ცეოლითების სინთეზი და ფუნქციონალიზაცია ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით

ცეოლითები, მათ შორის ნანოცეოლითები და ცეოლითის წარმოებული ნივთიერებები, შეიძლება ეფექტურად და სანდოდ იყოს სინთეზირებული, ფუნქციონალიზებული და დეაგლომერირებული მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით. ულტრაბგერითი ცეოლითების სინთეზი და დამუშავება აღემატება კონვენციურ ჰიდროთერმულ სინთეზს ეფექტურობით, სიმარტივით და მარტივი წრფივი მასშტაბირებადობით მასშტაბური წარმოებისთვის. ულტრაბგერითად სინთეზირებული ცეოლითები აჩვენებს კარგ კრისტალურობას, სიწმინდეს, ასევე ფუნქციონალურობის მაღალ ხარისხს პოროზიულობისა და დეაგლომერაციის გამო.

ცეოლითების მომზადება ულტრაბგერის დახმარებით

ცეოლითები არის მიკროპოროზული კრისტალური ჰიდრატული ალუმოსილიკატები აბსორბციული და კატალიზური თვისებებით.
მაღალი წარმადობის ულტრაბგერის გამოყენება გავლენას ახდენს ულტრაბგერითად სინთეზირებული ცეოლითის კრისტალების ზომასა და მორფოლოგიაზე და აუმჯობესებს მათ კრისტალურობას. გარდა ამისა, კრისტალიზაციის დრო მკვეთრად მცირდება სონოქიმიური სინთეზის გზის გამოყენებისას. ულტრაბგერის დახმარებით ცეოლითების სინთეზის გზები გამოიცადა და შემუშავდა მრავალი ტიპის ცეოლითისთვის. ცეოლითების ულტრაბგერითი სინთეზის მექანიზმი ეფუძნება გაუმჯობესებულ მასათა გადატანას, რაც იწვევს კრისტალების ზრდის სიჩქარის მატებას. კრისტალების ზრდის სიჩქარის ეს მატება შემდგომში იწვევს ნუკლეაციის სიჩქარის ზრდას. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი დამუშავება მოქმედებს დეპოლიმერიზაცია-პოლიმერიზაციის წონასწორობაზე ხსნადი ნაწილაკების კონცენტრაციის ზრდის გზით, რაც აუცილებელია ცეოლითის წარმოქმნისთვის.
ზოგადად, სხვადასხვა სამეცნიერო კვლევამ და საცდელი მასშტაბის საწარმოო დანადგარმა დაადასტურა, რომ ცეოლითების ულტრაბგერითი სინთეზი მაღალეფექტურია და დროისა და ხარჯების დაზოგვის საშუალებას იძლევა.

კონვენციური სინთეზი ცეოლითების ულტრაბგერით სინთეზთან შედარებით

როგორ ხდება ცეოლითის კონვენციური სინთეზი?

ცეოლითების კონვენციური სინთეზი ძალიან ხანგრძლივი ჰიდროთერმული პროცესია, რომლის რეაქციის დრო შეიძლება რამდენიმე საათიდან რამდენიმე დღემდე გაგრძელდეს. ჰიდროთერმული სინთეზი ჩვეულებრივ პერიოდული პროცესია, რომელშიც ცეოლითები სინთეზირდება ამორფული ან ხსნადი Si და Al წყაროებიდან. საწყისი დაძველების ეტაპზე რეაქციისუნარიანი გელი, რომელიც შეიცავს სტრუქტურის მიმმართველ აგენტს (SDA) და ალუმინისა და სილიციუმის დიოქსიდის წყაროებს, დაბალ ტემპერატურაზე ძველდება. დაძველების ამ პირველ ეტაპზე წარმოიქმნება ე.წ. კრისტალიზაციის ჩანასახები. ეს ჩანასახები საწყისი მასალაა, საიდანაც შემდგომი კრისტალიზაციის პროცესში ცეოლითის კრისტალები იზრდება. კრისტალიზაციის დაწყებასთან ერთად გელის ტემპერატურა იზრდება. ეს ჰიდროთერმული სინთეზი ჩვეულებრივ პერიოდულ რეაქტორებში ხორციელდება. თუმცა, პერიოდული პროცესების ნაკლი შრომატევადი ექსპლუატაციაა.

როგორ ხდება ცეოლითის სინთეზი ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში?

ცეოლითის ულტრაბგერითი სინთეზი რბილ პირობებში ჰომოგენური ცეოლითის სინთეზის სწრაფი პროცედურაა. მაგალითად, 50nm ცეოლითის კრისტალები სონოქიმიური გზით ოთახის ტემპერატურაზე სინთეზირდა. მაშინ როდესაც ცეოლითების კონვენციური სინთეზის რეაქცია შეიძლება რამდენიმე დღემდე გაგრძელდეს, სონოქიმიური გზა სინთეზის ხანგრძლივობას რამდენიმე საათამდე ამცირებს, რითაც მნიშვნელოვნად მცირდება რეაქციის დრო.
ცეოლითის ულტრაბგერითი კრისტალიზაცია შეიძლება განხორციელდეს პერიოდული ან უწყვეტი პროცესების სახით, რაც მის გამოყენებას ადვილად ადაპტირებადს ხდის გარემოსა და პროცესის მიზნებთან. წრფივი მასშტაბირებადობის გამო, ცეოლითების ულტრაბგერითი სინთეზი შეიძლება საიმედოდ გადავიდეს საწყისი პერიოდული პროცესიდან გამდინარე დამუშავებაზე. ულტრაბგერითი დამუშავება – პერიოდულ და გამდინარე რეჟიმში – მაღალი ეკონომიკური ეფექტურობის, ხარისხის კონტროლისა და ოპერაციული მოქნილობის მიღწევის საშუალებას იძლევა.

სხვადასხვა ტიპის ცეოლითების სონოქიმიური სინთეზის გზები

შემდეგ განყოფილებაში ჩვენ წარმოვადგენთ სხვადასხვა სონოქიმიურ გზებს, რომლებიც წარმატებით იქნა გამოყენებული სხვადასხვა ტიპის ცეოლითების სინთეზისთვის. კვლევითი შედეგები მუდმივად ხაზს უსვამენ ულტრაბგერითი ცეოლითის სინთეზის უპირატესობას.

ლითიუმშემცველი ბიკიტაიტის ცეოლითის ულტრაბგერითი სინთეზი

Roy and Das (2017) აწარმოებდნენ 50nm ლითიუმშემცველი ცეოლითის ბიკიტაიტის კრისტალების სინთეზს ოთახის ტემპერატურაზე UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის გამოყენებით პარტიულ რეჟიმში. ბიკიტაიტის ცეოლითის წარმატებული სონოქიმიური წარმოქმნა ოთახის ტემპერატურაზე დადასტურდა ლითიუმშემცველი ბიკიტაიტის ცეოლითის წარმატებული სინთეზით XRD და IR ანალიზის მეშვეობით.
როდესაც სონოქიმიური დამუშავება კომბინირებული იყო ჩვეულებრივ ჰიდროთერმულ დამუშავებასთან, ცეოლითის კრისტალების ფაზის წარმოქმნა მიღწეული იყო ბევრად უფრო დაბალ ტემპერატურაზე (100°C), ვიდრე ჩვეულებრივი ჰიდროთერმული მეთოდისთვის ტიპურ პირობებში – 300°C-ზე 5 დღის განმავლობაში. ულტრაბგერითი დამუშავება მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ცეოლითის კრისტალიზაციის დროსა და ფაზის წარმოქმნაზე. ულტრაბგერით სინთეზირებული ბიკიტაიტის ცეოლითის ფუნქციონალურობის შესაფასებლად გამოიკვლიეს მისი წყალბადის შენახვის ტევადობა. შენახვის მოცულობა იზრდება ცეოლითში Li-ის შემცველობის ზრდასთან ერთად.
სონოქიმიური ცეოლითის წარმოქმნა: XRD და IR ანალიზმა აჩვენა, რომ სუფთა, ნანოკრისტალური ბიკიტაიტის ცეოლითის წარმოქმნა დაიწყო 3 სთ ულტრაბგერითი დამუშავებისა და 72 სთ დაძველების შემდეგ. ნანოზომიერი კრისტალური ბიკიტაიტის ცეოლითი მკაფიო პიკებით მიღებული იქნა 6 სთ ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ 250 W-ზე.
უპირატესობები: ლითიუმშემცველი ცეოლითის ბიკიტაიტის სონოქიმიური სინთეზის გზა გვთავაზობს არა მხოლოდ სუფთა ნანოკრისტალების მარტივი წარმოების უპირატესობას, არამედ წარმოადგენს სწრაფ და ეკონომიურ ტექნიკას. ულტრაბგერითი მოწყობილობისა და საჭირო ენერგიის ღირებულება ძალიან დაბალია სხვა პროცესებთან შედარებით. გარდა ამისა, სინთეზის პროცესის ხანგრძლივობა ძალიან მოკლეა, რის გამოც სონოქიმიური პროცესი განიხილება, როგორც სასარგებლო მეთოდი სუფთა ენერგიის გამოყენებისთვის.
(cf. Roy et al. 2017)

ცეოლითის მორდენიტის მომზადება ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში

ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავებით მიღებულმა მორდენიტმა (MOR-U) აჩვენა ერთმანეთთან შეზრდილი 10 × 5 µm2 ზომის გრანულების უფრო ჰომოგენური მორფოლოგია, ნემსისებრი ან ბოჭკოვანი წარმონაქმნების ნიშნების გარეშე. ულტრაბგერის დახმარებით მიღებულ მასალას გაუმჯობესებული ტექსტურული მახასიათებლები ჰქონდა, კერძოდ, უშუალოდ მიღებულ მდგომარეობაში აზოტის მოლეკულებისთვის ხელმისაწვდომი მიკროფორების მოცულობა. ულტრაბგერით წინასწარ დამუშავებული მორდენიტის შემთხვევაში დაფიქსირდა კრისტალების შეცვლილი ფორმა და უფრო ჰომოგენური მორფოლოგია.
შეჯამებისთვის, მიმდინარე კვლევამ აჩვენა, რომ სინთეზის გელის ულტრაბგერითმა წინასწარმა დამუშავებამ გავლენა იქონია მიღებული მორდენიტის სხვადასხვა თვისებებზე, რამაც გამოიწვია

1. კრისტალების უფრო ერთგვაროვანი ზომა და მორფოლოგია, არასასურველი ბოჭკოვანი და ნემსისებრი კრისტალების არარსებობა;
2. ნაკლები სტრუქტურული დეფექტი;
3. მიკროფორების მნიშვნელოვანი ხელმისაწვდომობა უშუალოდ მიღებული მორდენიტის ნიმუშში (კლასიკური მორევის მეთოდით მომზადებულ მასალებში სინთეზის შემდგომ დამუშავებამდე ბლოკირებულ მიკროფორებთან შედარებით);
4. Al-ის განსხვავებული განლაგება, რაც სავარაუდოდ განაპირობებს Na+ კატიონების განსხვავებულ პოზიციებს (ყველაზე გავლენიანი ფაქტორი, რომელიც მოქმედებს უშუალოდ მიღებული მასალების სორბციულ თვისებებზე).

სინთეზის გელის ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავებით სტრუქტურული დეფექტების შემცირება შეიძლება იყოს სინთეზური მორდენიტების „არაიდეალური“ სტრუქტურის გავრცელებული პრობლემის გადაჭრის შესაძლო გზა. გარდა ამისა, ამ სტრუქტურაში უფრო მაღალი სორბციული ტევადობის მიღწევა შესაძლებელია სინთეზამდე გამოყენებული მარტივი და ეფექტური ულტრაბგერითი მეთოდით, დროისა და რესურსების მომთხოვნი ტრადიციული სინთეზის შემდგომი დამუშავების გარეშე (რომელიც, პირიქით, სტრუქტურული დეფექტების წარმოქმნას იწვევს). უფრო მეტიც, სილანოლის ჯგუფების ნაკლებმა რაოდენობამ შეიძლება ხელი შეუწყოს მიღებული მორდენიტის კატალიზური მოქმედების ხანგრძლივობის გაზრდას.
(იხ. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) შეისწავლეს ულტრაბგერის გავლენა Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის UP200S გამოყენებით H-მორდენიტზე და H-ბეტა ცეოლითებზე. მათ დაადგინეს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება არის ეფექტური ტექნიკა H-მორდენიტისა და H-ბეტას მოდიფიკაციისთვის, რაც ცეოლითებს უფრო შესაფერისს ხდის დიმეთილის ეთერის (DME) წარმოებისთვის მეთანოლის დეჰიდრატაციის გზით.

SAPO-34 ნანოკრისტალების ულტრაბგერითი სინთეზი

სონოქიმიური გზით SAPO-34 (სილიკოალუმინოფოსფატური მოლეკულური საცრები, ცეოლითების კლასი) წარმატებით იქნა სინთეზირებული ნანოკრისტალური ფორმით, სტრუქტურის მიმმართველ აგენტად (SDA) TEAOH-ის გამოყენებით. ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის გამოიყენებოდა Hielscher-ის ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP200S (24kHz, 200 ვატი) სონოქიმიურად მომზადებული საბოლოო პროდუქტის კრისტალების საშუალო ზომა არის 50nm, რაც მნიშვნელოვნად ნაკლებია ჰიდროთერმულად სინთეზირებული კრისტალების ზომასთან შედარებით. ჰიდროთერმულ პირობებში სონოქიმიურად მიღებული SAPO-34 კრისტალების ზედაპირის ფართობი მნიშვნელოვნად მეტია ტრადიციული სტატიკური ჰიდროთერმული ტექნიკით სინთეზირებული SAPO-34 კრისტალების ზედაპირის ფართობთან შედარებით, თითქმის იგივე კრისტალურობის პირობებში. მაშინ როდესაც ტრადიციული ჰიდროთერმული მეთოდით სრულად კრისტალური SAPO-34-ის მისაღებად სინთეზს სულ მცირე 24 h სჭირდება, სონოქიმიის დახმარებით მიმდინარე ჰიდროთერმული სინთეზის გზით სრულად კრისტალური SAPO-34 კრისტალები მიიღება რეაქციის დაწყებიდან მხოლოდ 1,5 h-ის შემდეგ. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ენერგიის გამო, ცეოლით SAPO-34-ის კრისტალიზაცია ინტენსიურდება ულტრაბგერითი კავიტაციის ბუშტების კოლაფსის შედეგად. კავიტაციის ბუშტების იმპლოზია ნანოწამზე ნაკლებ დროში ხდება, რაც ადგილობრივად იწვევს ტემპერატურის სწრაფ მატებასა და კლებას, ხელს უშლის ნაწილაკების ორგანიზებასა და აგლომერაციას და განაპირობებს უფრო მცირე ზომის კრისტალების წარმოქმნას. ის ფაქტი, რომ მცირე SONO-SAPO-34 კრისტალების მიღება სონოქიმიური მეთოდით არის შესაძლებელი, მიუთითებს სინთეზის ადრეულ ეტაპებზე ნუკლეაციის მაღალ სიმკვრივეზე და ნუკლეაციის შემდეგ კრისტალების ნელ ზრდაზე. ეს შედეგები მიუთითებს, რომ ეს არატრადიციული მეთოდი მეტად სასარგებლოა SAPO-34 ნანოკრისტალების მაღალი გამოსავლიანობით სინთეზისთვის სამრეწველო წარმოების მასშტაბით.
(იხ. Askari and Halladj; 2012)

ცეოლითების ულტრაბგერითი დეაგლომერაცია და დისპერსია

როდესაც ცეოლითები გამოიყენება სამრეწველო დანიშნულებით, კვლევაში ან მასალათა მეცნიერებაში, მშრალი ცეოლითი ძირითადად თხევად ფაზაში ირევა. ცეოლითის დისპერგირებისთვის საჭიროა საიმედო და ეფექტური ტექნიკა, რომელიც საკმარის ენერგიას მიაწვდის ცეოლითის ნაწილაკების დეაგლომერაციისთვის. ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ცნობილია, როგორც მძლავრი და საიმედო დისპერგატორები, ამიტომ გამოიყენება სხვადასხვა მასალის, როგორიცაა ნანომილაკები, გრაფენი, მინერალები და მრავალი სხვა მასალა, თხევად ფაზაში ჰომოგენურად დისპერგირებისთვის.
ცეოლითის ფხვნილი, რომელიც არ არის დამუშავებული ულტრაბგერით, მნიშვნელოვნად აგლომერირებულია ნიჟარისებრი მორფოლოგიით. პირიქით, 5 წუთიანი ულტრაბგერითი დამუშავება (200 mL ნიმუში დამუშავებულია 320 W-ზე) ჩანს, რომ ანადგურებს ნიჟარისებრი ფორმების უმეტესობას, რაც იწვევს უფრო დისპერგირებულ საბოლოო ფხვნილს. (იხ. Ramirez Medoza et al. 2020)
მაგალითად, Ramirez Medoza et al. (2020) გამოიყენეს Hielscher-ის პრობული ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP200S NaX ცეოლითის (ე.ი. ნატრიუმის ფორმაში სინთეზირებული X ცეოლითის (NaX)) დაბალ ტემპერატურაზე კრისტალიზაციისთვის. კრისტალიზაციის პირველი საათის განმავლობაში ულტრაბგერითმა დამუშავებამ რეაქციის დროის 20%-იანი შემცირება გამოიწვია სტანდარტულ კრისტალიზაციის პროცესთან შედარებით. გარდა ამისა, მათ აჩვენეს, რომ მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერის უფრო ხანგრძლივად გამოყენებით შესაძლებელია საბოლოო ფხვნილის აგლომერაციის ხარისხის შემცირებაც.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ზეოლითების სინთეზისთვის

Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დახვეწილი აპარატურა და სმარტ პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია საიმედო ექსპლუატაციის, გამეორებადი შედეგებისა და მომხმარებლისთვის მოსახერხებლობის უზრუნველსაყოფად. Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები მდგრადი და საიმედოა, რაც საშუალებას იძლევა ისინი დამონტაჟდეს და მუშაობდეს მძიმე პირობებში. სამუშაო პარამეტრებზე წვდომა და მათი დაყენება შესაძლებელია ინტუიციური მენიუს მეშვეობით, რომელიც ხელმისაწვდომია ციფრული ფერადი სენსორული ეკრანიდან და ბრაუზერით დისტანციური მართვის საშუალებით. შესაბამისად, დამუშავების ყველა პირობა, როგორიცაა ნეტო ენერგია, ჯამური ენერგია, ამპლიტუდა, დრო, წნევა და ტემპერატურა, ავტომატურად იწერება ჩაშენებულ SD-ბარათზე. ეს საშუალებას გაძლევთ გადახედოთ და შეადაროთ წინა ულტრაბგერითი დამუშავების ციკლები და ოპტიმიზაცია გაუკეთოთ ცეოლითების სინთეზისა და დისპერგირების პროცესს მაქსიმალური ეფექტურობის მისაღწევად.
Hielscher Ultrasonics-ის სისტემები მთელ მსოფლიოში გამოიყენება კრისტალიზაციის პროცესებისთვის და დადასტურებულია, რომ ისინი საიმედოა მაღალი ხარისხის ზეოლითებისა და ზეოლითის წარმოებულების სინთეზისთვის. Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები მარტივად მუშაობენ მაღალ ამპლიტუდებზე უწყვეტი ექსპლუატაციის პირობებში (24/7/365). ამპლიტუდები 200µm-მდე მარტივად შეიძლება უწყვეტად იქნას მიღებული სტანდარტული სონოტროდებით (ულტრაბგერითი პრობები / რქები). კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები. მათი მდგრადობისა და დაბალი მომსახურების საჭიროების გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ჩვეულებრივ ინსტალირდება მძიმე პირობებში გამოსაყენებლად და მოთხოვნად გარემოში.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორები სონოქიმიური სინთეზისთვის, კრისტალიზაციისა და დეაგლომერაციისთვის უკვე ინსტალირებულია მთელ მსოფლიოში კომერციულ მასშტაბებზე. დაგვიკავშირდით ახლავე, რათა განვიხილოთ თქვენი ზეოლითების წარმოების პროცესი! ჩვენი მდიდარი გამოცდილების მქონე პერსონალი სიამოვნებით გაგიზიარებთ მეტ ინფორმაციას სონოქიმიური სინთეზის გზებზე, ულტრაბგერით სისტემებზე და ფასებზე!
ულტრაბგერითი სინთეზის მეთოდის უპირატესობის გამო, თქვენი ზეოლითების წარმოება გამოირჩევა ეფექტურობით, სიმარტივით და დაბალი ღირებულებით სხვა ზეოლითების სინთეზის პროცესებთან შედარებით!

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამუშავების სავარაუდო წარმადობის შესახებ: