Synthèse et fonctionnalisation des zéolithes par sonication

Les zéolites, y compris les nano-zéolites et les dérivés de zéolites, peuvent être synthétisées, fonctionnalisées et désagglomérées de manière efficace et fiable en utilisant des ultrasons à haute performance. La synthèse et le traitement des zéolithes par ultrasons surpassent la synthèse hydrothermique conventionnelle en termes d'efficacité, de simplicité et d'évolutivité linéaire simple pour une production à grande échelle. Les zéolithes synthétisées par ultrasons présentent une bonne cristallinité, une grande pureté ainsi qu'un haut degré de fonctionnalité grâce à la porosité et à la désagglomération.

Préparation de zéolites assistée par ultrasons

Les zéolites sont des aluminosilicates hydratés cristallins microporeux ayant des propriétés absorbantes et catalytiques.
L'application d'ultrasons à haute performance influence la taille et la morphologie des cristaux de zéolithe synthétisés par ultrasons et améliore leur cristallinité. En outre, le temps de cristallisation est considérablement réduit en utilisant une voie de synthèse sonochimique. Des voies de synthèse de zéolites assistées par ultrasons ont été testées et développées pour de nombreux types de zéolites. Le mécanisme de synthèse des zéolithes par ultrasons est basé sur l'amélioration du transfert de masse qui entraîne une augmentation du taux de croissance des cristaux. Cette augmentation du taux de croissance des cristaux entraîne ensuite une augmentation du taux de nucléation. De plus, la sonication affecte l'équilibre de dépolymérisation-polymérisation par une augmentation de la concentration des espèces solubles, ce qui est nécessaire pour la formation de la zéolite.
Dans l'ensemble, diverses études de recherche et installations de production à l'échelle pilote ont prouvé que la synthèse des zéolithes par ultrasons était très efficace et permettait de gagner du temps et de réduire les coûts.

Demande d'information





Ultrasonicator UIP2000hdT with sonochemical inline reactor for highly efficient zeolite synthesis

appareil à ultrasons UIP2000hdT avec un réacteur en ligne sonochimique pour une synthèse très efficace des zéolithes.

Synthèse conventionnelle et synthèse par ultrasons des zéolithes

Comment la zéolithe est-elle synthétisée de manière conventionnelle ?

La synthèse conventionnelle des zéolithes est un procédé hydrothermique très long, qui peut nécessiter des temps de réaction de plusieurs heures à plusieurs jours. La voie hydrothermique est normalement un procédé discontinu, où les zéolithes sont synthétisées à partir de sources de Si et d'Al amorphes ou solubles. Dans une première étape de vieillissement, le gel réactif est composé d'un agent directeur de structure (SDA) et les sources d'aluminium et de silice sont vieillies à basse température. Au cours de cette première étape de vieillissement, des "noyaux" sont formés. Ces noyaux sont le matériau de départ à partir duquel les cristaux de zéolithe se développent dans le processus de cristallisation suivant. Avec le début de la cristallisation, la température du gel est augmentée. Cette synthèse hydrothermale est généralement réalisée dans des réacteurs discontinus. Toutefois, les procédés discontinus présentent l'inconvénient de nécessiter beaucoup de main-d'œuvre.

Comment la zéolithe est-elle synthétisée sous sonication ?

La synthèse de zéolite par ultrasons est une procédure rapide pour synthétiser une zéolite homogène dans des conditions douces. Par exemple, des cristaux de zéolithe de 50 nm ont été synthétisés par voie sonochimique à température ambiante. Alors que la réaction de synthèse conventionnelle des zéolithes peut prendre jusqu'à plusieurs jours, la voie sonochimique réduit la durée de la synthèse à quelques heures, réduisant ainsi considérablement le temps de réaction.
La cristallisation par ultrasons de la zéolithe peut être réalisée en tant que processus discontinu ou continu, ce qui rend l'application facilement adaptable à l'environnement et aux objectifs du processus. Grâce à l'extensibilité linéaire, les synthèses de zéolithe par ultrasons peuvent être transférées de manière fiable du processus initial par lots au traitement en ligne. Traitement par ultrasons – en lot et en ligne – permet une efficacité économique, un contrôle de la qualité et une flexibilité opérationnelle supérieurs.

Avantages de la synthèse de zéolite par ultrasons

  • Une cristallisation nettement accélérée
  • Augmentation de la nucléation
  • Zéolite pure
  • Morphologie homogène
  • Zéolite hautement fonctionnelle (microporosité)
  • Basse température (par exemple, température ambiante)
  • Augmentation de la cinétique de la réaction
  • Cristaux désagglomérés
  • Processus par lots ou en ligne
  • Un rapport coût-efficacité supérieur
Ultrasonic synthesis of zeolite is a rapid crystallization process that gives pure, high-quality nano-sized zeolite.

Micrographie FESEM de la zéolite Bikitaite contenant du lithium, préparée par (a) sonication pendant 3h, (b) EDAX correspondant, (c) sonication suivie d'un traitement hydrothermique à 100°C pendant 24h, (d) EDAX correspondant.
(étude et illustration de Roy et Das, 2017)

Ultrasonic synthesis is a highly efficient technique to produce SAPO-34 nanocrystals (silicoaluminophosphate molecular sieves, a class of zeolites).

Images SEM de cristaux de SAPO-34 synthétisés par ultrasons (SONO-SAPO-34) à l'aide de l'ultrasoniseur. UP200S dans diverses conditions.
(Cliquez pour agrandir ! Etude et photo : Askari et Halladj, 2012)

Procédures de synthèse sonochimique de divers types de zéolites

Dans la section suivante, nous présentons diverses voies sonochimiques, qui ont été utilisées avec succès pour synthétiser différents types de zéolites. Les résultats des recherches soulignent systématiquement la supériorité de la synthèse des zéolithes par ultrasons.

Synthèse par ultrasons d'une zéolite bikitaite contenant du Li

Ultrasonicator-sonochemical-zeolite-synthesisRoy et Das (2017) ont synthétisé des cristaux de zéolite Bikitaite contenant du lithium de 50 nm à température ambiante en utilisant la méthode de la UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ultrasonique dans une installation par lots. La formation sonochimique réussie de la zéolite Bikitaite à température ambiante a été confirmée par la synthèse réussie de la zéolite Bikitaite contenant du lithium par analyse XRD et IR.
Lorsque le traitement sonochimique a été combiné au traitement hydrothermique conventionnel, la formation de phase des cristaux de zéolite a été obtenue à une température beaucoup plus basse (100ºC) par rapport aux 300ºC pendant 5 jours, qui sont les valeurs typiques de la voie hydrothermique conventionnelle. La sonication montre des effets significatifs sur le temps de cristallisation et la formation de phase de la zéolithe. Afin d'évaluer la fonctionnalité de la zéolithe Bikitaite synthétisée par ultrasons, sa capacité de stockage d'hydrogène a été étudiée. Le volume de stockage augmente avec l'augmentation de la teneur en Li de la zéolithe.
Formation sonochimique de zéolites : Les analyses XRD et IR ont montré que la formation de zéolite Bikitaite pure et nanocristalline a commencé après 3 h d'ultrasons et 72 h de vieillissement. La zéolithe Bikitaite cristalline de taille nanométrique avec des pics proéminents a été obtenue après 6 heures de sonication à 250 W.
avantages: La voie de synthèse sonochimique de la zéolite Bikitaite contenant du lithium offre non seulement l'avantage de la production simple de nanocristaux purs, mais présente également une technique rapide et rentable. Les coûts de l'équipement ultrasonique et de l'énergie nécessaire sont très faibles par rapport à d'autres procédés. En outre, la durée du processus de synthèse est très courte, de sorte que le procédé sonochimique est considéré comme une méthode avantageuse pour les applications d'énergie propre.
(cf. Roy et al. 2017)

Préparation de la mordénite zéolite sous ultrasonication

La mordénite obtenue avec l'application du prétraitement par ultrasons (MOR-U) présentait une morphologie plus homogène de pastilles entrecroisées de 10 × 5 µm2 et aucun signe de formation d'aiguilles ou de fibres. La procédure assistée par ultrasons a permis d'obtenir un matériau présentant des caractéristiques texturales améliorées, en particulier le volume de micropore accessible aux molécules d'azote dans la forme brute. Dans le cas de la mordénite traitée par ultrasons, on a observé une modification de la forme des cristaux et une morphologie plus homogène.
En résumé, l'étude actuelle a démontré que le prétraitement par ultrasons du gel de synthèse affectait les diverses propriétés de la mordénite obtenue, ce qui se traduit par

  1. taille et morphologie des cristaux plus homogènes, absence de cristaux indésirables en forme de fibres ou d'aiguilles ;
  2. moins de défauts structurels ;
  3. une accessibilité significative des micropores dans l'échantillon de mordénite tel qu'il a été préparé (en comparaison avec les micropores bloqués dans les matériaux préparés par la méthode classique d'agitation, avant le traitement post-synthétique) ;
  4. une organisation différente de l'aluminium, ce qui se traduirait par des positions différentes des cations Na+ (le facteur le plus influent sur les propriétés de sorption des matériaux tels qu'ils sont fabriqués).

La réduction des défauts structurels par le prétraitement par ultrasons du gel de synthèse peut être un moyen réalisable de résoudre le problème commun de la structure "non idéale" des mordénites synthétiques. En outre, une capacité de sorption plus élevée dans cette structure pourrait être obtenue par une méthode ultrasonique facile et efficace appliquée avant la synthèse, sans traitement post-synthétique traditionnel consommateur de temps et de ressources (qui, au contraire, conduit à la génération de défauts structurels). De plus, le nombre plus faible de groupes silanol peut contribuer à une plus longue durée de vie catalytique de la mordénite préparée.
(cf. Kornas et al. 2021)

Image SEM de la zéolite MCM-22 synthétisée par ultrasons

Image SEM de la zéolite MCM-22 synthétisée par ultrasons
(étude et photo : Wang et al. 2008)

Solyman et al. (2013) ont étudié les effets des ultrasons en utilisant le Hielscher ultrasonicator. UP200S sur les zéolites H-mordite et H-bet. Ils sont arrivés à la conclusion que la sonication est une technique efficace pour la modification de la H-mordite et de la H-beta, ce qui rend les zéolithes plus appropriées pour la production d'éther diméthylique (DME) via la déshydratation du méthanol.

Synthèse par ultrasons de nanocristaux de SAPO-34

Par voie sonochimique, SAPO-34 (tamis moléculaires de silicoaluminophosphate, une classe de zéolites) ont été synthétisés avec succès sous forme nanocristalline en utilisant le TEAOH comme agent directeur de structure (SDA). Pour la sonication, l'ultrasoniseur de type sonde Hielscher UP200S (24kHz, 200 watts) a été utilisé. La taille moyenne des cristaux du produit final préparé par voie sonochimique est de 50nm, ce qui est une taille de cristal significativement plus petite comparée à la taille des cristaux synthétisés par voie hydrothermique. Lorsque les cristaux de SAPO-34 ont été préparés par sonochimie dans des conditions hydrothermales, leur surface est significativement plus élevée que celle des cristaux de SAPO-34 synthétisés de manière conventionnelle via une technique hydrothermique statique avec presque la même cristallinité. Alors que la méthode hydrothermique conventionnelle nécessite au moins 24 heures de synthèse pour obtenir du SAPO-34 entièrement cristallin, la synthèse hydrothermique assistée par la sonochimie a permis d'obtenir des cristaux de SAPO-34 entièrement cristallins après seulement 1,5 heure de réaction. En raison de l'énergie ultrasonique très intense, la cristallisation de la zéolite SAPO-34 est intensifiée par l'implosion des bulles de cavitation ultrasoniques. L'implosion des bulles de cavitation se produit en moins d'une nanoseconde, entraînant localement une augmentation et une diminution rapides des températures, ce qui empêche l'organisation et l'agglomération des particules et conduit à des tailles de cristaux plus petites. Le fait que de petits cristaux de SONO-SAPO-34 aient pu être préparés par la méthode sonochimique suggère une densité de nucléation élevée dans les premières étapes de la synthèse et une croissance lente des cristaux après la nucléation. Ces résultats suggèrent que cette méthode non conventionnelle est une technique très utile pour la synthèse de nanocristaux de SAPO-34 à haut rendement à l'échelle de production industrielle.
(cf. Askari et Halladj ; 2012)

Désagglomération et dispersion des zéolithes par ultrasons

Ultrasonic disperser UP200St stirring a zeolite suspensionLorsque les zéolithes sont utilisées dans des applications industrielles, la recherche ou la science des matériaux, la zéolithe sèche est le plus souvent mélangée à une phase liquide. La dispersion de la zéolithe nécessite une technique de dispersion fiable et efficace, qui applique suffisamment d'énergie pour désagglomérer les particules de zéolithe. Les ultrasons sont connus pour être des disperseurs puissants et fiables, et sont donc utilisés pour disperser de manière homogène divers matériaux tels que les nanotubes, le graphène, les minéraux et de nombreux autres matériaux dans une phase liquide.
Une poudre de zéolithe non traitée par ultrasons est considérablement agglomérée avec une morphologie en forme de coquille. En revanche, un traitement par sonication de 5 min (échantillon de 200 mL soniqué à 320 W) semble détruire la plupart des formes en coquille, ce qui donne une poudre finale plus dispersée. (cf. Ramirez Medoza et al. 2020)
Par exemple, Ramirez Medoza et al. (2020) ont utilisé l'ultrasoniseur à sonde Hielscher UP200S pour cristalliser la zéolithe NaX (c'est-à-dire la zéolithe X synthétisée sous la forme sodium (NaX)) à basse température. La sonication pendant la première heure de cristallisation a permis de réduire de 20 % le temps de réaction par rapport à un processus de cristallisation standard. En outre, ils ont démontré que la sonication peut également réduire le degré d'agglomération de la poudre finale en appliquant des ultrasons de haute intensité pendant une période de sonication plus longue.

Demande d'information





Ultrasons à haute performance pour la synthèse de zéolite

Le matériel sophistiqué et le logiciel intelligent des ultrasons Hielscher sont conçus pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande convivialité. Les ultrasons Hielscher sont robustes et fiables, ce qui permet de les installer et de les faire fonctionner dans des conditions de service intense. Les paramètres de fonctionnement sont facilement accessibles et réglés par le biais d'un menu intuitif, qui peut être consulté sur un écran tactile couleur numérique et une télécommande par navigateur. Ainsi, toutes les conditions de traitement telles que l'énergie nette, l'énergie totale, l'amplitude, le temps, la pression et la température sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée. Cela vous permet de réviser et de comparer les cycles de sonication précédents et d'optimiser le processus de synthèse et de dispersion des zéolithes pour une efficacité maximale.
Les systèmes à ultrasons Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour les processus de cristallisation et ont fait la preuve de leur fiabilité pour la synthèse de zéolithes et de dérivés de zéolithes de haute qualité. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent facilement faire fonctionner des amplitudes élevées en continu (24/7/365). Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes ultrasoniques / cornes). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. En raison de leur robustesse et de leur faible maintenance, nos ultrasons sont généralement installés pour des applications lourdes et dans des environnements exigeants.
Les processeurs à ultrasons Hielscher pour les synthèses sonochimiques, la cristallisation et la désagglomération sont déjà installés dans le monde entier à l'échelle commerciale. Contactez-nous dès maintenant pour discuter de votre processus de fabrication de zéolithe ! Notre personnel expérimenté se fera un plaisir de vous donner plus d'informations sur la voie de la synthèse sonochimique, les systèmes à ultrasons et les prix !
Avec l'avantage de la méthode de synthèse par ultrasons, votre production de zéolithe excellera en efficacité, simplicité et faible coût par rapport aux autres procédés de synthèse de zéolithe !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

Contactez nous! / Demandez nous!

Demander plus d'informations

Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous pour demander des informations supplémentaires sur les processeurs à ultrasons, les applications et le prix. Nous serons heureux de discuter avec vous de votre processus et de vous proposer un système à ultrasons répondant à vos besoins !









Veuillez prendre note de notre Politique de confidentialité.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.

Littérature / Références



Qu'il faut savoir

Zéolites

Les zéolites sont la classe des aluminosilicates, c'est-à-dire AlO2 et SiO2dans la catégorie des solides microporeux qui sont connus sous le nom de “tamis moléculaires". Les zéolites sont principalement constituées de silice, d'aluminium, d'oxygène et de métaux tels que le titane, l'étain, le zinc et d'autres molécules métalliques. Le terme "tamis moléculaire" tire son origine de la propriété particulière des zéolithes à trier sélectivement les molécules en se basant principalement sur un processus d'exclusion de taille. La sélectivité des tamis moléculaires est définie par la taille de leurs pores. En fonction de la taille des pores, les tamis moléculaires sont classés en trois catégories : macroporeux, mésoporeux et microporeux. Les zéolithes font partie de la classe des matériaux microporeux car la taille de leurs pores est <2 nm. Due to their porous structure, zeolites have the ability accommodate a wide variety of cations, such as Na+, K+, Ca2+Mg2+ et autres. Ces ions positifs sont plutôt lâches et peuvent facilement être échangés contre d'autres dans une solution de contact. Parmi les zéolithes minérales les plus courantes, on trouve l'analcime, la chabazite, la clinoptilolite, l'heulandite, la natrolite, la phillipsite et la stilbite. Un exemple de la formule minérale d'une zéolite est : Na2Al2ET3O 10-2H2O, la formule de la natrolite. Ces zéolites à échange de cations possèdent différentes acidités et catalysent plusieurs acides.
En raison de leur sélectivité et de leurs propriétés dérivées de la porosité, les zéolithes sont souvent utilisées comme catalyseurs, sorbants, échangeurs d'ions, solutions de traitement des eaux usées ou agents antibactériens.
La zéolite de type faujasite (FAU), par exemple, est une forme spécifique de zéolites, qui se caractérisent par un cadre comportant des cavités de 1,3 nm de diamètre qui sont interconnectées par des pores de 0,8 nm. La zéolite de type faujasite (FAU) est utilisée comme catalyseur pour des procédés industriels tels que le craquage catalytique fluide (FCC), et comme adsorbant pour les composés organiques volatils dans les flux gazeux.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.