सोनिकेशन द्वारा ज़िओलाइटों का संश्लेषण और क्रियात्मककरण

नैनो-ज़िओलाइटों और ज़िओलाइट व्युत्पन्नों सहित ज़िओलाइटों का संश्लेषण, क्रियात्मककरण और समुच्चय-विघटन उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा कुशलतापूर्वक और विश्वसनीय ढंग से किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक ज़िओलाइट संश्लेषण और उपचार दक्षता, सरलता तथा बड़े पैमाने के उत्पादन तक आसानी से रैखिक रूप से विस्तार किए जा सकने की क्षमता में पारंपरिक जलतापीय संश्लेषण से बेहतर हैं। अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित ज़िओलाइट अच्छी क्रिस्टलीयता और शुद्धता के साथ-साथ सरंध्रता और समुच्चय-विघटन के कारण उच्च स्तर की क्रियात्मकता प्रदर्शित करते हैं।

अल्ट्रासाउंड की सहायता से ज़िओलाइटों की तैयारी

ज़िओलाइट सूक्ष्मरंध्री क्रिस्टलीय जलयोजित ऐलुमिनोसिलिकेट हैं, जिनमें अवशोषक और उत्प्रेरक गुण होते हैं।
उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासाउंड का उपयोग अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित ज़िओलाइट क्रिस्टलों के आकार और आकारिकी को प्रभावित करता है तथा उनकी क्रिस्टलीयता में सुधार करता है। इसके अतिरिक्त, सोनोकेमिकल संश्लेषण मार्ग का उपयोग करने से क्रिस्टलीकरण का समय बहुत कम हो जाता है। अनेक प्रकार के ज़िओलाइटों के लिए अल्ट्रासाउंड-सहायित संश्लेषण मार्गों का परीक्षण और विकास किया गया है। अल्ट्रासोनिक ज़िओलाइट संश्लेषण की क्रियाविधि बेहतर द्रव्यमान स्थानांतरण पर आधारित है, जिसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल वृद्धि दर बढ़ती है। क्रिस्टल वृद्धि दर में यह बढ़ोतरी बाद में नाभिकन दर में वृद्धि करती है। इसके अतिरिक्त, सोनिकेशन घुलनशील रासायनिक प्रजातियों की सांद्रता बढ़ाकर विबहुलकीकरण–बहुलकीकरण संतुलन को प्रभावित करता है; सांद्रता में यह वृद्धि ज़िओलाइट के निर्माण के लिए आवश्यक है।
कुल मिलाकर, विभिन्न शोध अध्ययनों और पायलट पैमाने की उत्पादन व्यवस्थाओं ने अल्ट्रासोनिक ज़िओलाइट संश्लेषण को समय और लागत की बचत करने वाली अत्यंत कुशल विधि सिद्ध किया है।

ज़िओलाइटों का पारंपरिक संश्लेषण बनाम अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

पारंपरिक रूप से ज़िओलाइट का संश्लेषण कैसे किया जाता है?

पारंपरिक ज़िओलाइट संश्लेषण एक अत्यधिक समय लेने वाली जलतापीय प्रक्रिया है, जिसमें अभिक्रिया के लिए कई घंटों से लेकर कई दिनों तक का समय लग सकता है। जलतापीय मार्ग सामान्यतः एक बैच प्रक्रिया है, जिसमें अक्रिस्टलीय या घुलनशील Si और Al स्रोतों से ज़िओलाइटों का संश्लेषण किया जाता है। प्रारंभिक परिपक्वन चरण में, संरचना-निर्देशक कारक (SDA) तथा ऐलुमिनियम और सिलिका के स्रोतों से बने अभिक्रियाशील जेल को कम तापमान पर परिपक्व किया जाता है। परिपक्वन के इस पहले चरण के दौरान तथाकथित नाभिक बनते हैं। ये नाभिक वह प्रारंभिक पदार्थ हैं, जिनसे बाद की क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया में ज़िओलाइट क्रिस्टल बढ़ते हैं। क्रिस्टलीकरण की शुरुआत के साथ जेल का तापमान बढ़ाया जाता है। यह जलतापीय संश्लेषण सामान्यतः बैच रिएक्टरों में किया जाता है। हालांकि, बैच प्रक्रियाओं की कमी यह है कि उनके संचालन में अधिक श्रम लगता है।

सोनिकेशन के अंतर्गत ज़िओलाइट का संश्लेषण कैसे किया जाता है?

ज़िओलाइट का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण सौम्य परिस्थितियों में समरूप ज़िओलाइट के संश्लेषण की एक तीव्र प्रक्रिया है। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान पर सोनोकेमिकल मार्ग से 50nm ज़िओलाइट क्रिस्टलों का संश्लेषण किया गया। जहां पारंपरिक ज़िओलाइट संश्लेषण अभिक्रिया में कई दिनों तक का समय लग सकता है, वहीं सोनोकेमिकल मार्ग संश्लेषण की अवधि को घटाकर कुछ घंटे कर देता है, जिससे अभिक्रिया का समय काफी कम हो जाता है।
ज़िओलाइट का अल्ट्रासोनिक क्रिस्टलीकरण बैच या सतत प्रक्रियाओं के रूप में किया जा सकता है, जिससे इस विधि को परिवेश और प्रक्रिया के लक्ष्यों के अनुसार आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है। रैखिक रूप से पैमाना बढ़ाने की क्षमता के कारण, अल्ट्रासोनिक ज़िओलाइट संश्लेषण को प्रारंभिक बैच प्रक्रिया से इनलाइन प्रसंस्करण में विश्वसनीय ढंग से स्थानांतरित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण – बैच और इनलाइन दोनों में – बेहतर आर्थिक दक्षता, गुणवत्ता नियंत्रण और संचालन में लचीलापन प्रदान करता है।

विभिन्न प्रकार के ज़ियोलाइट के सोनोकेमिकल संश्लेषण मार्ग

अगले खंड में हम विभिन्न सोनोकेमिकल मार्गों का परिचय देते हैं, जिनका विभिन्न प्रकार के ज़ियोलाइट के संश्लेषण के लिए सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। अनुसंधान के परिणाम लगातार अल्ट्रासोनिक ज़ियोलाइट संश्लेषण की श्रेष्ठता को रेखांकित करते हैं।

Li युक्त Bikitaite ज़ियोलाइट का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

Roy और Das (2017) ने कमरे के तापमान पर 50nm आकार के लिथियम युक्त Bikitaite ज़ियोलाइट क्रिस्टलों का संश्लेषण UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग करके बैच विन्यास में किया। सफलतापूर्वक संश्लेषित लिथियम युक्त Bikitaite ज़ियोलाइट के XRD और IR विश्लेषण द्वारा कमरे के तापमान पर Bikitaite ज़ियोलाइट के सफल सोनोकेमिकल निर्माण की पुष्टि हुई।
जब सोनोकेमिकल उपचार को पारंपरिक जलतापीय उपचार के साथ संयोजित किया गया, तो ज़ियोलाइट क्रिस्टलों के प्रावस्था निर्माण को काफी कम तापमान (100ºC) पर प्राप्त किया गया, जबकि पारंपरिक जलतापीय मार्ग के विशिष्ट मान 5 दिनों तक 300ºC हैं। सोनिकेशन ज़ियोलाइट के क्रिस्टलीकरण समय और प्रावस्था निर्माण पर महत्वपूर्ण प्रभाव दिखाता है। अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित Bikitaite ज़ियोलाइट की कार्यक्षमता का मूल्यांकन करने के लिए इसकी हाइड्रोजन भंडारण क्षमता की जाँच की गई। ज़ियोलाइट में Li की मात्रा बढ़ने के साथ भंडारण आयतन बढ़ता है।
सोनोकेमिकल ज़ियोलाइट निर्माण: XRD और IR विश्लेषण से पता चला कि शुद्ध, नैनोक्रिस्टलीय Bikitaite ज़ियोलाइट का निर्माण 3 h के अल्ट्रासोनिकेशन और 72 h के परिपक्वन के बाद शुरू हुआ। 250 W पर 6 h के सोनिकेशन के बाद प्रमुख शिखरों वाला नैनो आकार का क्रिस्टलीय Bikitaite ज़ियोलाइट प्राप्त हुआ।
लाभ: लिथियम युक्त Bikitaite ज़ियोलाइट का सोनोकेमिकल संश्लेषण मार्ग न केवल शुद्ध नैनोक्रिस्टलों के सरल उत्पादन का लाभ देता है, बल्कि एक तीव्र और किफ़ायती तकनीक भी प्रस्तुत करता है। अन्य प्रक्रियाओं की तुलना में अल्ट्रासोनिक उपकरण और आवश्यक ऊर्जा की लागत बहुत कम है। इसके अलावा, संश्लेषण प्रक्रिया की अवधि बहुत कम होती है, इसलिए सोनोकेमिकल प्रक्रिया को स्वच्छ ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए एक लाभकारी विधि माना जाता है।
(cf. Roy et al. 2017)

अल्ट्रासोनिकेशन के अंतर्गत मॉर्डेनाइट ज़ियोलाइट तैयार करना

अल्ट्रासोनिक पूर्वोपचार के उपयोग से प्राप्त मॉर्डेनाइट (MOR-U) में परस्पर अंतर्विकसित 10 × 5 µm2 आकार की गुटिकाओं की अधिक समरूप आकारिकी दिखी और सुई जैसी या रेशेदार संरचनाओं का कोई संकेत नहीं मिला। अल्ट्रासाउंड सहायित प्रक्रिया से बेहतर बनावट संबंधी विशेषताओं वाला पदार्थ प्राप्त हुआ, विशेष रूप से निर्माण के तुरंत बाद की अवस्था में नाइट्रोजन अणुओं के लिए सुलभ सूक्ष्मरंध्र आयतन के संदर्भ में। अल्ट्रासोनिक पूर्वोपचारित मॉर्डेनाइट में क्रिस्टल के आकार में बदलाव और अधिक समरूप आकारिकी देखी गई।
संक्षेप में, वर्तमान अध्ययन ने दर्शाया कि संश्लेषण जेल के अल्ट्रासोनिक पूर्वोपचार ने प्राप्त मॉर्डेनाइट के विभिन्न गुणों को प्रभावित किया, जिसके परिणामस्वरूप निम्नलिखित प्राप्त हुए:

1. क्रिस्टलों का अधिक समरूप आकार और आकारिकी, अवांछनीय रेशे जैसे और सुई जैसे क्रिस्टलों का अभाव;
2. कम संरचनात्मक दोष;
3. निर्माण के तुरंत बाद की अवस्था वाले मॉर्डेनाइट नमूने में सूक्ष्मरंध्रों की उल्लेखनीय सुलभता (संश्लेषणोत्तर उपचार से पहले पारंपरिक हिलाने की विधि से तैयार पदार्थों में अवरुद्ध सूक्ष्मरंध्रों की तुलना में);
4. Al की भिन्न व्यवस्था, जिसके कारण संभवतः Na+ धनायन अलग-अलग स्थानों पर स्थित होते हैं (निर्माण के तुरंत बाद की अवस्था वाले पदार्थों के सोर्प्शन गुणों को प्रभावित करने वाला सबसे प्रभावशाली कारक)।

संश्लेषण जेल के अल्ट्रासोनिक पूर्व-उपचार द्वारा संरचनात्मक दोषों को कम करना संश्लेषित मॉर्डेनाइटों में “गैर-आदर्श” संरचना की सामान्य समस्या को हल करने का एक व्यावहारिक तरीका हो सकता है। इसके अतिरिक्त, संश्लेषण से पहले लागू की जाने वाली एक सरल और कुशल अल्ट्रासोनिक विधि से इस संरचना में उच्चतर अधिशोषण-अवशोषण क्षमता प्राप्त की जा सकती है, जिसके लिए समय और संसाधनों की अधिक खपत वाले पारंपरिक संश्लेषणोत्तर उपचार की आवश्यकता नहीं होती (जो, इसके विपरीत, संरचनात्मक दोष उत्पन्न करता है)। इसके अलावा, सिलैनॉल समूहों की कम संख्या तैयार किए गए मॉर्डेनाइट के उत्प्रेरकीय जीवनकाल को बढ़ाने में योगदान दे सकती है।
(cf. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) ने Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर UP200S का उपयोग करके H-mordite और H-bet ज़ियोलाइटों पर अल्ट्रासाउंड के प्रभावों का अध्ययन किया। वे इस निष्कर्ष पर पहुँचे कि सोनिकेशन H-mordite और H-Beta के संशोधन की एक प्रभावी तकनीक है, जो ज़ियोलाइटों को मेथनॉल के निर्जलीकरण द्वारा डाइमिथाइल ईथर (DME) के उत्पादन के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है।

SAPO-34 नैनोक्रिस्टलों का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

सोनोकेमिकल विधि से, संरचना-निर्देशक एजेंट (SDA) के रूप में TEAOH का उपयोग करके SAPO-34 (सिलिकोऐलुमिनोफॉस्फेट आणविक छलनियाँ, जो ज़ियोलाइटों का एक वर्ग हैं) को नैनोक्रिस्टलीय रूप में सफलतापूर्वक संश्लेषित किया गया। सोनिकेशन के लिए, Hielscher के प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर UP200S (24kHz, 200 watts) का उपयोग किया गया। सोनोकेमिकल रूप से तैयार अंतिम उत्पाद का औसत क्रिस्टल आकार 50nm है, जो हाइड्रोथर्मल रूप से संश्लेषित क्रिस्टलों के आकार की तुलना में काफी छोटा है। जब SAPO-34 क्रिस्टल हाइड्रोथर्मल परिस्थितियों में सोनोकेमिकल रूप से तैयार किए गए, तो उनका पृष्ठीय क्षेत्रफल स्थिर हाइड्रोथर्मल तकनीक द्वारा पारंपरिक रूप से संश्लेषित, लगभग समान क्रिस्टलीयता वाले SAPO-34 क्रिस्टलों के पृष्ठीय क्षेत्रफल की तुलना में काफी अधिक था। जहाँ पारंपरिक हाइड्रोथर्मल विधि में पूर्णतः क्रिस्टलीय SAPO-34 प्राप्त करने के लिए कम से कम 24 h का संश्लेषण समय लगता है, वहीं सोनोकेमिकल सहायता से किए गए हाइड्रोथर्मल संश्लेषण द्वारा केवल 1.5 h के अभिक्रिया समय के बाद पूर्णतः क्रिस्टलीय SAPO-34 क्रिस्टल प्राप्त किए गए। अत्यधिक तीव्र अल्ट्रासोनिक ऊर्जा के कारण, अल्ट्रासोनिक कैविटेशन बुलबुलों के ध्वस्त होने से ज़ियोलाइट SAPO-34 का क्रिस्टलीकरण तीव्र हो जाता है। कैविटेशन बुलबुलों का अंतःस्फोट एक नैनोसेकंड से भी कम समय में होता है, जिसके परिणामस्वरूप स्थानीय स्तर पर तापमान तेजी से बढ़ता और घटता है। इससे कणों का व्यवस्थित होना और उनका समुच्चयन रुकता है तथा छोटे आकार के क्रिस्टल बनते हैं। सोनोकेमिकल विधि द्वारा छोटे SONO-SAPO-34 क्रिस्टल तैयार किए जा सकने का तथ्य संश्लेषण के प्रारंभिक चरणों में उच्च नाभिकन घनत्व और नाभिकन के बाद धीमी क्रिस्टल वृद्धि का संकेत देता है। ये परिणाम संकेत देते हैं कि यह अपरंपरागत विधि औद्योगिक उत्पादन पैमाने पर उच्च प्राप्ति के साथ SAPO-34 नैनोक्रिस्टलों के संश्लेषण के लिए एक बहुत उपयोगी तकनीक है।
(cf. Askari and Halladj; 2012)

ज़ियोलाइटों का अल्ट्रासोनिक विसमुच्चयन और परिक्षेपण

जब ज़ियोलाइटों का उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों, अनुसंधान या पदार्थ विज्ञान में किया जाता है, तो सूखे ज़ियोलाइट को प्रायः किसी द्रव प्रावस्था में मिलाया जाता है। ज़ियोलाइट के परिक्षेपण के लिए एक विश्वसनीय और प्रभावी परिक्षेपण तकनीक की आवश्यकता होती है, जो ज़ियोलाइट कणों के समुच्चयों को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करे। अल्ट्रासोनिकेटर शक्तिशाली और विश्वसनीय परिक्षेपक के रूप में प्रसिद्ध हैं, इसलिए उनका उपयोग नैनोट्यूब, ग्राफीन, खनिजों और कई अन्य पदार्थों को किसी द्रव प्रावस्था में समरूप रूप से परिक्षेपित करने के लिए किया जाता है।
अल्ट्रासाउंड से उपचारित न किया गया ज़ियोलाइट पाउडर खोल जैसी आकृति के साथ काफी हद तक समुच्चयित होता है। इसके विपरीत, 5 min का सोनिकेशन उपचार (200 mL नमूने का 320 W पर सोनिकेशन) अधिकांश खोल जैसी आकृतियों को नष्ट करता प्रतीत होता है, जिसके परिणामस्वरूप अंतिम पाउडर अधिक परिक्षेपित होता है। (cf. Ramirez Medoza et al. 2020)
उदाहरण के लिए, Ramirez Medoza et al. (2020) ने Hielscher प्रोब अल्ट्रासोनिकेटर UP200S का उपयोग कम तापमान पर NaX जिओलाइट (अर्थात सोडियम रूप (NaX) में संश्लेषित जिओलाइट X) को क्रिस्टलीकृत करने के लिए किया। क्रिस्टलीकरण के पहले घंटे के दौरान सोनिकेशन से मानक क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया की तुलना में अभिक्रिया समय में 20% की कमी आई। इसके अतिरिक्त, उन्होंने प्रदर्शित किया कि लंबे समय तक सोनिकेशन के दौरान उच्च तीव्रता वाला अल्ट्रासाउंड लागू करके अंतिम पाउडर के समुच्चयन की मात्रा को भी कम किया जा सकता है।

जिओलाइट संश्लेषण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिकेटर

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर के परिष्कृत हार्डवेयर और स्मार्ट सॉफ्टवेयर विश्वसनीय संचालन, पुनरुत्पादनीय परिणामों और उपयोग में सुगमता की गारंटी देने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर मजबूत और विश्वसनीय हैं, जिससे इन्हें कठोर कार्य परिस्थितियों में स्थापित और संचालित किया जा सकता है। सहज मेनू के माध्यम से संचालन सेटिंग्स तक आसानी से पहुँचा जा सकता है और उन्हें समायोजित किया जा सकता है। इस मेनू तक डिजिटल रंगीन टच डिस्प्ले और ब्राउज़र रिमोट कंट्रोल के माध्यम से पहुँचा जा सकता है। इसलिए शुद्ध ऊर्जा, कुल ऊर्जा, आयाम, समय, दाब और तापमान जैसी सभी प्रसंस्करण स्थितियाँ अंतर्निर्मित SD कार्ड पर स्वचालित रूप से दर्ज होती हैं। इससे आप पिछले सोनिकेशन चक्रों की समीक्षा और तुलना कर सकते हैं तथा जिओलाइट संश्लेषण और परिक्षेपण प्रक्रिया को उच्चतम दक्षता के लिए अनुकूलित कर सकते हैं।
Hielscher Ultrasonics प्रणालियों का उपयोग दुनिया भर में क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाओं के लिए किया जाता है और ये उच्च गुणवत्ता वाले जिओलाइट तथा जिओलाइट व्युत्पन्नों के संश्लेषण के लिए विश्वसनीय सिद्ध हुई हैं। Hielscher औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर निरंतर संचालन (24/7/365) में आसानी से उच्च आयामों पर चल सकते हैं। मानक सोनोट्रोड (अल्ट्रासोनिक प्रोब / हॉर्न) के साथ 200µm तक के आयाम आसानी से लगातार उत्पन्न किए जा सकते हैं। इससे भी अधिक आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। अपनी मजबूती और कम रखरखाव की आवश्यकता के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटर आम तौर पर भारी कार्यभार वाले अनुप्रयोगों और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में स्थापित किए जाते हैं।
सोनोकेमिकल संश्लेषण, क्रिस्टलीकरण और विसमुच्चयन के लिए Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर दुनिया भर में व्यावसायिक पैमाने पर पहले से स्थापित हैं। अपनी जिओलाइट निर्माण प्रक्रिया पर चर्चा करने के लिए अभी हमसे संपर्क करें! हमारे अनुभवी कर्मचारी सोनोकेमिकल संश्लेषण विधि, अल्ट्रासोनिक प्रणालियों और कीमतों के बारे में अधिक जानकारी साझा करने में प्रसन्न होंगे!
अल्ट्रासोनिक संश्लेषण विधि के लाभ से आपका जिओलाइट उत्पादन अन्य जिओलाइट संश्लेषण प्रक्रियाओं की तुलना में दक्षता, सरलता और कम लागत के मामले में उत्कृष्ट होगा!

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: