Synthèse et fonctionnalisation des zéolithes par sonication

Les zéolithes, y compris les nano-zéolithes et les dérivés de zéolithes, peuvent être synthétisées, fonctionnalisées et désagglomérées de manière efficace et fiable à l'aide d'une ultrasonication à haute performance. La synthèse et le traitement des zéolithes par ultrasons surpassent la synthèse hydrothermale 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 bonne pureté ainsi qu'un haut degré de fonctionnalité grâce à la porosité et à la désagglomération.

Préparation de zéolithes assistée par ultrasons

Les zéolithes sont des aluminosilicates hydratés cristallins microporeux aux propriétés absorbantes et catalytiques.
L'application d'ultrasons à haute performance influence la taille et la morphologie des cristaux de zéolite 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 zéolithes assistées par ultrasons ont été testées et développées pour de nombreux types de zéolithes. Le mécanisme de la synthèse ultrasonique des zéolithes 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. En outre, la sonication affecte l'équilibre dépolymérisation-polymérisation en augmentant la concentration des espèces solubles, ce qui est nécessaire à la formation de la zéolithe.
Dans l'ensemble, diverses études de recherche et installations de production à l'échelle pilote ont prouvé que la synthèse ultrasonique des zéolithes était très efficace et permettait d'économiser du temps et de l'argent.

Synthèse conventionnelle et synthèse ultrasonique des zéolithes

Comment la zéolithe est-elle synthétisée de manière conventionnelle ?

La synthèse conventionnelle des zéolithes est un processus hydrothermal très long, qui peut nécessiter des temps de réaction de plusieurs heures à plusieurs jours. La voie hydrothermale est normalement un processus discontinu, où les zéolithes sont synthétisées à partir de sources de Si et d'Al amorphes ou solubles. Dans une première phase 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 constituent le matériau de départ à partir duquel les cristaux de zéolithe se développent au cours du processus de cristallisation suivant. La température du gel augmente avec le début de la cristallisation. 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 ultrasonique de la zéolithe est une procédure rapide qui permet de synthétiser une zéolithe 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 conventionnelle de synthèse des zéolithes peut durer plusieurs jours, la voie sonochimique réduit la durée de la synthèse à quelques heures, ce qui réduit considérablement le temps de réaction.
La cristallisation ultrasonique de la zéolithe peut être effectuée par lots ou en continu, ce qui rend l'application facilement adaptable à l'environnement et aux objectifs du processus. Grâce à l'évolutivité linéaire, les synthèses de zéolithes par ultrasons peuvent être transférées de manière fiable d'un procédé initial par lots à un traitement en ligne. Traitement par ultrasons – en lot et en ligne – permet une efficacité économique supérieure, un contrôle de la qualité et une flexibilité opérationnelle.

Procédés de synthèse sonochimique de divers types de zéolithes

Dans la section suivante, nous présentons diverses voies sonochimiques qui ont été utilisées avec succès pour synthétiser différents types de zéolithes. Les résultats de la recherche soulignent constamment la supériorité de la synthèse ultrasonique des zéolithes.

Synthèse ultrasonique de la zéolithe bikitaite contenant du Li

Roy et Das (2017) ont synthétisé des cristaux de 50 nm de zéolithe Bikitaite contenant du lithium à température ambiante en utilisant la technique du UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ultrasonique dans une installation discontinue. La formation sonochimique réussie de la zéolithe Bikitaite à température ambiante a été confirmée par la synthèse réussie de la zéolithe Bikitaite contenant du lithium au moyen d'analyses XRD et IR.
Lorsque le traitement sonochimique a été combiné au traitement hydrothermal conventionnel, la formation de phase des cristaux de zéolithe a été obtenue à une température beaucoup plus basse (100ºC) qu'à 300ºC pendant 5 jours, qui sont les valeurs typiques de la voie hydrothermale conventionnelle. La sonication a 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 la teneur en Li de la zéolithe.
Formation de zéolites par voie sonochimique : Les analyses XRD et IR ont montré que la formation de zéolithe Bikitaite pure et nanocristalline a commencé après 3 heures d'ultrasons et 72 heures de vieillissement. La zéolithe Bikitaite cristalline nanométrique avec des pics proéminents a été obtenue après 6 heures de sonication à 250 W.
Avantages : La voie de synthèse sonochimique de la zéolithe Bikitaite contenant du lithium offre non seulement l'avantage d'une production simple de nanocristaux purs, mais constitue 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 processus sonochimique est considéré comme une méthode bénéfique pour les applications énergétiques propres.
(cf. Roy et al. 2017)

Préparation de la zéolithe mordenite par ultrasons

La mordénite obtenue avec l'application du prétraitement ultrasonique (MOR-U) présentait une morphologie plus homogène de pastilles entrecroisées de 10 × 5 µm2 et aucun signe de formation fibreuse ou en forme d'aiguille. La procédure assistée par ultrasons a permis d'obtenir un matériau aux caractéristiques texturales améliorées, en particulier le volume de micropores accessible aux molécules d'azote dans la forme telle qu'elle a été fabriquée. Dans le cas de la mordénite traitée aux ultrasons, on a observé une modification de la forme des cristaux et une morphologie plus homogène.
En résumé, la présente étude a démontré que le prétraitement ultrasonique 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 aux micropores dans l'échantillon de mordénite tel qu'il a été fabriqué (par rapport aux micropores bloqués dans les matériaux préparés par la méthode d'agitation classique, avant le traitement post-synthétique) ;
4. une organisation différente de l'Al, supposée entraîner 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 prétraitement ultrasonique du gel de synthèse peut être un moyen réalisable de résoudre le problème courant 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 simple et efficace appliquée avant la synthèse, sans traitement post-synthétique traditionnel coûteux en temps et en ressources (qui, au contraire, entraîne la génération de défauts structurels). En outre, le nombre plus faible de groupes silanols peut contribuer à prolonger la durée de vie catalytique de la mordénite préparée.
(cf. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) ont étudié les effets des ultrasons en utilisant l'appareil à ultrasons Hielscher UP200S sur les zéolithes 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-bet, ce qui rend les zéolithes plus appropriées pour la production d'éther diméthylique (DME) via la déshydratation du méthanol.

Synthèse ultrasonique de nanocristaux de SAPO-34

Par voie sonochimique, le SAPO-34 (tamis moléculaire de silicoaluminophosphate, une classe de zéolithes) a été synthétisé avec succès sous forme nanocristalline en utilisant le TEAOH comme agent directeur de structure (SDA). Pour la sonication, l'ultrasonateur 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 50 nm, ce qui est nettement inférieur à la taille des cristaux synthétisés par voie hydrothermale. Lorsque les cristaux de SAPO-34 ont été préparés par voie sonochimique dans des conditions hydrothermales, leur surface est nettement plus élevée que celle des cristaux de SAPO-34 synthétisés de manière conventionnelle par la technique hydrothermale statique, avec une cristallinité presque identique. Alors que la méthode hydrothermale conventionnelle nécessite au moins 24 heures de synthèse pour obtenir une SAPO-34 entièrement cristalline, la synthèse hydrothermale assistée par voie sonochimique a permis d'obtenir des cristaux de SAPO-34 entièrement cristallins après seulement 1,5 heure de temps de réaction. En raison de l'énergie ultrasonique très intense, la cristallisation de la zéolithe SAPO-34 est intensifiée par l'effondrement 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 cristaux de plus petite taille. Le fait que de petits cristaux de SONO-SAPO-34 aient pu être préparés par la méthode sonochimique suggère une forte densité de nucléation 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 avec des rendements élevés à l'échelle de la production industrielle.
(cf. Askari et Halladj ; 2012)

Désagglomération et dispersion des zéolithes par ultrasons

Lorsque les zéolithes sont utilisées dans des applications industrielles, dans la recherche ou dans la science des matériaux, la zéolithe sèche est généralement mélangée à une phase liquide. La dispersion des zéolithes nécessite une technique de dispersion fiable et efficace, qui applique suffisamment d'énergie pour désagglomérer les particules de zéolithe. Les ultrasons sont bien connus pour être des disperseurs puissants et fiables, et sont donc utilisés pour disperser divers matériaux tels que les nanotubes, le graphène, les minéraux et bien d'autres matériaux de manière homogène dans une phase liquide.
Une poudre de zéolithe non traitée par ultrasons est considérablement agglomérée et présente une morphologie en forme de coquille. En revanche, un traitement par sonication de 5 minutes (échantillon de 200 ml sonifié 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'ultrasonateur à sonde Hielscher UP200S pour cristalliser la zéolithe NaX (c'est-à-dire la zéolithe X synthétisée sous forme de 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 à haute intensité pendant une période de sonication plus longue.

Ultrasons haute performance pour la synthèse des zéolithes

Le matériel sophistiqué et le logiciel intelligent des ultrasons Hielscher sont conçus pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande facilité d'utilisation. Les ultrasons Hielscher sont robustes et fiables, ce qui permet de les installer et de les utiliser dans des conditions difficiles. Les paramètres de fonctionnement sont facilement accessibles et sélectionnables par le biais d'un menu intuitif, auquel on peut accéder via un écran tactile couleur numérique et une télécommande à navigateur. Par conséquent, 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 revoir 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 ultrasoniques Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour les processus de cristallisation et se sont avérés fiables pour la synthèse de zéolithes et de dérivés de zéolithes de haute qualité. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent facilement fonctionner en continu (24/7/365) avec des amplitudes élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes / cornets à ultrasons). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. En raison de leur robustesse et de leur faible maintenance, nos ultrasons sont couramment 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 !
Grâce à la méthode de synthèse par ultrasons, votre production de zéolithe se distinguera par son efficacité, sa simplicité et son faible coût par rapport à d'autres procédés de synthèse de zéolithe !

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