiva zeoliitti sekoitetaan enimmäkseen nestefaasiin. Zeoliittidispersio vaatii luotettavan ja tehokkaan dispergointitekniikan, joka käyttää riittävästi energiaa zeoliittihiukkasten deagglomerointiin. Ultrasonicatorien tiedetään olevan tehokkaita ja luotettavia dispergointiaineita, joten niitä käytetään erilaisten materiaalien, kuten nanoputkien, grafeenin, mineraalien ja monien muiden materiaalien, hajottamiseen homogeenisesti nestefaasiin.
Zeoliittijauhe, jota ei käsitellä ultraäänellä, on huomattavasti agglomeroitu kuoren kaltaisella morfologialla. Sitä vastoin 5 minuutin sonikaatiokäsittely (200 ml: n näyte, joka on sonikoitu 320 W: lla) näyttää tuhoavan suurimman osan kuoren kaltaisista muodoista, mikä johtaa dispergoituneempaan lopulliseen jauheeseen. (vrt. Ramirez Medoza et al. 2020)
(2020) käytti esimerkiksi Hielscher-koettimen ultraäänilaitetta UP200S kiteyttää NaX-zeoliitti (eli natriummuodossa syntetisoitu zeoliitti X (NaX)) matalassa lämpötilassa. Sonikaatio kiteytymisen ensimmäisen tunnin aikana johti reaktioajan vähenemiseen 20% verrattuna tavalliseen kiteytysprosessiin. Lisäksi he osoittivat, että sonikaatio voi myös vähentää lopullisen jauheen taajama-astetta soveltamalla korkean intensiteetin ultraääntä pidempään sonikaatiojaksoon.

Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet zeoliittisynteesiin

Hielscher-ultraäänilaitteiden hienostunut laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset sekä käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat kestäviä ja luotettavia, mikä mahdollistaa asennuksen ja käytön raskaissa olosuhteissa. Käyttöasetuksiin pääsee helposti käsiksi ja niihin voi valita intuitiivisen valikon kautta, johon pääsee digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Siksi kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, tallennetaan 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 niiden on osoitettu olevan luotettavia korkealaatuisten zeoliittien ja zeoliittijohdannaisten synteesissä. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat helposti ajaa suuria amplitudit jatkuvassa toiminnassa (24/7/365). Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti tuottaa jatkuvasti tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit / sarvet). Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Kestävyytensä ja vähäisen huoltonsa vuoksi ultraäänilaitteemme asennetaan yleisesti raskaisiin sovelluksiin ja vaativiin ympäristöihin.
Hielscherin ultraääniprosessorit sonokemiallisiin synteeseihin, kiteytykseen ja deagglomeraatioon on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi zeoliitin valmistusprosessistasi! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisätietoja sonokemiallisen synteesin reitistä, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Ultraäänisynteesimenetelmän etuna zeoliittituotantosi on erinomainen tehokkuudessa, yksinkertaisuudessa ja alhaisissa kustannuksissa verrattuna muihin zeoliittisynteesiprosesseihin!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: