A zeolitok szintézise és funkcionalizálása szonikálással

Zeolitok, beleértve a nano-zeolitokat és a zeolitszármazékokat, hatékonyan és megbízhatóan szintetizálhatók, funkcionalizálhatók és deagglomerálhatók nagy teljesítményű ultrahangos kezeléssel. Az ultrahangos zeolit szintézis és kezelés kiemelkedik a hagyományos hidrotermikus szintézis hatékonysággal, egyszerűséggel és egyszerű lineáris skálázhatósággal a nagy termeléshez. Az ultrahanggal szintetizált zeolitok jó kristályosságot, tisztaságot és magas fokú funkcionalitást mutatnak a porozitás és a deagglomeráció miatt.

Zeolitok ultrahanggal segített előállítása

A zeolitok mikroporózus kristályos hidratált alumínium-szilikátok, abszorbens és katalitikus tulajdonságokkal.
A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása befolyásolja az ultrahanggal szintetizált zeolit kristályok méretét és morfológiáját, és javítja kristályosságukat. Továbbá, a kristályosodási idő drasztikusan csökken egy szonokémiai szintézis útján. Az ultrahanggal segített zeolit szintézis útvonalakat számos zeolit típusra tesztelték és fejlesztették ki. Az ultrahangos zeolit szintézis mechanizmusa a jobb tömegátadáson alapul, ami megnövekedett kristálynövekedési sebességet eredményez. A kristály növekedési sebességének növekedése később megnövekedett nukleációs sebességhez vezet. Ezenkívül az ultrahangos kezelés befolyásolja a depolimerizációs-polimerizációs egyensúlyt az oldható fajok koncentrációjának növekedésével, ami a zeolit képződéséhez szükséges.
Összességében a különböző kutatási tanulmányok és a kísérleti léptékű gyártási beállítások bizonyították az ultrahangos zeolit szintézist, mint rendkívül hatékony, időt és költségeket takarítva meg.

A zeolitok hagyományos szintézise vs ultrahangos szintézise

Hogyan szintetizálódik a zeolit hagyományosan?

A hagyományos zeolit szintézis nagyon időigényes hidrotermikus folyamat, amely reakcióidőt igényelhet több órától néhány napig. A hidrotermikus útvonal általában szakaszos folyamat, ahol a zeolitok amorf vagy oldható Si és Al forrásokból szintetizálódnak. A kezdeti öregedési szakaszban a reaktív gélt szerkezetirányító anyag (SDA) alkotja, és az alumínium és szilícium-dioxid forrásait alacsony hőmérsékleten öregítik. Az öregedés ezen első lépése során úgynevezett atommagok keletkeznek. Ezek a magok a kiindulási anyag, amelyből a következő kristályosodási folyamat során a zeolit kristályok nőnek. A kristályosodás megkezdésével a gél hőmérséklete emelkedik. Ezt a hidrotermikus szintézist általában szakaszos reaktorokban végezzük. A szakaszos folyamatok azonban a munkaigényes működés hátrányával járnak.

Hogyan szintetizálódik a zeolit szonikálás alatt?

A zeolit ultrahangos szintézise gyors eljárás homogén zeolit szintetizálására enyhe körülmények között. Például 50 nm-es zeolit kristályokat szintetizáltunk szonokémiai úton szobahőmérsékleten. Míg a hagyományos zeolit szintézis reakció akár több napig is eltarthat, a szonokémiai út néhány órára csökkenti a szintézis időtartamát, ezáltal jelentősen csökkentve a reakcióidőt.
A zeolit ultrahangos kristályosítása kötegelt vagy folyamatos folyamatokként hajtható végre, ami az alkalmazást könnyen adaptálja a környezethez és a folyamat céljaihoz. A lineáris méretezhetőség miatt az ultrahangos zeolit szintézisek megbízhatóan átvihetők a kezdeti kötegelt folyamatból az inline feldolgozásba. Ultrahangos feldolgozás – tételenként és soron belül – kiváló gazdaságosságot, minőségellenőrzést és működési rugalmasságot tesz lehetővé.

Különböző zeolit típusok szonokémiai szintézis útvonalai

A következő részben különböző szonokémiai útvonalakat mutatunk be, amelyeket sikeresen alkalmaztak különböző zeolit típusok szintetizálására. A kutatási eredmények következetesen hangsúlyozzák az ultrahangos zeolit szintézis fölényét.

Li-tartalmú bikitait zeolit ultrahangos szintézise

Roy és Das (2017) 50 nm-es lítiumtartalmú zeolit bikitait kristályokat szintetizált szobahőmérsékleten a UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) Ultrahangos kötegelt beállításban. A bikitait zeolit sikeres szonokémiai képződését szobahőmérsékleten sikeresen szintetizált lítiumtartalmú bikitait zeolit XRD és IR elemzéssel igazolta.
Amikor a szonokémiai kezelést kombinálták a hagyományos hidrotermikus kezeléssel, a zeolit kristályok fázisképződését sokkal alacsonyabb hőmérsékleten (100 ° C) sikerült elérni, mint az 300 ° C-ot 5 napig, amelyek a hagyományos hidrotermikus útvonal tipikus értékei. A szonikálás jelentős hatást gyakorol a zeolit kristályosodási idejére és fázisképződésére. Az ultrahanggal szintetizált bikitait zeolit funkcionalitásának értékelése érdekében megvizsgáltuk hidrogéntároló kapacitását. A tárolási térfogat a zeolit Li-tartalmának növekedésével nő.
Sonokémiai zeolit képződés: Az XRD és IR elemzés azt mutatta, hogy a tiszta, nanokristályos bikitait zeolit képződése 3 órás ultrahangos kezelés és 72 órás öregedés után kezdődött. A nanoméretű kristályos bikitait zeolitot kiemelkedő csúcsokkal 6 órás ultrahangos idő után kaptuk 250 W-on.
Előnye: A lítiumtartalmú zeolit bikitait szonokémiai szintézisének útja nemcsak a tiszta nanokristályok egyszerű előállításának előnye, hanem gyors és költséghatékony technikát is bemutat. Az ultrahangos berendezések és a szükséges energia költségei nagyon alacsonyak a többi folyamathoz képest. Továbbá, a szintézis folyamatának időtartama nagyon rövid, így a szonokémiai folyamat előnyös módszernek tekinthető a tiszta energia alkalmazásokhoz.
(vö. Roy et al. 2017)

Zeolit mordenit készítmény ultrahangos kezelés alatt

Az ultrahangos előkezelés (MOR-U) alkalmazásával kapott mordenit a 10 × 5 μm2 benőtt pelletek homogénebb morfológiáját mutatta, és nem mutatott tűszerű vagy rostos képződés jeleit. Az ultrahanggal segített eljárás olyan anyagot eredményezett, amely javított texturális tulajdonságokkal rendelkezik, különösen a nitrogénmolekulák számára hozzáférhető mikropórustérfogattal. Az ultrahanggal előkezelt mordenit esetében megváltozott kristályalakot és homogénebb morfológiát figyeltek meg.
Összefoglalva, a jelenlegi vizsgálat kimutatta, hogy a szintézis gél ultrahangos előkezelése befolyásolta a kapott mordenit különböző tulajdonságait, ami

1. homogénebb kristályméret és morfológia, nemkívánatos szál- és tűszerű kristályok hiánya;
2. kevesebb szerkezeti hiba;
3. jelentős mikropórus-hozzáférhetőség az elkészítéses mordenit mintában (összehasonlítva a klasszikus keverési módszerrel előállított anyagok blokkolt mikropórusaival a posztszintetikus kezelés előtt);
4. különböző Al-szerveződések, amelyek feltehetően a Na+ kationok különböző pozícióit eredményezik (a legbefolyásosabb tényező, amely befolyásolja a kész anyagok szorpciós tulajdonságait).

A szerkezeti hibák csökkentése a szintézis gél ultrahangos előkezelésével megvalósítható módja lehet a szintetikus mordenitek "nem ideális" szerkezetének általános problémájának megoldására. Ezenkívül ebben a szerkezetben nagyobb szorpciós kapacitás érhető el a szintézis előtt alkalmazott egyszerű és hatékony ultrahangos módszerrel, idő- és erőforrás-igényes hagyományos posztszintetikus kezelés nélkül (ami éppen ellenkezőleg, szerkezeti hibák kialakulásához vezet). Ezenkívül a szilanolcsoportok alacsonyabb száma hozzájárulhat az elkészített mordenit hosszabb katalitikus élettartamához.
(vö. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) tanulmányozta az ultrahang hatásait a Hielscher ultrasonicator segítségével UP200S H-mordit és H-bet zeolitok. Arra a következtetésre jutottak, hogy az ultrahangos kezelés hatékony technika a H-mordit és a H-béta módosítására, amelyek a zeolitokat alkalmasabbá teszik a dimetil-éter (DME) előállítására a metanol dehidratációjával.

SAPO-34 nanokristályok ultrahangos szintézise

Szonokémiai úton a SAPO-34-et (szilikoaluminofoszfát molekuláris szűrők, a zeolitok egy osztálya) sikeresen szintetizálták nanocrstallin formában a TEAOH szerkezetirányító szerként (SDA) történő felhasználásával. Az ultrahangos kezeléshez a Hielscher szonda típusú ultrahangos készülék UP200S (24kHz, 200 watt) használták. A végtermék átlagos kristálymérete szonokémiailag 50nm, ami lényegesen kisebb kristályméret a hidrotermikusan szintetizált kristályok méretéhez képest. Amikor a SAPO-34 kristályokat hidrotermikus körülmények között szonokémiailag kezelték, a felület lényegesen nagyobb, mint a hagyományosan szintetizált SAPO-34 kristályok kristályfelülete statikus hidrotermikus technikával, közel azonos kristályossággal. Míg a hagyományos hidrotermikus módszer legalább 24 órás szintézisidőt vesz igénybe ahhoz, hogy teljesen kristályos SAPO-34-et kapjunk, szonokémiailag segített hidrotermikus szintézissel teljesen kristályos SAPO-34 kristályok werde csak 1,5 órás reakcióidő után nyerhetők. A rendkívül intenzív ultrahangos energia miatt a zeolit SAPO-34 kristályosodását fokozza az ultrahangos kavitációs buborékok összeomlása. A kavitációs buborékok implóziója kevesebb, mint egy nanoszekundum alatt következik be, ami lokálisan gyorsan emelkedő és csökkenő hőmérsékletet eredményez, ami megakadályozza a részecskék szerveződését és agglomerációját, és kisebb kristálymérethez vezet. Az a tény, hogy a kis SONO-SAPO-34 kristályok szonokémiai módszerrel előállíthatók, nagy nukleációs sűrűséget sugall a szintézis korai szakaszában és lassú kristálynövekedést a nukleáció után. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy ez a nem hagyományos módszer nagyon hasznos technika a SAPO-34 nanokristályok szintézisére nagy hozamban ipari termelési méretekben.
(vö. Askari és Halladj; 2012)

Ultrahangos deagglomeráció és zeolitok diszperziója

Amikor a zeolitokat ipari alkalmazásokban, kutatásban vagy anyagtudományban használják, a száraz zeolitot többnyire folyékony fázisba keverik. A zeolit diszperzióhoz megbízható és hatékony diszpergálási technikára van szükség, amely elegendő energiát alkalmaz a zeolit részecskék deagglomerálásához. Az ultrahangos készülékek jól ismertek, hogy erős és megbízható diszpergálószerek, ezért különböző anyagok, például nanocsövek, grafén, ásványi anyagok és sok más anyag homogén diszpergálására folyékony fázisba kerülnek.
Az ultrahanggal nem kezelt zeolit por jelentősen agglomerálódik a héjszerű morfológiával. Ezzel szemben az 5 perces ultrahangos kezelés (200 ml minta ultrahanggal ultrahanggal 320 W-on) úgy tűnik, hogy elpusztítja a legtöbb héjszerű formát, ami diszpergáltabb végső port eredményez. (vö. Ramirez Medoza et al. 2020)
Például Ramirez Medoza et al. (2020) a Hielscher szonda ultrahangos készüléket használta UP200S NaX-zeolit (azaz nátrium formában szintetizált zeolit X (NaX)) alacsony hőmérsékleten történő kristályosítására. A kristályosodás első órájában végzett szonikálás a reakcióidő 20% -os csökkenését eredményezte a standard kristályosítási folyamathoz képest. Továbbá kimutatták, hogy az ultrahangozás csökkentheti a végső por agglomerációs fokát is, ha nagy intenzitású ultrahangot alkalmaz hosszabb ultrahangos időszakra.

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek zeolit szintézishez

A Hielscher ultrasonicators kifinomult hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy garantálja a megbízható működést, reprodukálható eredményeket és felhasználóbarát. A Hielscher ultrahangos készülékek robusztusak és megbízhatóak, amelyek lehetővé teszik a telepítést és üzemeltetést nagy teherbírású körülmények között. A működési beállítások könnyen elérhetők és tárcsázhatók az intuitív menü segítségével, amely digitális színes érintőképernyővel és böngésző távirányítóval érhető el. Ezért minden feldolgozási körülmény, például a nettó energia, a teljes energia, az amplitúdó, az idő, a nyomás és a hőmérséklet automatikusan rögzítésre kerül a beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi szonikációs futások felülvizsgálatát és összehasonlítását, valamint a zeolit szintézis és diszperziós folyamat optimalizálását a legnagyobb hatékonyság érdekében.
A Hielscher Ultrasonics rendszereket világszerte használják kristályosítási folyamatokhoz, és megbízhatónak bizonyultak a kiváló minőségű zeolitok és zeolitszármazékok szintéziséhez. A Hielscher ipari ultrahangos készülékek könnyen nagy amplitúdókat futtathatnak folyamatos üzemben (24/7/365). Az 200μm-ig terjedő amplitúdók könnyen folyamatosan generálhatók standard sonotrodes (ultrahangos szondák / szarvak) segítségével. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. Robusztusságuk és alacsony karbantartásuk miatt ultrahangos készülékeinket általában nagy teherbírású alkalmazásokhoz és igényes környezetekhez telepítik.
Hielscher ultrahangos processzorok szonokémiai szintézisekhez, kristályosításhoz és deagglomerációhoz már világszerte kereskedelmi méretekben vannak telepítve. Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy megvitassák zeolit gyártási folyamatát! Jól tapasztalt munkatársaink örömmel osztanak meg több információt a szonokémiai szintézis útjáról, ultrahangos rendszereiről és áráról!
Az ultrahangos szintézis módszer előnyével a zeolit termelése kiemelkedik a hatékonyságban, az egyszerűségben és az alacsony költségben, összehasonlítva más zeolit szintézis folyamatokkal!

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: