超音波処理を用いたゼオライトの合成と機能化

ナノゼオライトおよびゼオライト誘導体を含むゼオライトは、高性能超音波処理を使用して効率的かつ信頼性の高い合成、官能化および解凝集することができる。超音波ゼオライトの合成と処理は、効率、シンプルさ、および大量生産への単純な線形スケーラビリティにより、従来の水熱合成を上回っています。超音波合成されたゼオライトは、多孔性および解凝集により、良好な結晶化度、純度、ならびに高品位の機能性を示す。

超音波支援によるゼオライトの調製

ゼオライトは、吸収性と触媒性を備えた微多孔質の結晶性水和アルミノケイ酸塩です。
高性能超音波の適用は、超音波合成されたゼオライト結晶のサイズと形態に影響を与え、それらの結晶化度を向上させます。さらに、ソノケミカル合成経路を用いることで結晶化時間を大幅に短縮します。超音波支援ゼオライト合成ルートは、多数のゼオライトタイプに対してテストおよび開発されました。超音波ゼオライト合成のメカニズムは、結晶成長速度の増加をもたらす物質移動の改善に基づいています。この結晶成長速度の増加は、その後の核形成速度の増加につながります。さらに、超音波処理は、ゼオライト形成に必要な可溶性種の濃度の増加を通じて、解重合 - 重合平衡に影響を与える。
全体として、さまざまな調査研究とパイロットスケールの生産セットアップにより、超音波ゼオライト合成が非常に効率的で時間とコストを節約することが証明されています。

ゼオライトの従来の合成と超音波合成

ゼオライトは従来どのように合成されますか?

従来のゼオライト合成は非常に時間のかかる熱水プロセスであり、数時間から数日の反応時間が必要になる場合があります。熱水ルートは通常、ゼオライトがアモルファスまたは可溶性のSiおよびAl源から合成されるバッチプロセスです。初期の老化段階では、反応性ゲルは構造指向剤(SDA)によって構成され、アルミニウムとシリカの供給源は低温で老化されます。この老化の最初のステップでは、いわゆる核が形成されます。これらの原子核は、次の結晶化プロセスでゼオライト結晶が成長する出発物質です。結晶化の開始により、ゲルの温度が上昇します。この水熱合成は、通常、バッチ反応器で行われます。ただし、バッチプロセスには、労働集約的な操作という欠点があります。

ゼオライトは超音波処理下でどのように合成されますか?

ゼオライトの超音波合成は、穏やかな条件下で均質なゼオライトを合成するための迅速な手順です。たとえば、50nm のゼオライト結晶は、室温で音響化学的ルートを介して合成されました。従来のゼオライト合成反応には最大で数日かかる場合がありますが、ソノケミカルルートでは合成時間が数時間に短縮されるため、反応時間が大幅に短縮されます。
ゼオライトの超音波結晶化は、バッチまたは連続プロセスとして実施できるため、アプリケーションは環境およびプロセス目標に容易に適応できます。線形スケーラビリティにより、超音波ゼオライト合成は、初期バッチプロセスからインライン処理に確実に移行できます。超音波処理 – バッチおよびインライン – 優れた経済効率、品質管理、運用の柔軟性を実現します。

さまざまなゼオライトタイプの音響化学合成ルート

次のセクションでは、さまざまな種類のゼオライトの合成に成功したさまざまな音響化学的経路を紹介します。研究結果は一貫して超音波ゼオライト合成の優位性を強調しています。

Li含有ビキタイトゼオライトの超音波合成

Roy and Das(2017)は、50nmリチウム含有ゼオライトビキタイト結晶を室温で合成しました。 UIP1500hdT(20kHz、1.5kW) バッチセットアップの超音波装置。 室温でのビキタイトゼオライトの音響化学的形成の成功は、XRDおよびIR分析によるリチウム含有ビキタイトゼオライトの合成に成功したことによって確認されました。
ソノケミカル処理と従来の水熱処理を併用すると、ゼオライト結晶の相形成は、従来の熱水経路の典型的な値である300°Cの5日間と比較して、はるかに低い温度(100°C)で達成されました。超音波処理は、ゼオライトの結晶化時間と相形成に有意な影響を示します。超音波合成されたビキタイトゼオライトの機能を評価するために、その水素貯蔵能力を調査しました。ゼオライトのLi含有量が増加すると、貯蔵量が増加します。
ソノケミカルゼオライト形成: XRDおよびIR分析は、純粋なナノ結晶ビキタイトゼオライトの形成が3時間の超音波処理と72時間の老化後に始まったことを示しました。顕著なピークを有するナノサイズの結晶性ビキタイトゼオライトは、250Wで6時間の超音波処理時間後に得られた。
利点： リチウム含有ゼオライトビキタイトの音響化学合成ルートは、純粋なナノ結晶の簡単な製造の利点を提供するだけでなく、迅速で費用対効果の高い技術も提示します。超音波装置のコストと必要なエネルギーは、他のプロセスと比較すると非常に低くなっています。さらに、合成プロセスの期間は非常に短いため、ソノケミカルプロセスはクリーンエネルギーの応用に有益な方法と考えられています。
(cf. Roy et al. 2017)

超音波下でのゼオライトモルデナイト製剤

超音波前処理(MOR-U)を適用して得られたモルデナイトは、10×5μm2の相互成長ペレットのより均質な形態を示し、針状または繊維状の形成の兆候は見られませんでした。 超音波支援手順により、テクスチャー特性が改善された材料、特に、出来たままの形で窒素分子がアクセス可能な微細孔の体積が得られました。超音波前処理されたモルデナイトの場合、結晶形状の変化およびより均質な形態が観察された。
要約すると、現在の研究は、合成ゲルの超音波前処理が得られたモルデナイトの様々な特性に影響を与え、その結果、

1. より均質な結晶サイズと形態、望ましくない繊維状および針状の結晶の欠如。
2. 構造上の欠陥が少ない。
3. 既成のモルデナイトサンプルのマイクロポアアクセシビリティが有意である(合成後処理前の古典的な攪拌法で調製された材料のブロックされたミクロポアと比較)。
4. 異なるAl組織、おそらくNa+カチオンの異なる位置をもたらします(製造時の材料の収着特性に影響を与える最も影響力のある要因)。

合成ゲルの超音波前処理による構造欠陥の減少は、合成モルデナイトにおける「非理想的」構造の一般的な問題を解決するための実行可能な方法であり得る。さらに、この構造におけるより高い収着能は、合成前に適用された簡単で効率的な超音波法によって達成することができ、時間と資源を消費する従来の合成後処理(逆に、構造的欠陥の発生につながる)を伴わない。さらに、シラノール基の数が少ないほど、調製されたモルデナイトの触媒寿命が長くなります。
(Kornas et al. 2021参照)

Solymanら(2013)は、ヒールシャー超音波装置を使用して超音波の効果を研究しました UP200Sの H-モルダイトおよびH-betゼオライト上。彼らは、超音波処理がH-モルダイトおよびH-ベータ修飾の効果的な技術であり、ゼオライトをメタノールの脱水によるジメチルエーテル(DME)の生成により適切にするという結論に達しました。

SAPO-34ナノ結晶の超音波合成

音響化学的経路を介して、SAPO-34(シリコアルミノリン酸モレキュラーシーブ、ゼオライトの一種)は、構造指向剤(SDA)としてTEAOHを使用してナノクリスタリンの形で合成に成功しました。 超音波処理のために、ヒールシャープローブ型超音波装置 UP200S(24kHz、200ワット) が使用された。音響化学的に調製された最終生成物の平均結晶サイズは50nmであり、これは熱水合成結晶のサイズと比較するとかなり小さい結晶サイズです。SAPO-34結晶を音響化学的に水熱条件下で行った場合、表面積は、ほぼ同じ結晶化度を持つ静的水熱技術によって従来の合成されたSAPO-34結晶の結晶表面積よりも大幅に高くなりました。従来の水熱法では、完全に結晶性のSAPO-34を得るためには、少なくとも24時間の合成時間が必要ですが、音響化学的に支援された水熱合成により、わずか1.5時間の反応時間で完全に結晶性のSAPO-34結晶が得られます。非常に強い超音波エネルギーにより、ゼオライトSAPO-34の結晶化は、超音波キャビテーション気泡の崩壊によって強化されます。キャビテーション気泡の爆縮はナノ秒未満で発生し、局所的に急速に温度が上昇し、下降するため、粒子の組織化と凝集が妨げられ、結晶サイズが小さくなります。ソノケミカル法により小さなSONO-SAPO-34結晶を調製できるという事実は、合成の初期段階では高い核生成密度を示し、核生成後の結晶成長は遅いことを示唆しています。これらの結果は、この型破りな方法が、工業生産規模でSAPO-34ナノ結晶を高収率で合成するための非常に有用な技術であることを示唆しています。
(cf. Askari and Halladj; 2012)

ゼオライトの超音波解凝集と分散

ゼオライトが工業用途、研究、または材料科学で使用される場合、乾燥ゼオライトは主に液相に混合されます。ゼオライト分散には、ゼオライト粒子を解凝集するのに十分なエネルギーを適用する、信頼性が高く効果的な分散技術が必要です。超音波装置は、強力で信頼性の高い分散器であることがよく知られているため、ナノチューブ、グラフェン、鉱物、その他多くの材料などのさまざまな材料を液相に均一に分散させるために使用されます。
超音波で処理されていないゼオライト粉末は、貝殻のような形態でかなり凝集します。対照的に、5分間の超音波処理(200mLのサンプルを320Wで超音波処理)すると、貝殻のような形状の大部分が破壊され、その結果、最終粉末がより分散します。(参照:Ramirez Medoza et al. 2020)
例えば、Ramirez Medoza et al. (2020) は、ヒールシャープローブ超音波装置を使用しました UP200Sの NaXゼオライト(すなわち、ナトリウム形態(NaX)で合成されたゼオライトX)を低温で結晶化すること。結晶化の最初の1時間の間に超音波処理を行うと、標準的な結晶化プロセスと比較して反応時間が20%短縮されました。さらに、彼らは、超音波処理が、より長い超音波処理期間のために高強度超音波を適用することによって、最終粉末の凝集度を減少させることもできることを実証した。

ゼオライト合成のための高性能超音波装置

ヒールシャー超音波装置の洗練されたハードウェアとスマートソフトウェアは、信頼性の高い操作、再現性のある結果だけでなく、使いやすさを保証するように設計されています。ヒールシャー超音波装置は堅牢で信頼性が高く、ヘビーデューティーな条件下で設置および操作することができます。操作設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザのリモートコントロールを介してアクセスできる直感的なメニューから簡単にアクセスし、ダイヤルすることができます。したがって、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度などのすべての処理条件は、内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、以前の超音波処理の実行を修正および比較し、ゼオライトの合成および分散プロセスを最高の効率に最適化することができます。
ヒールシャー超音波システムは、結晶化プロセスのために世界中で使用されており、高品質のゼオライトとゼオライト誘導体の合成に信頼性があることが証明されています。ヒールシャー工業用超音波装置は、連続運転(24/7/365)で高振幅を容易に実行できます。最大200μmの振幅は、標準的なソノトロード(超音波プローブ/ホーン)で簡単に連続的に生成できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。その堅牢性と低メンテナンスのために、当社の超音波装置は一般的にヘビーデューティーなアプリケーションや要求の厳しい環境に設置されています。
ソノケミカル合成、結晶化および解凝集のためのヒールシャー超音波プロセッサは、すでに商業規模で世界中で設置されています。ゼオライトの製造プロセスについて話し合うために、今すぐお問い合わせください!私たちの経験豊富なスタッフは、ソノケミカル合成経路、超音波システム、および価格設定に関する詳細情報を共有してうれしいです!
超音波合成法の利点により、ゼオライト製造は、他のゼオライト合成プロセスと比較して、効率、シンプルさ、低コストで優れています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。