Sintesis dan Fungsionalisasi Zeolit menggunakan Sonikasi

Zeolit termasuk nano-zeolit dan turunan zeolit dapat disintesis, difungsikan dan dideaglomerasi secara efisien dan andal menggunakan ultrasonikasi kinerja tinggi. Sintesis dan perawatan zeolit ultrasonik mengungguli sintesis hidrotermal konvensional dengan efisiensi, kesederhanaan, dan skalabilitas linier sederhana untuk produksi besar. Zeolit yang disintesis secara ultrasonik menunjukkan kristalinitas yang baik, kemurnian serta fungsionalitas tingkat tinggi karena porositas dan deaglomerasi.

Persiapan Zeolit dengan Bantuan USG

Zeolit adalah aluminosilikat terhidrasi kristal mikropori dengan sifat penyerap dan katalitik.
Penerapan ultrasound berkinerja tinggi memengaruhi ukuran dan morfologi kristal zeolit yang disintesis secara ultrasonik dan meningkatkan kristalinitasnya. Selanjutnya, waktu kristalisasi berkurang secara drastis menggunakan rute sintesis sonokimia. Rute sintesis zeolit berbantuan ultrasonik diuji dan dikembangkan untuk berbagai jenis zeolit. Mekanisme sintesis zeolit ultrasonik didasarkan pada peningkatan perpindahan massa yang menghasilkan peningkatan laju pertumbuhan kristal. Peningkatan laju pertumbuhan kristal ini kemudian menyebabkan peningkatan laju nukleasi. Selain itu, sonikasi mempengaruhi kesetimbangan depolimerisasi-polimerisasi melalui peningkatan konsentrasi spesies larut, yang diperlukan untuk pembentukan zeolit.
Secara keseluruhan, berbagai studi penelitian dan pengaturan produksi skala percontohan telah membuktikan sintesis zeolit ultrasonik sangat efisien menghemat waktu dan biaya.

Sintesis Konvensional vs Sintesis Ultrasonik Zeolit

Bagaimana zeolit disintesis secara konvensional?

Sintesis zeolit konvensional adalah proses hidrotermal yang sangat memakan waktu, yang dapat membutuhkan waktu reaksi dari beberapa jam hingga beberapa hari. Rute hidrotermal biasanya merupakan proses batch, di mana zeolit disintesis dari sumber Si dan Al amorf atau larut. Pada tahap penuaan awal, gel reaktif disusun oleh agen pengarah struktur (SDA) dan sumber aluminium dan silika berumur pada suhu rendah. Selama langkah pertama penuaan ini, apa yang disebut inti terbentuk. Inti ini adalah bahan awal dari mana dalam proses kristalisasi berikutnya kristal zeolit tumbuh. Dengan inisiasi kristalisasi, suhu gel dinaikkan. Sintesis hidrotermal ini biasanya dilakukan pada reaktor batch. Namun, proses batch datang dengan kelemahan operasi yang padat karya.

Bagaimana zeolit disintesis di bawah sonikasi?

Sintesis ultrasonik zeolit adalah prosedur cepat untuk mensintesis zeolit homogen dalam kondisi ringan. Misalnya, kristal zeolit 50nm disintesis melalui rute sonokimia pada suhu kamar. Sementara reaksi sintesis zeolit konvensional a dapat memakan waktu hingga beberapa hari, rute sonokimia mengurangi durasi sintesis menjadi beberapa jam, sehingga secara signifikan mengurangi waktu reaksi.
Kristalisasi ultrasonik zeolit dapat dilakukan sebagai proses batch atau kontinu, yang membuat aplikasi mudah beradaptasi dengan lingkungan dan tujuan proses. Karena skalabilitas linier, sintesis zeolit ultrasonik dapat ditransfer dengan andal dari proses batch awal ke pemrosesan inline. Pemrosesan ultrasonik – dalam batch dan in-line – memungkinkan efisiensi ekonomi yang unggul, kontrol kualitas, dan fleksibilitas operasional.

Rute Sintesis Sonokimia dari Berbagai Jenis Zeolit

Di bagian berikut, kami memperkenalkan berbagai jalur sonokimia, yang telah berhasil digunakan untuk mensintesis berbagai jenis zeolit. Hasil penelitian secara konsisten menggarisbawahi keunggulan sintesis zeolit ultrasonik.

Sintesis Ultrasonik Zeolit Bikitaite yang mengandung Li

Roy dan Das (2017) mensintesis kristal Bikitaite zeolit yang mengandung lithium 50nm pada suhu kamar menggunakan UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) Ultrasonicator dalam pengaturan batch. Keberhasilan pembentukan sonokimia zeolit Bikitaite pada suhu kamar dikonfirmasi dengan zeolit Bikitaite yang mengandung lithium yang berhasil disintesis dengan analisis XRD dan IR.
Ketika perlakuan sonokimia dikombinasikan 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 rute hidrotermal konvensional. Sonikasi menunjukkan efek yang signifikan pada waktu kristalisasi dan pembentukan fase zeolit. Untuk mengevaluasi fungsionalitas zeolit Bikitaite yang disintesis secara ultrasonik, kapasitas penyimpanan hidrogennya diselidiki. Volume penyimpanan meningkat dengan meningkatnya kandungan Li zeolit.
Pembentukan zeolit sonokimia: Analisis XRD dan IR menunjukkan bahwa pembentukan zeolit Bikitaite nano-kristal murni dimulai setelah 3 jam ultrasonikasi dan 72 jam penuaan. Zeolit Bikitaite kristal berukuran nano dengan puncak yang menonjol diperoleh setelah waktu sonikasi 6 jam pada 250 W.
Keuntungan: Rute sintesis sonokimia zeolit yang mengandung lithium Bikitaite tidak hanya menawarkan keuntungan dari produksi sederhana kristal nano murni, tetapi juga menghadirkan teknik yang cepat dan hemat biaya. Biaya untuk peralatan ultrasonik dan energi yang dibutuhkan sangat rendah jika dibandingkan dengan proses lain. Selain itu, durasi proses sintesis sangat singkat, sehingga proses sonokimia dianggap sebagai metode yang bermanfaat untuk aplikasi energi bersih.
(lih. Roy et al. 2017)

Persiapan Zeolit Mordenite di bawah Ultrasonication

Mordenit yang diperoleh dengan penerapan pretreatment ultrasonik (MOR-U) menunjukkan morfologi pelet yang tumbuh saling tumbuh 10 × 5 μm2 dan tidak ada tanda-tanda formasi seperti jarum atau berserat. Prosedur berbantuan ultrasound menghasilkan bahan dengan karakteristik tekstur yang lebih baik, khususnya, volume mikropori yang dapat diakses untuk molekul nitrogen dalam bentuk yang dibuat. Dalam kasus mordenit yang telah diolah secara ultrasonik, bentuk kristal yang berubah dan morfologi yang lebih homogen diamati.
Singkatnya, penelitian saat ini menunjukkan bahwa pretreatment ultrasonik gel sintesis memengaruhi berbagai sifat mordenit yang diperoleh, menghasilkan

1. ukuran kristal dan morfologi yang lebih homogen, tidak adanya kristal seperti serat dan jarum yang tidak diinginkan;
2. lebih sedikit cacat struktural;
3. aksesibilitas mikropori yang signifikan dalam sampel mordenit yang dibuat (dibandingkan dengan mikropori yang tersumbat dalam bahan yang disiapkan dengan metode pengadukan klasik, sebelum perlakuan pasca-sintetis);
4. organisasi Al yang berbeda, konon menghasilkan posisi kation Na+ yang berbeda (faktor paling berpengaruh yang mempengaruhi sifat penyerapan bahan yang dibuat).

Pengurangan cacat struktural dengan praperawatan ultrasonik gel sintesis mungkin merupakan cara yang layak untuk memecahkan masalah umum struktur "non-ideal" pada mordenit sintetis. Selain itu, kapasitas penyerapan yang lebih tinggi dalam struktur ini dapat dicapai dengan metode ultrasonik yang mudah dan efisien yang diterapkan sebelum sintesis, tanpa perawatan pascasintetis tradisional yang memakan waktu dan sumber daya (yang, sebaliknya, mengarah pada timbulnya cacat struktural). Selain itu, jumlah gugus silanol yang lebih rendah dapat berkontribusi pada masa pakai katalitik yang lebih lama dari mordenit yang disiapkan.
(lih. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) mempelajari efek USG menggunakan ultrasonicator Hielscher UP200S pada zeolit H-mordite dan H-bet. Mereka sampai pada kesimpulan bahwa sonikasi adalah teknik yang efektif untuk modifikasi H-mordit dan H-Beta, yang membuat zeolit lebih sesuai untuk produksi dimetil eter (DME) melalui dehidrasi metanol.

Sintesis Ultrasonik Nanokristal SAPO-34

Melalui rute sonokimia, SAPO-34 (saringan molekuler silicoaluminophosphate, kelas zeolit) berhasil disintesis dalam bentuk nanocrstalline menggunakan TEAOH sebagai agen pengarah struktur (SDA). Untuk sonikasi, ultrasonicator tipe probe Hielscher UP200S (24kHz, 200 watt) digunakan. Ukuran kristal rata-rata dari produk akhir yang disiapkan secara sonokimia adalah 50nm, yang merupakan ukuran kristal yang jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan ukuran kristal yang disintesis secara hidrotermal. Ketika kristal SAPO-34 secara sonokimia dalam kondisi hidrotermal, luas permukaannya secara signifikan lebih tinggi daripada luas permukaan kristal kristal dari kristal SAPO-34 yang disintesis secara konvensional melalui teknik hidrotermal statis dengan kristalinitas yang hampir sama. Sementara metode hidrotermal konvensional membutuhkan setidaknya 24 jam waktu sintesis untuk mendapatkan SAPO-34 kristal penuh, melalui sintesis hidrotermal yang dibantu sonokimia, kristal SAPO-34 kristal sepenuhnya diperoleh setelah hanya 1,5 jam waktu reaksi. Karena energi ultrasonik yang sangat intens, kristalisasi zeolit SAPO-34 diintensifkan oleh runtuhnya gelembung kavitasi ultrasonik. Ledakan gelembung kavitasi terjadi dalam waktu kurang dari nanodetik yang menghasilkan suhu naik dan turun secara lokal, yang mencegah organisasi dan aglomerasi partikel dan menyebabkan ukuran kristal yang lebih kecil. Fakta bahwa kristal SONO-SAPO-34 kecil dapat dibuat dengan metode sonokimia menunjukkan kepadatan nukleasi yang tinggi pada tahap awal sintesis dan pertumbuhan kristal yang lambat setelah nukleasi. Hasil ini menunjukkan bahwa metode yang tidak konvensional ini merupakan teknik yang sangat berguna untuk sintesis nanokristal SAPO-34 dengan hasil tinggi pada skala produksi industri.
(lih. Askari dan Halladj; 2012)

Deaglomerasi Ultrasonik dan Dispersi Zeolit

Ketika zeolit digunakan dalam aplikasi industri, penelitian atau ilmu material, zeolit kering sebagian besar dicampur menjadi fase cair. Dispersi zeolit membutuhkan teknik pendispersian yang andal dan efektif, yang menerapkan energi yang cukup untuk mendeaglomerasi partikel zeolit. Ultrasonicators terkenal sebagai disperser yang kuat dan andal, oleh karena itu digunakan untuk membubarkan berbagai bahan seperti nanotube, graphene, mineral dan banyak bahan lainnya secara homogen menjadi fase cair.
Bubuk zeolit yang tidak diolah dengan ultrasound sangat diaglomerasi dengan morfologi seperti cangkang. Sebaliknya, perlakuan sonikasi selama 5 menit (sampel 200 mL yang disonikasi pada 320 W) tampaknya menghancurkan sebagian besar bentuk seperti cangkang, yang menghasilkan bubuk akhir yang lebih terdispersi. (lih. Ramirez Medoza et al. 2020)
Misalnya, Ramirez Medoza et al. (2020) menggunakan ultrasonicator probe Hielscher UP200S untuk mengkristalisasi zeolit NaX (yaitu, zeolit X yang disintesis dalam bentuk natrium (NaX)) pada suhu rendah. Sonikasi selama jam pertama kristalisasi menghasilkan pengurangan waktu reaksi 20% dibandingkan dengan proses kristalisasi standar. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa sonikasi juga dapat mengurangi tingkat aglomerasi bubuk akhir dengan menerapkan ultrasound intensitas tinggi untuk periode sonikasi yang lebih lama.

Ultrasonicators Kinerja Tinggi untuk Sintesis Zeolit

Perangkat keras canggih dan perangkat lunak pintar ultrasonicators Hielscher dirancang untuk menjamin operasi yang andal, hasil yang dapat direproduksi, serta keramahan pengguna. Ultrasonicators Hielscher kuat dan andal, yang memungkinkan untuk dipasang dan dioperasikan dalam kondisi tugas berat. Pengaturan operasional dapat dengan mudah diakses dan diputar melalui menu intuitif, yang dapat diakses melalui layar sentuh warna digital dan remote control browser. Oleh karena itu, semua kondisi pemrosesan seperti energi bersih, energi total, amplitudo, waktu, tekanan, dan suhu secara otomatis dicatat pada kartu SD bawaan. Ini memungkinkan Anda untuk merevisi dan membandingkan jalanan sonikasi sebelumnya dan untuk mengoptimalkan sintesis zeolit dan proses dispersi ke efisiensi tertinggi.
Sistem Ultrasonik Hielscher digunakan di seluruh dunia untuk proses kristalisasi dan terbukti dapat diandalkan untuk sintesis zeolit dan turunan zeolit berkualitas tinggi. Ultrasonicator industri Hielscher dapat dengan mudah menjalankan amplitudo tinggi dalam operasi terus menerus (24/7/365). Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dihasilkan terus menerus dengan sonotrode standar (probe ultrasonik / tanduk). Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Karena kekokohan dan perawatannya yang rendah, ultrasonicator kami biasanya dipasang untuk aplikasi tugas berat dan di lingkungan yang menuntut.
Prosesor ultrasonik Hielscher untuk sintesis sonokimia, kristalisasi dan deaglomerasi sudah dipasang di seluruh dunia dalam skala komersial. Hubungi kami sekarang untuk mendiskusikan proses pembuatan zeolit Anda! Staf kami yang berpengalaman akan dengan senang hati berbagi 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 jika dibandingkan dengan proses sintesis zeolit lainnya!

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: