Sintesis dan Fungsionalisasi Zeolit menggunakan Sonikasi

Zeolit, termasuk nanozeolit dan turunan zeolit, dapat disintesis, difungsionalisasi, dan dideaglomerasi secara efisien dan andal menggunakan ultrasonikasi berkinerja tinggi. Sintesis dan perlakuan zeolit secara ultrasonik mengungguli sintesis hidrotermal konvensional dalam hal efisiensi, kesederhanaan, dan kemudahan peningkatan skala secara linear menuju produksi besar. Zeolit yang disintesis secara ultrasonik menunjukkan kristalinitas dan kemurnian yang baik serta tingkat fungsionalitas yang tinggi berkat porositas dan deaglomerasi.

Preparasi Zeolit Berbantuan Ultrasonik

Zeolit adalah aluminosilikat terhidrasi kristalin berpori mikro dengan sifat absorptif dan katalitik.
Penerapan ultrasonik berkinerja tinggi memengaruhi ukuran dan morfologi kristal zeolit yang disintesis secara ultrasonik serta meningkatkan kristalinitasnya. Selain itu, waktu kristalisasi berkurang secara drastis dengan menggunakan jalur sintesis sonokimia. Jalur sintesis zeolit berbantuan ultrasonik telah diuji dan dikembangkan untuk berbagai jenis zeolit. Mekanisme sintesis zeolit secara ultrasonik didasarkan pada peningkatan perpindahan massa yang menghasilkan peningkatan laju pertumbuhan kristal. Peningkatan laju pertumbuhan kristal ini selanjutnya menyebabkan peningkatan laju nukleasi. Selain itu, sonikasi memengaruhi kesetimbangan depolimerisasi–polimerisasi melalui peningkatan konsentrasi spesies terlarut yang diperlukan untuk pembentukan zeolit.
Secara keseluruhan, berbagai studi penelitian dan sistem produksi skala pilot telah membuktikan bahwa sintesis zeolit secara ultrasonik sangat efisien dalam menghemat waktu dan biaya.

Sintesis Konvensional vs Sintesis Ultrasonik Zeolit

Bagaimana zeolit disintesis secara konvensional?

Sintesis zeolit konvensional merupakan proses hidrotermal yang sangat memakan waktu, dengan waktu reaksi yang dapat berkisar dari beberapa jam hingga beberapa hari. Jalur hidrotermal biasanya merupakan proses batch, yang menyintesis zeolit dari sumber Si dan Al amorf atau terlarut. Pada tahap pemeraman awal, gel reaktif yang terdiri atas agen pengarah struktur (SDA) serta sumber aluminium dan silika diperam pada suhu rendah. Selama tahap pemeraman pertama ini, terbentuk apa yang disebut inti. Inti ini merupakan bahan awal tempat kristal zeolit tumbuh dalam proses kristalisasi berikutnya. Saat kristalisasi dimulai, suhu gel dinaikkan. Sintesis hidrotermal ini biasanya dilakukan dalam reaktor batch. Namun, proses batch memiliki kekurangan berupa pengoperasian yang padat tenaga kerja.

Bagaimana zeolit disintesis dengan sonikasi?

Sintesis zeolit secara ultrasonik merupakan prosedur cepat untuk menyintesis zeolit homogen dalam kondisi ringan. Sebagai contoh, kristal zeolit berukuran 50nm disintesis melalui jalur sonokimia pada suhu ruang. Sementara reaksi sintesis zeolit konvensional dapat memerlukan waktu hingga beberapa hari, jalur sonokimia mengurangi durasi sintesis menjadi beberapa jam, sehingga secara signifikan mengurangi waktu reaksi.
Kristalisasi zeolit secara ultrasonik dapat dilakukan sebagai proses batch atau kontinu, sehingga penerapannya mudah disesuaikan dengan lingkungan dan tujuan proses. Berkat skalabilitas linear, sintesis zeolit secara ultrasonik dapat dialihkan secara andal dari proses batch awal ke pemrosesan inline. Pemrosesan ultrasonik – secara batch maupun inline – memungkinkan efisiensi ekonomi, pengendalian mutu, dan fleksibilitas operasional yang unggul.

Jalur Sintesis Sonokimia Berbagai Jenis Zeolit

Pada bagian berikut, kami memperkenalkan berbagai jalur sonokimia yang telah berhasil digunakan untuk menyintesis berbagai jenis zeolit. Hasil penelitian secara konsisten menegaskan keunggulan sintesis zeolit secara ultrasonik.

Sintesis Ultrasonik Zeolit Bikitaite yang Mengandung Li

Roy dan Das (2017) menyintesis kristal zeolit Bikitaite yang mengandung litium berukuran 50nm pada suhu ruang menggunakan UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) sebagai sonikator dalam konfigurasi batch. Keberhasilan pembentukan zeolit Bikitaite secara sonokimia pada suhu ruang dikonfirmasi melalui analisis XRD dan IR terhadap zeolit Bikitaite yang mengandung litium yang berhasil disintesis.
Ketika perlakuan sonokimia dipadukan dengan perlakuan hidrotermal konvensional, pembentukan fase kristal zeolit dicapai pada suhu yang jauh lebih rendah (100ºC) dibandingkan dengan 300ºC selama 5 hari, yang merupakan nilai tipikal untuk jalur hidrotermal konvensional. Sonikasi menunjukkan pengaruh signifikan terhadap waktu kristalisasi dan pembentukan fase zeolit. Untuk mengevaluasi fungsionalitas zeolit Bikitaite yang disintesis secara ultrasonik, kapasitas penyimpanan hidrogennya diteliti. Volume penyimpanan meningkat seiring meningkatnya kandungan Li dalam zeolit.
Pembentukan zeolit secara sonokimia: Analisis XRD dan IR menunjukkan bahwa pembentukan zeolit Bikitaite nanokristalin murni dimulai setelah ultrasonikasi selama 3 h dan pemeraman selama 72 h. Zeolit Bikitaite kristalin berukuran nano dengan puncak-puncak yang menonjol diperoleh setelah sonikasi selama 6 h pada 250 W.
Keunggulan: Jalur sintesis sonokimia zeolit Bikitaite yang mengandung litium tidak hanya menawarkan keunggulan berupa produksi nanokristal murni yang sederhana, tetapi juga merupakan teknik yang cepat dan hemat biaya. Biaya peralatan ultrasonik dan energi yang diperlukan sangat rendah dibandingkan dengan proses lainnya. Selain itu, durasi proses sintesis sangat singkat, sehingga proses sonokimia dianggap sebagai metode yang bermanfaat untuk aplikasi energi bersih.
(bdk. Roy et al. 2017)

Preparasi Zeolit Mordenit dengan Ultrasonikasi

Mordenit yang diperoleh dengan penerapan praperlakuan ultrasonik (MOR-U) menunjukkan morfologi yang lebih homogen berupa pelet yang tumbuh saling menyatu berukuran 10 × 5 µm2, tanpa tanda pembentukan struktur menyerupai jarum atau serat. Prosedur berbantuan ultrasonik menghasilkan material dengan karakteristik tekstural yang lebih baik, khususnya volume mikropori yang dapat diakses molekul nitrogen dalam kondisi hasil sintesis awal. Pada mordenit yang diberi praperlakuan ultrasonik, teramati perubahan bentuk kristal dan morfologi yang lebih homogen.
Secara ringkas, studi ini menunjukkan bahwa praperlakuan ultrasonik pada gel sintesis memengaruhi berbagai sifat mordenit yang diperoleh, sehingga menghasilkan

1. ukuran dan morfologi kristal yang lebih homogen, tanpa kristal menyerupai serat dan jarum yang tidak diinginkan;
2. lebih sedikit cacat struktur;
3. aksesibilitas mikropori yang signifikan pada sampel mordenit hasil sintesis awal (dibandingkan dengan mikropori yang tersumbat pada material yang dipreparasi dengan metode pengadukan klasik, sebelum perlakuan pascasintesis);
4. susunan Al yang berbeda, yang diduga menghasilkan posisi kation Na+ yang berbeda (faktor paling berpengaruh terhadap sifat sorpsi material hasil sintesis awal).

Pengurangan cacat struktur melalui praperlakuan ultrasonik pada gel sintesis dapat menjadi cara yang layak untuk mengatasi masalah umum struktur “tidak ideal” pada mordenit sintetis. Selain itu, kapasitas sorpsi yang lebih tinggi pada struktur ini dapat dicapai melalui metode ultrasonik yang mudah dan efisien yang diterapkan sebelum sintesis, tanpa perlakuan pascasintesis tradisional yang memakan waktu dan sumber daya (yang justru menyebabkan terbentuknya cacat struktur). Di samping itu, jumlah gugus silanol yang lebih sedikit dapat berkontribusi pada masa pakai katalitik yang lebih panjang bagi mordenit yang dipreparasi.
(bdk. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) mempelajari pengaruh ultrasonik menggunakan sonikator Hielscher UP200S pada zeolit H-mordite dan H-bet. Mereka menyimpulkan bahwa sonikasi merupakan teknik yang efektif untuk modifikasi H-mordite dan H-Beta, yang menjadikan zeolit tersebut lebih sesuai untuk produksi dimetil eter (DME) melalui dehidrasi metanol.

Sintesis Ultrasonik Nanokristal SAPO-34

Melalui jalur sonokimia, SAPO-34 (saringan molekuler silikoaluminofosfat, salah satu golongan zeolit) berhasil disintesis dalam bentuk nanokristalin menggunakan TEAOH sebagai agen pengarah struktur (SDA). Untuk sonikasi, sonikator tipe probe Hielscher UP200S (24kHz, 200 watts) digunakan. Ukuran kristal rata-rata produk akhir yang dipreparasi secara sonokimia adalah 50nm, yang secara signifikan lebih kecil dibandingkan dengan ukuran kristal yang disintesis secara hidrotermal. Ketika kristal SAPO-34 dipreparasi secara sonokimia dalam kondisi hidrotermal, luas permukaannya secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan luas permukaan kristal SAPO-34 yang disintesis secara konvensional melalui teknik hidrotermal statis dengan kristalinitas yang hampir sama. Sementara metode hidrotermal konvensional memerlukan waktu sintesis setidaknya 24 h untuk memperoleh SAPO-34 yang sepenuhnya kristalin, melalui sintesis hidrotermal berbantuan sonokimia, kristal SAPO-34 yang sepenuhnya kristalin diperoleh setelah waktu reaksi hanya 1,5 h. Karena energi ultrasonik yang sangat intens, kristalisasi zeolit SAPO-34 diintensifkan oleh runtuhnya gelembung kavitasi ultrasonik. Implosi gelembung kavitasi terjadi dalam waktu kurang dari satu nanodetik, menghasilkan kenaikan dan penurunan suhu lokal yang cepat, yang mencegah penataan dan aglomerasi partikel serta menghasilkan ukuran kristal yang lebih kecil. Fakta bahwa kristal SONO-SAPO-34 kecil dapat dipreparasi dengan metode sonokimia mengindikasikan kepadatan nukleasi yang tinggi pada tahap awal sintesis dan pertumbuhan kristal yang lambat setelah nukleasi. Hasil ini mengindikasikan bahwa metode nonkonvensional ini merupakan teknik yang sangat berguna untuk sintesis nanokristal SAPO-34 dengan rendemen tinggi pada skala produksi industri.
(bdk. Askari dan Halladj; 2012)

Deaglomerasi dan Dispersi Zeolit secara Ultrasonik

Ketika zeolit digunakan dalam aplikasi industri, penelitian, atau ilmu material, zeolit kering umumnya dicampurkan ke dalam fase cair. Dispersi zeolit memerlukan teknik pendispersian yang andal dan efektif, yang menerapkan energi cukup untuk mendeaglomerasi partikel zeolit. Sonikator dikenal luas sebagai alat pendispersi yang kuat dan andal, sehingga digunakan untuk mendispersikan berbagai material seperti nanotube, grafena, mineral, dan banyak material lainnya secara homogen ke dalam fase cair.
Serbuk zeolit yang tidak diberi perlakuan ultrasonik mengalami aglomerasi yang cukup besar dengan morfologi menyerupai cangkang. Sebaliknya, perlakuan sonikasi selama 5 min (sampel 200 mL disonikasi pada 320 W) tampaknya menghancurkan sebagian besar bentuk menyerupai cangkang, sehingga menghasilkan serbuk akhir yang lebih terdispersi. (bdk. Ramirez Medoza et al. 2020)
Sebagai contoh, Ramirez Medoza et al. (2020) menggunakan sonikator probe Hielscher UP200S untuk mengkristalkan zeolit NaX (yaitu zeolit X yang disintesis dalam bentuk natrium (NaX)) pada suhu rendah. Sonikasi selama jam pertama kristalisasi menghasilkan pengurangan waktu reaksi sebesar 20% dibandingkan dengan proses kristalisasi standar. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa sonikasi juga dapat mengurangi derajat aglomerasi serbuk akhir dengan menerapkan ultrasonik berintensitas tinggi selama periode sonikasi yang lebih lama.

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Sintesis Zeolit

Perangkat keras yang canggih dan perangkat lunak cerdas pada sonikator Hielscher dirancang untuk menjamin pengoperasian yang andal, hasil yang dapat direproduksi, serta kemudahan penggunaan. Sonikator Hielscher tangguh dan andal, sehingga dapat dipasang dan dioperasikan dalam kondisi kerja berat. Pengaturan operasional dapat dengan mudah diakses dan disetel melalui menu intuitif, yang dapat diakses melalui layar sentuh digital berwarna dan kendali jarak jauh melalui peramban. Dengan demikian, semua kondisi pemrosesan seperti energi bersih, energi total, amplitudo, waktu, tekanan, dan suhu direkam secara otomatis pada kartu SD bawaan. Hal ini memungkinkan Anda meninjau dan membandingkan proses sonikasi sebelumnya serta mengoptimalkan proses sintesis dan dispersi zeolit untuk mencapai efisiensi tertinggi.
Sistem Hielscher Ultrasonics digunakan di seluruh dunia untuk proses kristalisasi dan terbukti andal untuk sintesis zeolit dan turunan zeolit berkualitas tinggi. Sonikator industri Hielscher dapat dengan mudah beroperasi pada amplitudo tinggi secara kontinu (24/7/365). Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dihasilkan secara kontinu menggunakan sonotrode standar (probe / horn ultrasonik). Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat sesuai kebutuhan. Karena ketangguhannya dan kebutuhan perawatan yang rendah, sonikator kami umum dipasang untuk aplikasi kerja berat dan di lingkungan yang menuntut kinerja tinggi.
Prosesor ultrasonik Hielscher untuk sintesis sonokimia, kristalisasi, dan deaglomerasi telah dipasang di seluruh dunia pada skala komersial. Hubungi kami sekarang untuk mendiskusikan proses pembuatan zeolit Anda! Staf kami yang berpengalaman akan dengan senang hati memberikan informasi lebih lanjut tentang jalur sintesis sonokimia, sistem ultrasonik, dan harga!
Dengan keunggulan metode sintesis ultrasonik, produksi zeolit Anda akan unggul dalam efisiensi, kesederhanaan, dan biaya rendah dibandingkan dengan proses sintesis zeolit lainnya!

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: