סינתזה ופונקציונליזציה של זאוליטים באמצעות סוניקציה

זאוליטים, כולל ננו-זאוליטים ונגזרות של זאוליטים, יכולים להיות מסונתזים, פונקציונליים ומפורקים בצורה יעילה ואמינה באמצעות אולטרה-סוניקציה בעלת ביצועים גבוהים. סינתזה וטיפול בזאוליטים על-קוליים מצטיינת בסינתזה הידרותרמית קונבנציונלית על ידי יעילות, פשטות ומדרגיות ליניארית פשוטה לייצור גדול. זאוליטים מסונתזים אולטרה-סאונד מראים גבישיות טובה, טוהר, כמו גם דרגה גבוהה של פונקציונליות עקב נקבוביות ו deagglomeration.

הכנה בעזרת אולטרסאונד של זאוליטים

זאוליטים הם אלומינוסיליקטים מיקרו-נקבוביים, גבישיים, מיובשים בעלי תכונות סופגות וקטליטיות.
היישום של אולטרסאונד ביצועים גבוהים משפיע על גודל ומורפולוגיה של גבישי זאוליט מסונתזים אולטרה-סאונד ומשפר את הגבישיות שלהם. יתר על כן, זמן ההתגבשות מתקצר באופן דרסטי באמצעות מסלול סינתזה סונוכימי. מסלולי סינתזת זאוליטים בסיוע אולטרה-סאונד נבדקו ופותחו עבור סוגים רבים של זאוליטים. מנגנון סינתזת הזאוליטים העל-קוליים מבוסס על העברת מסה משופרת המביאה לקצב גדילת גבישים מוגבר. עלייה זו בקצב גדילת הגביש מובילה לאחר מכן לקצב התגרענות מוגבר. בנוסף, סוניקציה משפיעה על שיווי משקל דה-פולימריזציה-פילמור באמצעות עלייה בריכוז המינים המסיסים, הנדרש להיווצרות הזאוליטים.
בסך הכל, מחקרים שונים ומערכי ייצור בקנה מידה של טייס הוכיחו את סינתזת הזאוליטים העל-קוליים כיעילה ביותר וחוסכת זמן ועלויות.

סינתזה קונבנציונלית לעומת סינתזה על-קולית של זאוליטים

כיצד מסונתז זאוליט באופן קונבנציונלי?

סינתזת זאוליטים קונבנציונלית היא תהליך הידרותרמי גוזל זמן רב, אשר יכול לדרוש זמני תגובה בין מספר שעות למספר ימים. המסלול ההידרותרמי הוא בדרך כלל תהליך אצווה, שבו זאוליטים מסונתזים ממקורות אמורפיים או מסיסים Si ו- Al. בשלב היישון הראשוני, הג'ל הריאקטיבי מורכב על ידי חומר מכוון מבנה (SDA) ומקורות אלומיניום וסיליקה מתיישנים בטמפרטורה נמוכה. במהלך שלב ראשון זה של הזדקנות, נוצרים גרעינים כביכול. גרעינים אלה הם חומר המוצא שממנו בתהליך ההתגבשות הבא צומחים גבישי הזאוליטים. עם תחילת ההתגבשות, הטמפרטורה של הג'ל עולה. סינתזה הידרותרמית זו מתבצעת בדרך כלל בכורי אצווה. עם זאת, תהליכי אצווה מגיעים עם החיסרון של פעולה אינטנסיבית בעבודה.

כיצד מסונתז זאוליט תחת סוניקציה?

סינתזה קולית של זאוליט היא הליך מהיר לסנתז זאוליט הומוגני בתנאים מתונים. לדוגמה, גבישי זאוליט 50 ננומטר סונתזו באמצעות מסלול סונוכימי בטמפרטורת החדר. בעוד שתגובת סינתזת זאוליטים קונבנציונלית A יכולה להימשך עד מספר ימים, המסלול הסונוכימי מקצר את משך הסינתזה למספר שעות, ובכך מקצר משמעותית את זמן התגובה.
התגבשות קולית של זאוליט יכולה להתבצע כאצווה או תהליכים מתמשכים, מה שהופך את היישום להתאמה בקלות לסביבה ולמטרות התהליך. בשל מדרגיות ליניארית, ניתן להעביר סינתזות זאוליט קוליות באופן אמין מתהליך אצווה ראשוני לעיבוד בתוך השורה. עיבוד קולי – באצווה ובשורה – מאפשר יעילות כלכלית מעולה, בקרת איכות וגמישות תפעולית.

מסלולי סינתזה סונוכימיים של סוגי זאוליטים שונים

בסעיף הבא, אנו מציגים מסלולים סונוכימיים שונים, אשר שימשו בהצלחה כדי לסנתז סוגים שונים של זאוליטים. תוצאות המחקר מדגישות באופן עקבי את עליונותה של סינתזת זאוליטים על-קוליים.

סינתזה קולית של זאוליט ביקיטאיט המכיל Li

Roy and Das (2017) סינתזו גבישי ביקיטאייט המכילים ליתיום 50 ננומטר בטמפרטורת החדר באמצעות UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) Ultrasonicator בהגדרת אצווה. היווצרות סונוכימית מוצלחת של זאוליט ביקיטאייט בטמפרטורת החדר אושרה על ידי סינתזה מוצלחת של זאוליט ביקיטאייט המכיל ליתיום על ידי ניתוח XRD ו- IR.
כאשר הטיפול הסונוכימי שולב עם טיפול הידרותרמי קונבנציונלי, היווצרות הפאזה של גבישי זאוליט הושגה בטמפרטורה נמוכה בהרבה (100 מעלות צלזיוס) בהשוואה ל -300 מעלות צלזיוס במשך 5 ימים, שהם ערכים אופייניים למסלול הידרותרמי קונבנציונלי. סוניקציה מראה השפעות משמעותיות על זמן התגבשות והיווצרות פאזה של זאוליט. על מנת להעריך את הפונקציונליות של זאוליט ביקיטאייט מסונתז אולטרה-סאונד, נחקרה יכולת אחסון המימן שלו. נפח האחסון גדל ככל שתכולת ה-Li של הזאוליט גדלה.
היווצרות זאוליט סונוכימי: ניתוח XRD ו-IR הראה כי היווצרות זאוליט ביקיטאיט טהור וננו-גבישי החלה לאחר 3 שעות אולטרסוניקציה ו-72 שעות הזדקנות. זאוליט ביקיטאיט גבישי בגודל ננומטרי עם פסגות בולטות התקבלו לאחר 6 שעות זמן סוניקציה ב 250 W.
יתרונות: מסלול הסינתזה הסונוכימית של ביקיטאייט המכיל ליתיום מציע לא רק את היתרון של ייצור פשוט של ננו-גבישים טהורים, אלא גם מציג טכניקה מהירה וחסכונית. העלויות עבור ציוד קולי ואת האנרגיה הנדרשת הם נמוכים מאוד בהשוואה לתהליכים אחרים. יתר על כן, משך תהליך הסינתזה קצר מאוד, כך שהתהליך הסונוכימי נחשב כשיטה מועילה ליישומי אנרגיה נקייה.
(ראה: רועי ואח' 2017)

הכנת זאוליט מורדניט תחת אולטרסוניקציה

מורדניט שהתקבל עם יישום של טיפול מקדים קולי (MOR-U) הראה מורפולוגיה הומוגנית יותר של כדוריות intergrown 10 × 5 μm2 ולא סימנים של תצורות דמויות מחט או סיביות. ההליך בעזרת אולטרסאונד הביא לחומר בעל תכונות מרקמיות משופרות, בפרט, נפח המיקרו-נקבוביות הנגיש למולקולות חנקן בצורה כפי שיוצרה. במקרה של מורדניט שעבר טיפול אולטרסאונד, נצפו שינוי בצורת הגביש ומורפולוגיה הומוגנית יותר.
לסיכום, המחקר הנוכחי הראה כי הטיפול המוקדם העל-קולי בג'ל סינתזה השפיע על התכונות השונות של המורדניט המתקבל, וכתוצאה מכך

1. גודל גבישי הומוגני יותר ומורפולוגיה, היעדר גבישים דמויי סיבים ומחט לא רצויים;
2. פחות פגמים מבניים;
3. נגישות משמעותית של מיקרו-נקבוביות בדגימת המורדנייט (בהשוואה למיקרו-נקבוביות החסומות בחומרים שהוכנו בשיטת הערבוב הקלאסית, לפני הטיפול הפוסט-סינתטי);
4. ארגון Al שונה, כביכול כתוצאה ממיקומים שונים של קטיונים Na+ (הגורם המשפיע ביותר על תכונות הספיחה של החומרים המיוצרים).

הפחתת פגמים מבניים על ידי טיפול מקדים קולי של ג'ל סינתזה עשוי להיות דרך מעשית לפתור את הבעיה הנפוצה של מבנה "לא אידיאלי" במורדניטים סינתטיים. בנוסף, יכולת ספיחה גבוהה יותר במבנה זה יכולה להיות מושגת על ידי שיטה קולית קלה ויעילה המיושמת לפני הסינתזה, ללא טיפול פוסטסינתטי מסורתי גוזל זמן ומשאבים (אשר, להיפך, מוביל ליצירת פגמים מבניים). יתר על כן, המספר הנמוך יותר של קבוצות סילנול יכול לתרום לחיים קטליטיים ארוכים יותר של המורדניט המוכן.
(ראה: Kornas et al. 2021)

סולימן ואחרים (2013) חקרו את ההשפעות של אולטרסאונד באמצעות אולטרסאונד Hielscher UP200S על זאוליטים H-mordite ו-H-bet. הם הגיעו למסקנה כי סוניקציה היא טכניקה יעילה לשינוי H-mordite ו- H-Beta, מה שהופך את הזאוליטים למתאימים יותר לייצור אתר דימתיל (DME) באמצעות התייבשות מתנול.

סינתזה על-קולית של ננו-גבישים SAPO-34

באמצעות מסלול סונוכימי, SAPO-34 (מסננות מולקולריות סיליקואלומינופוספט, סוג של זאוליטים) סונתזו בהצלחה בצורה ננו-קריסטלית באמצעות TEAOH כסוכן מכוון מבנה (SDA). עבור סוניקציה, Hielscher בדיקה סוג ultrasonicator UP200S (24kHz, 200 ואט) היה בשימוש. גודל הגביש הממוצע של המוצר הסופי המוכן באופן סונוכימי הוא 50nm, שהוא גודל גביש קטן משמעותית בהשוואה לגודל של גבישים מסונתזים הידרותרמית. כאשר גבישי SAPO-34 היו סונוכימיים בתנאים הידרותרמיים, שטח הפנים היה גבוה משמעותית משטח הפנים הגבישי של גבישי SAPO-34 מסונתזים באופן קונבנציונלי באמצעות טכניקה הידרותרמית סטטית עם גבישיות כמעט זהה. בעוד השיטה ההידרותרמית הקונבנציונלית לוקחת לפחות 24 שעות של זמן סינתזה על מנת לקבל SAPO-34 גבישי לחלוטין, באמצעות סינתזה הידרותרמית בסיוע סונוכימי גבישי SAPO-34 גבישי לחלוטין המתקבלים לאחר זמן תגובה של 1.5 שעות בלבד. בשל האנרגיה העל-קולית האינטנסיבית ביותר, התגבשות הזאוליט SAPO-34 מתעצמת על ידי קריסת בועות קוויטציה על-קוליות. קריסת בועות קוויטציה מתרחשת תוך פחות מננו-שנייה וכתוצאה מכך באופן מקומי בטמפרטורות העולות ויורדות במהירות, מה שמונע ארגון והצטברות של חלקיקים ומוביל לגדלים גבישיים קטנים יותר. העובדה שניתן להכין גבישי SONO-SAPO-34 קטנים בשיטה הסונוכימית מצביעה על צפיפות נוקלציה גבוהה בשלבים המוקדמים של סינתזה וצמיחה איטית של גבישים לאחר נוקלציה. תוצאות אלה מצביעות על כך ששיטה לא קונבנציונלית זו היא טכניקה שימושית מאוד לסינתזה של ננו-גבישים SAPO-34 בתפוקות גבוהות בקנה מידה של ייצור תעשייתי.
(ראה: עסכרי והאלאדג'; 2012)

deagglomeration קולי ופיזור של זאוליטים

כאשר משתמשים בזאוליטים ביישומים תעשייתיים, במחקר או במדעי החומרים, הזאוליט היבש מעורבב לרוב בפאזה נוזלית. פיזור זאוליטים דורש טכניקת פיזור אמינה ויעילה, המפעילה מספיק אנרגיה כדי לפרק את חלקיקי הזאוליטים. אולטרא-סאונד ידועים כמפיצים חזקים ואמינים, ולכן משמשים לפיזור חומרים שונים כגון ננו-צינורות, גרפן, מינרלים וחומרים רבים אחרים בצורה הומוגנית לשלב נוזלי.
אבקת זאוליט שאינה מטופלת באולטרסאונד היא בעלת מורפולוגיה דמוית קליפה במידה ניכרת. לעומת זאת, טיפול סוניקציה של 5 דקות (דגימה של 200 מ"ל בהספק של 320 ואט) הורס את רוב הצורות דמויות הקונכייה, מה שמביא לאבקה סופית מפוזרת יותר. (ראה: רמירז מדוזה ואח' 2020)
לדוגמה, Ramirez Medoza et al. (2020) השתמשו באולטרסאונד של Hielscher probe UP200S כדי לגבש זאוליט NaX (כלומר, זאוליט X מסונתז בצורת נתרן (NaX)) בטמפרטורה נמוכה. סוניקציה במהלך השעה הראשונה של ההתגבשות הביאה להפחתה של 20% בזמן התגובה בהשוואה לתהליך התגבשות סטנדרטי. יתר על כן, הם הראו כי סוניקציה יכולה גם להפחית את מידת האגלומרציה של האבקה הסופית על ידי הפעלת אולטרסאונד בעוצמה גבוהה לתקופת סוניקציה ארוכה יותר.

אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים לסינתזה של זאוליטים

החומרה המתוחכמת והתוכנה החכמה של Hielscher ultrasonicators נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות לשחזור, כמו גם ידידותיות למשתמש. אולטרסוניקטורים Hielscher הם חזקים ואמינים, אשר מאפשר להיות מותקן ומופעל בתנאי חובה כבדים. ניתן לגשת בקלות להגדרות תפעוליות ולחייג אליהן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, אליו ניתן לגשת באמצעות תצוגת מגע צבעונית דיגיטלית ושלט רחוק של הדפדפן. לכן, כל תנאי העיבוד כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה נרשמים באופן אוטומטי על כרטיס SD מובנה. זה מאפשר לך לשנות ולהשוות ריצות סוניקציה קודמות ולמטב את תהליך הסינתזה והפיזור של הזאוליטים ליעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לתהליכי התגבשות ומוכחות כאמינות לסינתזה של זאוליטים ונגזרות זאוליטים באיכות גבוהה. Hielscher תעשייתי ultrasonicators יכול בקלות להפעיל אמפליטודות גבוהות בפעולה מתמשכת (24/7/365). אמפליטודות של עד 200μm ניתן ליצור בקלות ברציפות עם sonotrodes סטנדרטי (בדיקות קולי / קרניים). עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. בשל עמידותם ותחזוקתם הנמוכה, האולטרה-סאונד שלנו מותקן בדרך כלל עבור יישומים כבדים ובסביבות תובעניות.
מעבדים קוליים Hielscher עבור סינתזות סונוכימיות, התגבשות deagglomeration כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר עכשיו כדי לדון בתהליך ייצור הזאוליטים שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לחלוק מידע נוסף על מסלול הסינתזה הסונוכימית, מערכות קוליות ותמחור!
עם היתרון של שיטת הסינתזה העל-קולית, ייצור הזאוליטים שלך יצטיין ביעילות, פשטות ועלות נמוכה בהשוואה לתהליכי סינתזת זאוליטים אחרים!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: