Զեոլիտների սինթեզ և ֆունկցիոնալացում՝ օգտագործելով Sonication

Զեոլիտները, ներառյալ նանո-ցեոլիտները և ցեոլիտի ածանցյալները, կարող են արդյունավետ և հուսալի սինթեզվել, ֆունկցիոնալացվել և ապաագլոմերացվել՝ օգտագործելով բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային մշակումը: Ուլտրաձայնային ցեոլիտի սինթեզը և մշակումը գերազանցում են սովորական հիդրոթերմալ սինթեզը արդյունավետությամբ, պարզությամբ և մեծ արտադրության համար պարզ գծային մասշտաբայնությամբ: Ուլտրաձայնային սինթեզված ցեոլիտները ցույց են տալիս լավ բյուրեղություն, մաքրություն, ինչպես նաև բարձր գործունակություն՝ ծակոտկենության և դեագլոմերացիայի պատճառով:

Ուլտրաձայնային օգնությամբ ցեոլիտների պատրաստում

Զեոլիտները միկրոծակոտկեն բյուրեղային հիդրացված ալյումինոսիլիկատներ են՝ ներծծող և կատալիտիկ հատկություններով:
Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնի կիրառումը ազդում է ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված ցեոլիտ բյուրեղների չափի և մորֆոլոգիայի վրա և բարելավում է դրանց բյուրեղությունը: Ավելին, բյուրեղացման ժամանակը կտրուկ կրճատվում է՝ օգտագործելով սոնոքիմիական սինթեզի երթուղին: Ուլտրաձայնային օգնությամբ ցեոլիտի սինթեզի ուղիները փորձարկվել և մշակվել են ցեոլիտի բազմաթիվ տեսակների համար: Ուլտրաձայնային ցեոլիտի սինթեզի մեխանիզմը հիմնված է բարելավված զանգվածի փոխանցման վրա, ինչը հանգեցնում է բյուրեղների աճի արագության: Բյուրեղների աճի արագության այս աճը հետագայում հանգեցնում է միջուկավորման արագության: Բացի այդ, sonication-ը ազդում է ապապոլիմերացում-պոլիմերացում հավասարակշռության վրա՝ լուծելի տեսակների կոնցենտրացիայի ավելացման միջոցով, որն անհրաժեշտ է ցեոլիտի ձևավորման համար:
Ընդհանուր առմամբ, տարբեր հետազոտական ուսումնասիրություններ և փորձնական մասշտաբի արտադրության կարգավորումները ապացուցել են ուլտրաձայնային ցեոլիտի սինթեզը որպես ժամանակի և ծախսերի խնայողություն:

Պայմանական սինթեզ ընդդեմ ցեոլիտների ուլտրաձայնային սինթեզ

Ինչպե՞ս է պայմանականորեն սինթեզվում ցեոլիտը:

Պայմանական ցեոլիտի սինթեզը շատ ժամանակատար հիդրոթերմալ գործընթաց է, որը կարող է պահանջել ռեակցիայի ժամանակներ մի քանի ժամից մինչև մի քանի օր: Հիդրոջերմային ճանապարհը սովորաբար խմբաքանակային գործընթաց է, որտեղ ցեոլիտները սինթեզվում են ամորֆ կամ լուծվող Si և Al աղբյուրներից: Նախնական ծերացման փուլում ռեակտիվ գելը կազմված է կառուցվածքը ուղղորդող նյութից (SDA) և ալյումինի և սիլիցիումի աղբյուրները հնանում են ցածր ջերմաստիճանում: Ծերացման այս առաջին փուլի ընթացքում ձևավորվում են այսպես կոչված միջուկներ: Այս միջուկներն այն մեկնարկային նյութն են, որից բյուրեղացման հաջորդ գործընթացում աճում են ցեոլիտի բյուրեղները։ Բյուրեղացման մեկնարկով գելի ջերմաստիճանը բարձրանում է: Այս հիդրոթերմալ սինթեզը սովորաբար իրականացվում է խմբաքանակային ռեակտորներում։ Այնուամենայնիվ, խմբաքանակային գործընթացները գալիս են աշխատանքային ինտենսիվ աշխատանքի թերությամբ:

Ինչպե՞ս է սինթեզվում ցեոլիտը սոնիկացման ժամանակ:

Զեոլիտի ուլտրաձայնային սինթեզը միատարր ցեոլիտի մեղմ պայմաններում սինթեզելու արագ ընթացակարգ է: Օրինակ, 50 նմ ցեոլիտ բյուրեղները սինթեզվել են սոնոքիմիական ճանապարհով սենյակային ջերմաստիճանում: Մինչ ցեոլիտի սինթեզի սովորական ռեակցիան a-ն կարող է տևել մինչև մի քանի օր, սոնոքիմիական երթուղին նվազեցնում է սինթեզի տևողությունը մինչև մի քանի ժամ՝ դրանով իսկ զգալիորեն նվազեցնելով ռեակցիայի ժամանակը:
Զեոլիտի ուլտրաձայնային բյուրեղացումը կարող է իրականացվել խմբաքանակի կամ շարունակական գործընթացների տեսքով, ինչը կիրառումը դարձնում է հեշտությամբ հարմարվող շրջակա միջավայրին և գործընթացի նպատակներին: Գծային մասշտաբայնության շնորհիվ ուլտրաձայնային ցեոլիտի սինթեզները կարող են հուսալիորեն փոխանցվել նախնական խմբաքանակի գործընթացից ներկառուցված մշակման: Ուլտրաձայնային մշակում – խմբաքանակով և գծով – թույլ է տալիս բարձր տնտեսական արդյունավետություն, որակի վերահսկում և գործառնական ճկունություն:

Զեոլիտի տարբեր տեսակների սոնոքիմիական սինթեզի ուղիները

Հաջորդ բաժնում մենք ներկայացնում ենք տարբեր սոնոքիմիական ուղիներ, որոնք հաջողությամբ օգտագործվել են ցեոլիտի տարբեր տեսակների սինթեզման համար: Հետազոտության արդյունքները մշտապես ընդգծում են ուլտրաձայնային ցեոլիտի սինթեզի գերազանցությունը:

Li- պարունակող Bikitaite Zeolite-ի ուլտրաձայնային սինթեզ

Ռոյը և Դասը (2017) սինթեզել են 50 նմ լիթիում պարունակող ցեոլիտ Bikitaite բյուրեղներ սենյակային ջերմաստիճանում՝ օգտագործելով UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ուլտրաձայնային սարք խմբաքանակի տեղադրման մեջ: Սենյակային ջերմաստիճանում Bikitaite ցեոլիտի հաջող սոնոքիմիական ձևավորումը հաստատվել է հաջողությամբ սինթեզված լիթիում պարունակող Bikitaite ցեոլիտով XRD և IR վերլուծությամբ:
Երբ սոնոքիմիական բուժումը զուգակցվում էր սովորական հիդրոթերմային մշակման հետ, ցեոլիտի բյուրեղների ֆազային ձևավորումը ձեռք էր բերվել շատ ավելի ցածր ջերմաստիճանում (100º C)՝ համեմատած 300º C 5 օրվա ընթացքում, որոնք սովորական հիդրոթերմալ երթուղու համար բնորոշ արժեքներ են: Sonication-ը զգալի ազդեցություն է ունենում ցեոլիտի բյուրեղացման ժամանակի և փուլային ձևավորման վրա: Ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված Bikitaite ցեոլիտի ֆունկցիոնալությունը գնահատելու համար հետազոտվել է նրա ջրածնի պահպանման կարողությունը: Պահպանման ծավալը մեծանում է ցեոլիտում Li պարունակության ավելացման հետ:
Սոնոքիմիական ցեոլիտի ձևավորում. XRD և IR վերլուծությունը ցույց է տվել, որ մաքուր, նանո-բյուրեղային Bikitaite ցեոլիտի ձևավորումը սկսվել է 3 ժամ ուլտրաձայնայինացումից և 72 ժամ ծերացումից հետո: Նանո-չափի բյուրեղային բիկիտաիտ ցեոլիտ՝ նշանավոր գագաթներով, ստացվել է 6 ժամ 250 Վտ հզորությամբ ձայնային ախտահանման ժամանակից հետո:
Առավելությունները: Լիթիում պարունակող ցեոլիտ Bikitaite-ի սոնոքիմիական սինթեզի ուղին առաջարկում է ոչ միայն մաքուր նանո-բյուրեղների պարզ արտադրության առավելությունը, այլև ներկայացնում է արագ և ծախսարդյունավետ տեխնիկա: Ուլտրաձայնային սարքավորումների և պահանջվող էներգիայի ծախսերը շատ ցածր են՝ համեմատած այլ գործընթացների հետ: Ավելին, սինթեզի գործընթացի տևողությունը շատ կարճ է, այնպես որ սոնոքիմիական գործընթացը համարվում է մաքուր էներգիայի կիրառման համար շահավետ մեթոդ:
(տես Roy et al. 2017)

Զեոլիտ Մորդենիտի պատրաստում ուլտրաձայնային եղանակով

Մորդենիտը, որը ստացվել է ուլտրաձայնային նախնական մշակման միջոցով (MOR-U) ցույց է տվել 10 × 5 մկմ2 միջաճած գնդիկների ավելի համասեռ ձևաբանություն և ասեղանման կամ թելքավոր գոյացությունների նշաններ չկան: Ուլտրաձայնային օգնությամբ ստացված պրոցեդուրան հանգեցրել է նյութի բարելավված հյուսվածքային բնութագրերով, մասնավորապես, միկրոծակերի ծավալով, որը հասանելի է ազոտի մոլեկուլների համար՝ պատրաստված ձևով: Ուլտրաձայնային եղանակով նախապես մշակված մորդենիտի դեպքում նկատվել է փոփոխված բյուրեղային ձև և ավելի համասեռ ձևաբանություն:
Ամփոփելով, ընթացիկ ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ սինթեզի գելի ուլտրաձայնային նախնական մշակումն ազդել է ստացված մորդենիտի տարբեր հատկությունների վրա, ինչը հանգեցնում է.

1. բյուրեղների ավելի համասեռ չափսեր և ձևաբանություն, անցանկալի մանրաթելային և ասեղանման բյուրեղների բացակայություն;
2. ավելի քիչ կառուցվածքային թերություններ;
3. զգալի միկրոծակերի հասանելիություն մորդենիտից պատրաստված նմուշում (համեմատած նյութերի խցանված միկրոծակերի հետ, որոնք պատրաստված են դասական խառնման մեթոդով, մինչև հետսինթետիկ մշակումը);
4. տարբեր Al կազմակերպություն, որը ենթադրաբար հանգեցնում է Na+ կատիոնների տարբեր դիրքերի (ամենաազդեցիկ գործոնը, որն ազդում է որպես պատրաստված նյութերի կլանման հատկությունների վրա):

Կառուցվածքային թերությունների կրճատումը սինթեզի գելի ուլտրաձայնային նախնական մշակման միջոցով կարող է լինել սինթետիկ մորդենիտների «ոչ իդեալական» կառուցվածքի ընդհանուր խնդիրը լուծելու իրագործելի միջոց: Բացի այդ, այս կառուցվածքում ավելի բարձր կլանման կարողություն կարելի է ձեռք բերել սինթեզից առաջ կիրառվող հեշտ և արդյունավետ ուլտրաձայնային մեթոդով, առանց ժամանակ և ռեսուրսներ խլող ավանդական հետսինթետիկ բուժման (ինչը, ընդհակառակը, հանգեցնում է կառուցվածքային թերությունների առաջացման): Ավելին, սիլանոլային խմբերի ավելի քիչ քանակությունը կարող է նպաստել պատրաստված մորդենիտի ավելի երկար կատալիտիկ կյանքին:
(տես՝ Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) ուսումնասիրել է ուլտրաձայնի ազդեցությունը Hielscher ուլտրաձայնային սարքի միջոցով UP200S H-mordite և H-bet ցեոլիտների վրա: Նրանք եկել են այն եզրակացության, որ հնչյունավորումը արդյունավետ տեխնիկա է H-mordite-ի և H-Beta-ի ձևափոխման համար, որոնք ցեոլիտներն ավելի հարմար են դարձնում դիմեթիլ եթերի (DME) արտադրության համար մեթանոլի ջրազրկման միջոցով:

SAPO-34 նանոբյուրեղների ուլտրաձայնային սինթեզ

Սոնոքիմիական ճանապարհով SAPO-34-ը (սիլիկոալյումինոֆոսֆատ մոլեկուլային մաղեր, ցեոլիտների դաս) հաջողությամբ սինթեզվել է նանոկրստալային ձևով՝ օգտագործելով TEAOH՝ որպես կառուցվածքը ուղղորդող նյութ (SDA): Sonication-ի համար Hielscher զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքը UP200S (24 կՀց, 200 վտ) օգտագործվել է. Սոնոքիմիական եղանակով պատրաստված վերջնական արտադրանքի բյուրեղների միջին չափը 50 նմ է, ինչը զգալիորեն ավելի փոքր բյուրեղների չափ է, երբ համեմատվում է հիդրոթերմալ սինթեզված բյուրեղների չափի հետ: Երբ SAPO-34 բյուրեղները սոնոքիմիապես եղել են հիդրոթերմային պայմաններում, մակերեսի մակերեսը զգալիորեն ավելի բարձր է, քան սովորական սինթեզված SAPO-34 բյուրեղների բյուրեղային մակերեսը ստատիկ հիդրոթերմալ տեխնիկայի միջոցով՝ գրեթե նույն բյուրեղականությամբ: Մինչ սովորական հիդրոթերմալ մեթոդը պահանջում է առնվազն 24 ժամ սինթեզի ժամանակ՝ լիովին բյուրեղային SAPO-34 ստանալու համար, սոնոքիմիապես օժանդակվող հիդրոթերմալ սինթեզի միջոցով լիովին բյուրեղային SAPO-34 բյուրեղները ստացվել են ընդամենը 1,5 ժամ արձագանքման ժամանակից հետո: Բարձր ինտենսիվ ուլտրաձայնային էներգիայի շնորհիվ ցեոլիտ SAPO-34 բյուրեղացումը ուժեղանում է ուլտրաձայնային կավիտացիայի փուչիկների փլուզմամբ: Կավիտացիոն փուչիկների պայթեցումը տեղի է ունենում նանվայրկյանից քիչ ժամանակում, ինչը հանգեցնում է տեղական ջերմաստիճանի արագ աճի և անկման, ինչը կանխում է մասնիկների կազմակերպումն ու կուտակումը և հանգեցնում բյուրեղների ավելի փոքր չափերի: Այն փաստը, որ փոքր SONO-SAPO-34 բյուրեղները կարող են պատրաստվել սոնոքիմիական մեթոդով, վկայում է սինթեզի վաղ փուլերում միջուկավորման բարձր խտության և միջուկացումից հետո բյուրեղների դանդաղ աճի մասին: Այս արդյունքները ցույց են տալիս, որ այս ոչ ավանդական մեթոդը շատ օգտակար տեխնիկա է SAPO-34 նանոբյուրեղների սինթեզի համար արդյունաբերական արտադրության մասշտաբով բարձր ելքով:
(տես Askari and Halladj; 2012)

Ուլտրաձայնային Deagglomeration եւ Dispersion of Zeolites

Երբ ցեոլիտները օգտագործվում են արդյունաբերական ծրագրերում, հետազոտություններում կամ նյութագիտության մեջ, չոր ցեոլիտը հիմնականում խառնվում է հեղուկ փուլի: Զեոլիտի ցրումը պահանջում է հուսալի և արդյունավետ ցրման տեխնիկա, որը բավականաչափ էներգիա է կիրառում ցեոլիտի մասնիկները ապագլոմերացնելու համար: Ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որպես հզոր և հուսալի ցրիչներ, հետևաբար օգտագործվում են տարբեր նյութեր, ինչպիսիք են նանոխողովակները, գրաֆենը, հանքանյութերը և շատ այլ նյութեր միատարր կերպով հեղուկ փուլում ցրելու համար:
Ուլտրաձայնով չմշակված ցեոլիտ փոշին զգալիորեն ագլոմերացված է կեղևանման ձևաբանությամբ: Ի հակադրություն, 5 րոպե տեւողությամբ ձայնային մշակումը (320 Վտ հզորությամբ 200 մլ նմուշ) կարծես ոչնչացնում է կճեպանման ձևերի մեծ մասը, ինչը հանգեցնում է վերջնական փոշու ավելի ցրված լինելուն: (տես Ռամիրես Մեդոզան և այլք, 2020 թ.)
Օրինակ, Ռամիրես Մեդոզան և այլք. (2020) օգտագործեց Hielscher զոնդ ուլտրաձայնային սարքը UP200S բյուրեղացնել NaX ցեոլիտը (այսինքն՝ նատրիումի ձևով (NaX) սինթեզված ցեոլիտ X) ցածր ջերմաստիճանում։ Բյուրեղացման առաջին ժամվա ընթացքում բյուրեղացումը հանգեցրել է ռեակցիայի ժամանակի 20%-ով կրճատման՝ համեմատած ստանդարտ բյուրեղացման գործընթացի հետ: Ավելին, նրանք ցույց տվեցին, որ sonication-ը կարող է նաև նվազեցնել վերջնական փոշու ագլոմերացիայի աստիճանը` կիրառելով բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային հետազոտություն ավելի երկար ձայնային ժամանակաշրջանի համար:

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքեր ցեոլիտի սինթեզի համար

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի բարդ ապարատային և խելացի ծրագրակազմը նախատեսված է երաշխավորելու հուսալի աշխատանքը, վերարտադրվող արդյունքները, ինչպես նաև օգտագործողի համար հարմարավետությունը: Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը ամուր և հուսալի են, ինչը թույլ է տալիս տեղադրվել և շահագործվել ծանր աշխատանքային պայմաններում: Գործառնական կարգավորումները կարելի է հեշտությամբ մուտք գործել և հավաքել ինտուիտիվ մենյուի միջոցով, որը կարելի է մուտք գործել թվային գունավոր սենսորային էկրանի և դիտարկիչի հեռակառավարման միջոցով: Հետևաբար, մշակման բոլոր պայմանները, ինչպիսիք են զուտ էներգիան, ընդհանուր էներգիան, ամպլիտուդը, ժամանակը, ճնշումը և ջերմաստիճանը, ավտոմատ կերպով գրանցվում են ներկառուցված SD քարտի վրա: Սա թույլ է տալիս վերանայել և համեմատել նախորդ ձայնային փորձարկումները և օպտիմալացնել ցեոլիտի սինթեզի և ցրման գործընթացը առավելագույն արդյունավետությամբ:
Hielscher Ultrasonics համակարգերն օգտագործվում են ամբողջ աշխարհում բյուրեղացման գործընթացների համար և ապացուցված են, որ հուսալի են բարձրորակ ցեոլիտների և ցեոլիտի ածանցյալների սինթեզի համար: Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են հեշտությամբ գործարկել բարձր ամպլիտուդներ շարունակական շահագործման մեջ (24/7/365): Մինչև 200 մկմ ամպլիտուդները հեշտությամբ կարող են շարունակաբար ստեղծվել ստանդարտ սոնոտրոդներով (ուլտրաձայնային զոնդեր/եղջյուրներ): Նույնիսկ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար մատչելի են հարմարեցված ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ: Շնորհիվ իրենց ամրության և ցածր սպասարկման, մեր ուլտրաձայնային սարքերը սովորաբար տեղադրվում են ծանր աշխատանքային ծրագրերի և պահանջկոտ միջավայրերում:
Hielscher ուլտրաձայնային պրոցեսորները սոնոքիմիական սինթեզների, բյուրեղացման և դեագգլոմերացիայի համար արդեն տեղադրված են ամբողջ աշխարհում առևտրային մասշտաբով: Կապվեք մեզ հետ հիմա՝ քննարկելու ձեր ցեոլիտի արտադրության գործընթացը: Մեր փորձառու անձնակազմը ուրախ կլինի ավելի շատ տեղեկություններ տրամադրել սոնոքիմիական սինթեզի ուղու, ուլտրաձայնային համակարգերի և գնագոյացման վերաբերյալ:
Ուլտրաձայնային սինթեզի մեթոդի առավելությունների շնորհիվ ձեր ցեոլիտի արտադրությունը կգերազանցվի արդյունավետությամբ, պարզությամբ և ցածր գնով, երբ համեմատվում է ցեոլիտի սինթեզի այլ գործընթացների հետ:

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.