Ցեոլիտների սինթեզ և ֆունկցիոնալացում ուլտրաձայնային մշակմամբ

Ցեոլիտները, ներառյալ նանոցեոլիտներն ու ցեոլիտների ածանցյալները, կարելի է արդյունավետ և հուսալի կերպով սինթեզել, ֆունկցիոնալացնել և դեագլոմերացնել բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային մշակման միջոցով։ Ցեոլիտների ուլտրաձայնային սինթեզն ու մշակումը գերազանցում են ավանդական հիդրոթերմալ սինթեզին արդյունավետությամբ, պարզությամբ և արտադրության ծավալները մինչև խոշոր արտադրություն պարզ ու գծային եղանակով մեծացնելու հնարավորությամբ։ Ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված ցեոլիտներն ունեն լավ բյուրեղայնություն, մաքրություն, ինչպես նաև ծակոտկենությամբ և դեագլոմերացմամբ պայմանավորված ֆունկցիոնալության բարձր աստիճան։

Ցեոլիտների ստացում ուլտրաձայնի օժանդակությամբ

Ցեոլիտները միկրոծակոտկեն բյուրեղային հիդրատացված ալյումասիլիկատներ են՝ կլանող և կատալիտիկ հատկություններով։
Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնի կիրառումն ազդում է ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված ցեոլիտի բյուրեղների չափերի և ձևաբանության վրա ու բարելավում դրանց բյուրեղայնությունը։ Բացի այդ, սոնոքիմիական սինթեզի եղանակի կիրառմամբ բյուրեղացման ժամանակը կտրուկ կրճատվում է։ Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ցեոլիտների սինթեզի եղանակներ են փորձարկվել և մշակվել ցեոլիտների բազմաթիվ տեսակների համար։ Ցեոլիտների ուլտրաձայնային սինթեզի մեխանիզմը հիմնված է բարելավված զանգվածափոխանակության վրա, որը հանգեցնում է բյուրեղների աճի արագության բարձրացման։ Բյուրեղների աճի արագության այս բարձրացումն իր հերթին հանգեցնում է բյուրեղացման սաղմերի առաջացման արագության բարձրացման։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումն ազդում է դեպոլիմերացման–պոլիմերացման հավասարակշռության վրա՝ մեծացնելով լուծելի մասնիկների կոնցենտրացիան, ինչն անհրաժեշտ է ցեոլիտի առաջացման համար։
Ընդհանուր առմամբ, տարբեր հետազոտություններ և փորձնական մասշտաբի արտադրական կայանքներ ապացուցել են, որ ցեոլիտների ուլտրաձայնային սինթեզը խիստ արդյունավետ է՝ խնայելով ժամանակն ու ծախսերը։

Ցեոլիտների ավանդական սինթեզի և ուլտրաձայնային սինթեզի համեմատություն

Ինչպե՞ս է ցեոլիտը սինթեզվում ավանդական եղանակով։

Ցեոլիտների ավանդական սինթեզը շատ ժամանակատար հիդրոթերմալ գործընթաց է, որի համար կարող է պահանջվել մի քանի ժամից մինչև մի քանի օր տևող ռեակցիա։ Հիդրոթերմալ եղանակը սովորաբար պարբերական գործընթաց է, որի ընթացքում ցեոլիտները սինթեզվում են Si և Al պարունակող ամորֆ կամ լուծելի աղբյուրներից։ Հասունացման սկզբնական փուլում ռեակցիոն գելը, որը կազմված է կառուցվածք ուղղորդող նյութից (SDA) և ալյումինի ու սիլիցիումի երկօքսիդի աղբյուրներից, հասունացվում է ցածր ջերմաստիճանում։ Հասունացման այս առաջին փուլի ընթացքում առաջանում են այսպես կոչված սաղմեր։ Այս սաղմերն այն ելանյութն են, որից հետագա բյուրեղացման գործընթացում աճում են ցեոլիտի բյուրեղները։ Բյուրեղացման սկսվելուն պես գելի ջերմաստիճանը բարձրացվում է։ Այս հիդրոթերմալ սինթեզը սովորաբար իրականացվում է պարբերական գործողության ռեակտորներում։ Սակայն պարբերական գործընթացների թերությունը աշխատատար շահագործումն է։

Ինչպե՞ս է ցեոլիտը սինթեզվում ուլտրաձայնային մշակմամբ։

Ցեոլիտի ուլտրաձայնային սինթեզը մեղմ պայմաններում համասեռ ցեոլիտ սինթեզելու արագ ընթացակարգ է։ Օրինակ՝ սոնոքիմիական եղանակով սենյակային ջերմաստիճանում սինթեզվել են 50nm չափի ցեոլիտի բյուրեղներ։ Մինչ ցեոլիտի ավանդական սինթեզի ռեակցիան կարող է տևել մինչև մի քանի օր, սոնոքիմիական եղանակը սինթեզի տևողությունը կրճատում է մինչև մի քանի ժամ՝ դրանով զգալիորեն կրճատելով ռեակցիայի ժամանակը։
Ցեոլիտի ուլտրաձայնային բյուրեղացումը կարող է իրականացվել որպես պարբերական կամ անընդհատ գործընթաց, ինչը թույլ է տալիս կիրառումը հեշտությամբ հարմարեցնել միջավայրին և գործընթացի նպատակներին։ Արտադրության ծավալների գծային մեծացման հնարավորության շնորհիվ ցեոլիտների ուլտրաձայնային սինթեզը կարելի է հուսալիորեն տեղափոխել սկզբնական պարբերական գործընթացից դեպի հոսքային մշակում։ Ուլտրաձայնային մշակումը՝ պարբերական և հոսքային եղանակներով, ապահովում է ավելի բարձր տնտեսական արդյունավետություն, որակի վերահսկում և շահագործման ճկունություն։

Ցեոլիտների տարբեր տեսակների սոնոքիմիական սինթեզի ուղիները

Հաջորդ բաժնում ներկայացնում ենք սոնոքիմիական տարբեր ուղիներ, որոնք հաջողությամբ կիրառվել են ցեոլիտների տարբեր տեսակների սինթեզի համար։ Հետազոտությունների արդյունքները հետևողականորեն ընդգծում են ցեոլիտների ուլտրաձայնային սինթեզի առավելությունը։

Li պարունակող Bikitaite ցեոլիտի ուլտրաձայնային սինթեզը

Roy և Das (2017) սենյակային ջերմաստիճանում սինթեզել են լիթիում պարունակող Bikitaite ցեոլիտի 50nm բյուրեղներ՝ օգտագործելով UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ուլտրաձայնային սարքը պարբերական գործողության համակարգում։ Սենյակային ջերմաստիճանում Bikitaite ցեոլիտի հաջող սոնոքիմիական առաջացումը հաստատվել է հաջողությամբ սինթեզված լիթիում պարունակող Bikitaite ցեոլիտի միջոցով՝ XRD և IR վերլուծությամբ։
Երբ սոնոքիմիական մշակումը համակցվել է սովորական հիդրոթերմային մշակման հետ, ցեոլիտի բյուրեղների ֆազի առաջացումն ապահովվել է շատ ավելի ցածր ջերմաստիճանում (100ºC)՝ համեմատած սովորական հիդրոթերմային եղանակին բնորոշ 300ºC ջերմաստիճանի և 5 օր տևողության հետ։ Ուլտրաձայնային մշակումն էապես ազդում է ցեոլիտի բյուրեղացման ժամանակի և ֆազի առաջացման վրա։ Ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված Bikitaite ցեոլիտի ֆունկցիոնալությունը գնահատելու համար ուսումնասիրվել է ջրածին պահելու դրա տարողությունը։ Պահվող ջրածնի ծավալը մեծանում է ցեոլիտում Li պարունակության աճին զուգընթաց։
Ցեոլիտի սոնոքիմիական առաջացումը. XRD և IR վերլուծությունը ցույց է տվել, որ մաքուր, նանոբյուրեղային Bikitaite ցեոլիտի առաջացումը սկսվել է 3 h ուլտրաձայնային մշակումից և 72 h հնեցումից հետո։ Արտահայտված պիկերով նանոչափ բյուրեղային Bikitaite ցեոլիտ ստացվել է 250 W հզորությամբ 6 h ուլտրաձայնային մշակումից հետո։
Առավելությունները. Լիթիում պարունակող Bikitaite ցեոլիտի սոնոքիմիական սինթեզի ուղին ոչ միայն ընձեռում է մաքուր նանոբյուրեղների պարզ արտադրության առավելություն, այլև արագ և ծախսարդյունավետ մեթոդ է։ Ուլտրաձայնային սարքավորումների և անհրաժեշտ էներգիայի ծախսերը շատ ցածր են՝ համեմատած այլ գործընթացների հետ։ Բացի այդ, սինթեզի գործընթացի տևողությունը շատ կարճ է, ուստի սոնոքիմիական գործընթացը համարվում է մաքուր էներգետիկայի կիրառությունների համար շահավետ մեթոդ։
(տե՛ս Roy և համահեղինակներ, 2017)

Մորդենիտ ցեոլիտի պատրաստումը ուլտրաձայնային մշակմամբ

Ուլտրաձայնային նախամշակման կիրառմամբ ստացված մորդենիտը (MOR-U) ցուցաբերել է միմյանց սերտաճած 10 × 5 µm2 հատիկների ավելի համասեռ մորֆոլոգիա՝ առանց ասեղանման կամ թելքավոր գոյացությունների նշանների։ Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ իրականացված ընթացակարգի արդյունքում ստացվել է բարելավված տեքստուրային բնութագրերով նյութ, մասնավորապես՝ ստացված վիճակում ազոտի մոլեկուլներին հասանելի միկրոծակոտիների ծավալով։ Ուլտրաձայնային նախամշակման ենթարկված մորդենիտի դեպքում դիտվել են բյուրեղների փոփոխված ձև և ավելի համասեռ մորֆոլոգիա։
Ամփոփելով՝ սույն հետազոտությունը ցույց է տվել, որ սինթեզի գելի ուլտրաձայնային նախամշակումն ազդել է ստացված մորդենիտի տարբեր հատկությունների վրա՝ հանգեցնելով հետևյալին՝

1. բյուրեղների ավելի համասեռ չափ և մորֆոլոգիա, անցանկալի թելքավոր և ասեղանման բյուրեղների բացակայություն,
2. ավելի քիչ կառուցվածքային արատներ,
3. ստացված վիճակում մորդենիտի նմուշի միկրոծակոտիների զգալի հասանելիություն (ի համեմատ դասական խառնման մեթոդով պատրաստված նյութերի խցանված միկրոծակոտիների՝ հետսինթեզային մշակումից առաջ),
4. Al ատոմների այլ դասավորվածություն, որը ենթադրաբար հանգեցնում է Na+ կատիոնների այլ դիրքերի (ստացված վիճակում նյութերի սորբցիոն հատկությունների վրա ազդող ամենաէական գործոնը)։

Սինթեզի գելի ուլտրաձայնային նախամշակման միջոցով կառուցվածքային արատների նվազեցումը կարող է իրագործելի միջոց լինել սինթետիկ մորդենիտներում «ոչ իդեալական» կառուցվածքի տարածված խնդիրը լուծելու համար։ Բացի այդ, այս կառուցվածքում ավելի բարձր սորբցիոն տարողության կարելի է հասնել սինթեզից առաջ կիրառվող պարզ և արդյունավետ ուլտրաձայնային մեթոդով՝ առանց ժամանակ և ռեսուրսներ պահանջող ավանդական հետսինթեզային մշակման (որը, ընդհակառակը, հանգեցնում է կառուցվածքային արատների առաջացման)։ Ավելին, սիլանոլային խմբերի ավելի փոքր քանակը կարող է նպաստել ստացված մորդենիտի՝ որպես կատալիզատոր ծառայելու ժամկետի երկարացմանը։
(տե՛ս Kornas և այլք, 2021)

Solyman և այլք (2013) ուսումնասիրել են Hielscher ուլտրաձայնային սարքի՝ UP200S , միջոցով ուլտրաձայնի ազդեցությունը H-mordite և H-bet ցեոլիտների վրա։ Նրանք հանգել են այն եզրակացության, որ ուլտրաձայնային մշակումը H-mordite և H-Beta ցեոլիտների ձևափոխման արդյունավետ մեթոդ է, որը ցեոլիտներն ավելի հարմար է դարձնում մեթանոլի ջրազրկմամբ դիմեթիլեթերի (DME) արտադրության համար։

SAPO-34 նանոբյուրեղների ուլտրաձայնային սինթեզ

Սոնոքիմիական եղանակով հաջողությամբ սինթեզվել է նանոբյուրեղային SAPO-34 (սիլիկոալյումինոֆոսֆատային մոլեկուլային մաղեր՝ ցեոլիտների դասերից մեկը)՝ որպես կառուցվածք ուղղորդող նյութ (SDA) օգտագործելով TEAOH։ Ուլտրաձայնային մշակման համար կիրառվել է Hielscher զոնդային ուլտրաձայնային սարքը՝ UP200S (24kHz, 200 վատտ) ։ Սոնոքիմիական եղանակով ստացված վերջնական արտադրանքի բյուրեղների միջին չափը 50nm է, ինչը զգալիորեն փոքր է հիդրոթերմալ եղանակով սինթեզված բյուրեղների չափից։ Երբ SAPO-34 բյուրեղները ստացվել են սոնոքիմիական եղանակով՝ հիդրոթերմալ պայմաններում, դրանց մակերեսը զգալիորեն ավելի մեծ է եղել, քան գրեթե նույն բյուրեղայնությամբ SAPO-34 բյուրեղներինը, որոնք սինթեզվել են սովորական՝ ստատիկ հիդրոթերմալ մեթոդով։ Մինչդեռ սովորական հիդրոթերմալ մեթոդով լիովին բյուրեղային SAPO-34 ստանալու համար պահանջվում է առնվազն 24 h սինթեզի ժամանակ, սոնոքիմիական օժանդակությամբ հիդրոթերմալ սինթեզի միջոցով լիովին բյուրեղային SAPO-34 բյուրեղներ ստացվել են ընդամենը 1,5 h ռեակցիայի ժամանակից հետո։ Խիստ ինտենսիվ ուլտրաձայնային էներգիայի շնորհիվ SAPO-34 ցեոլիտի բյուրեղացումն ուժեղանում է ուլտրաձայնային կավիտացիոն պղպջակների փլուզմամբ։ Կավիտացիոն պղպջակների ներպայթյունը տեղի է ունենում նանովայրկյանից պակաս ժամանակում՝ տեղային մակարդակում առաջացնելով ջերմաստիճանի արագ բարձրացում և անկում, ինչը կանխում է մասնիկների կարգավորումն ու ագլոմերացումը և հանգեցնում բյուրեղների ավելի փոքր չափերի։ Այն փաստը, որ սոնոքիմիական մեթոդով հնարավոր է եղել ստանալ փոքր SONO-SAPO-34 բյուրեղներ, վկայում է սինթեզի վաղ փուլերում բյուրեղացման սաղմերի բարձր խտության և սաղմնագոյացումից հետո բյուրեղների դանդաղ աճի մասին։ Այս արդյունքները վկայում են, որ այս ոչ ավանդական մեթոդը շատ օգտակար է արդյունաբերական արտադրության մասշտաբով բարձր ելքով SAPO-34 նանոբյուրեղների սինթեզի համար։
(տե՛ս Askari և Halladj; 2012)

Ցեոլիտների ուլտրաձայնային դեագլոմերացում և դիսպերգացում

Երբ ցեոլիտներն օգտագործվում են արդյունաբերական կիրառություններում, հետազոտություններում կամ նյութագիտության մեջ, չոր ցեոլիտը հիմնականում խառնվում է հեղուկ ֆազի մեջ։ Ցեոլիտի դիսպերգացման համար անհրաժեշտ է հուսալի և արդյունավետ դիսպերգացման մեթոդ, որը բավարար էներգիա է հաղորդում ցեոլիտի մասնիկները դեագլոմերացնելու համար։ Ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որպես հզոր և հուսալի դիսպերգատորներ, ուստի օգտագործվում են տարբեր նյութեր, օրինակ՝ նանոխողովակներ, գրաֆեն, հանքանյութեր և բազմաթիվ այլ նյութեր հեղուկ ֆազում համասեռ դիսպերգացնելու համար։
Ուլտրաձայնով չմշակված ցեոլիտի փոշին զգալիորեն ագլոմերացված է և ունի խեցենման մորֆոլոգիա։ Ի հակադրություն դրա՝ 5 min ուլտրաձայնային մշակումը (200 mL նմուշ՝ մշակված 320 W հզորությամբ ուլտրաձայնով), ըստ երևույթին, քայքայում է խեցենման ձևերի մեծ մասը, ինչի արդյունքում ստացվում է ավելի դիսպերգացված վերջնական փոշի։ (տե՛ս Ramirez Medoza և այլք, 2020)
Օրինակ՝ Ramirez Medoza և այլք (2020) օգտագործել են Hielscher զոնդային ուլտրաձայնային սարքը՝ UP200S , ցածր ջերմաստիճանում NaX ցեոլիտը (այսինքն՝ նատրիումային ձևով սինթեզված X ցեոլիտը (NaX)) բյուրեղացնելու համար։ Բյուրեղացման առաջին ժամվա ընթացքում ուլտրաձայնային մշակումը հանգեցրել է ռեակցիայի տևողության 20% կրճատման՝ բյուրեղացման ստանդարտ գործընթացի համեմատ։ Բացի այդ, նրանք ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային մշակումը կարող է նաև նվազեցնել վերջնական փոշու ագլոմերացման աստիճանը՝ ավելի երկարատև մշակման ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայն կիրառելու միջոցով։

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքեր՝ ցեոլիտների սինթեզի համար

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի կատարելագործված ապարատային մասը և խելացի ծրագրային ապահովումը նախատեսված են հուսալի աշխատանքը, վերարտադրելի արդյունքները և օգտագործման հարմարավետությունը երաշխավորելու համար։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն ամուր և հուսալի են, ինչը թույլ է տալիս դրանք տեղադրել և շահագործել ծանր աշխատանքային պայմաններում։ Աշխատանքային կարգավորումներին կարելի է հեշտությամբ հասնել և դրանք ընտրել ինտուիտիվ ընտրացանկի միջոցով, որը հասանելի է թվային գունավոր սենսորային էկրանից և բրաուզերով հեռակառավարման միջոցով։ Այդպիսով, մշակման բոլոր պայմանները՝ զուտ էներգիան, ընդհանուր էներգիան, ամպլիտուդը, ժամանակը, ճնշումը և ջերմաստիճանը, ինքնաբերաբար գրանցվում են ներկառուցված SD քարտի վրա։ Սա թույլ է տալիս վերանայել և համեմատել ուլտրաձայնային մշակման նախորդ ցիկլերը և օպտիմալացնել ցեոլիտի սինթեզի ու դիսպերսման գործընթացը՝ հասնելով ամենաբարձր արդյունավետության։
Hielscher Ultrasonics համակարգերն ամբողջ աշխարհում կիրառվում են բյուրեղացման գործընթացներում և ապացուցել են իրենց հուսալիությունը բարձրորակ ցեոլիտների ու ցեոլիտային ածանցյալների սինթեզում։ Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են հեշտությամբ աշխատել բարձր ամպլիտուդներով՝ անընդհատ ռեժիմով (24/7/365)։ Ստանդարտ սոնոտրոդներով (ուլտրաձայնային զոնդեր / եղջյուրներ) կարելի է հեշտությամբ անընդհատ ապահովել մինչև 200µm ամպլիտուդներ։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Իրենց ամրության և տեխնիկական սպասարկման փոքր պահանջի շնորհիվ մեր ուլտրաձայնային սարքերը սովորաբար տեղադրվում են ծանր աշխատանքների համար և խիստ պահանջներ ներկայացնող միջավայրերում։
Սոնոքիմիական սինթեզի, բյուրեղացման և դեագլոմերացման համար նախատեսված Hielscher ուլտրաձայնային պրոցեսորներն արդեն տեղադրված են ամբողջ աշխարհում՝ առևտրային մասշտաբով։ Կապվեք մեզ հետ հենց հիմա՝ քննարկելու ցեոլիտի արտադրության ձեր գործընթացը։ Մեր մեծ փորձ ունեցող աշխատակիցները սիրով կտրամադրեն լրացուցիչ տեղեկություններ սոնոքիմիական սինթեզի եղանակի, ուլտրաձայնային համակարգերի և գների մասին։
Ուլտրաձայնային սինթեզի մեթոդի առավելության շնորհիվ ձեր ցեոլիտի արտադրությունը կգերազանցի ցեոլիտի սինթեզի այլ գործընթացները՝ արդյունավետությամբ, պարզությամբ և ցածր ծախսերով։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին։