ცეოლიტების სინთეზი და ფუნქციონალიზაცია სონიკაციის გამოყენებით

ცეოლიტები, მათ შორის ნანო-ცეოლიტები და ცეოლიტის წარმოებულები, შეიძლება ეფექტურად და საიმედოდ იყოს სინთეზირებული, ფუნქციონალური და დეაგლომერირებული მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი გამოკვლევის გამოყენებით. ულტრაბგერითი ცეოლითის სინთეზი და დამუშავება აღემატება ჩვეულებრივ ჰიდროთერმულ სინთეზს ეფექტურობით, სიმარტივით და მარტივი ხაზოვანი მასშტაბურობით დიდ წარმოებამდე. ულტრაბგერითი სინთეზირებული ცეოლიტები აჩვენებენ კარგ კრისტალურობას, სისუფთავეს და ასევე მაღალი ხარისხის ფუნქციონირებას ფორიანობის და დეაგლომერაციის გამო.

ზეოლიტების ულტრაბგერითი მომზადება

ცეოლიტები არის მიკროფოროვანი კრისტალური ჰიდრატირებული ალუმოსილიკატები შთამნთქმელი და კატალიზური თვისებებით.
მაღალი ხარისხის ულტრაბგერის გამოყენება გავლენას ახდენს ულტრაბგერითი სინთეზირებული ცეოლითის კრისტალების ზომასა და მორფოლოგიაზე და აუმჯობესებს მათ კრისტალურობას. გარდა ამისა, კრისტალიზაციის დრო მკვეთრად მცირდება სონოქიმიური სინთეზის მარშრუტის გამოყენებით. ულტრაბგერითი დახმარებით ცეოლიტის სინთეზის მარშრუტები გამოსცადეს და შემუშავდა მრავალი ცეოლიტის ტიპისთვის. ულტრაბგერითი ცეოლიტის სინთეზის მექანიზმი ეფუძნება გაუმჯობესებულ მასის გადაცემას, რაც იწვევს კრისტალების ზრდის ტემპის გაზრდას. კრისტალების ზრდის ტემპის ეს ზრდა შემდგომში იწვევს ბირთვების გაზრდის სიჩქარეს. გარდა ამისა, სონიკა გავლენას ახდენს დეპოლიმერიზაცია-პოლიმერიზაციის წონასწორობაზე ხსნადი სახეობების კონცენტრაციის გაზრდის გზით, რაც საჭიროა ცეოლითის წარმოქმნისთვის.
საერთო ჯამში, სხვადასხვა კვლევითმა კვლევებმა და საპილოტე მასშტაბის წარმოების პარამეტრებმა დაადასტურა ულტრაბგერითი ცეოლითის სინთეზი, როგორც უაღრესად ეფექტური დაზოგვის დრო და ხარჯები.

ჩვეულებრივი სინთეზი ზეოლიტების ულტრაბგერითი სინთეზის წინააღმდეგ

როგორ ხდება ცეოლითის სინთეზი პირობითად?

ჩვეულებრივი ცეოლიტის სინთეზი არის ძალიან შრომატევადი ჰიდროთერმული პროცესი, რომელსაც შეიძლება დასჭირდეს რეაქციის დრო რამდენიმე საათიდან რამდენიმე დღემდე. ჰიდროთერმული მარშრუტი ჩვეულებრივ არის სერიის პროცესი, სადაც ცეოლიტები სინთეზირდება ამორფული ან ხსნადი Si და Al წყაროებიდან. დაბერების საწყის ეტაპზე რეაქტიული გელი შედგება სტრუქტურის მიმართული აგენტის (SDA) მიერ და ალუმინის და სილიციუმის წყაროები დაძველებულია დაბალ ტემპერატურაზე. დაბერების პირველი ეტაპის დროს წარმოიქმნება ე.წ. ეს ბირთვები არის საწყისი მასალა, საიდანაც შემდგომი კრისტალიზაციის პროცესში იზრდება ცეოლიტის კრისტალები. კრისტალიზაციის დაწყებისთანავე გელის ტემპერატურა მატულობს. ეს ჰიდროთერმული სინთეზი ჩვეულებრივ ხორციელდება პარტიულ რეაქტორებში. თუმცა, სერიის პროცესებს გააჩნია შრომის ინტენსიური მუშაობის ნაკლი.

როგორ სინთეზირდება ცეოლიტი სონიკაციის დროს?

ცეოლიტის ულტრაბგერითი სინთეზი არის სწრაფი პროცედურა რბილ პირობებში ერთგვაროვანი ცეოლიტის სინთეზისთვის. მაგალითად, 50 ნმ ცეოლითის კრისტალები სინთეზირებული იყო ოთახის ტემპერატურაზე სონოქიმიური გზით. მაშინ, როცა ჩვეულებრივი ცეოლიტის სინთეზის რეაქცია a შეიძლება გაგრძელდეს რამდენიმე დღემდე, სონოქიმიური გზა ამცირებს სინთეზის ხანგრძლივობას რამდენიმე საათამდე, რითაც მნიშვნელოვნად ამცირებს რეაქციის დროს.
ცეოლიტის ულტრაბგერითი კრისტალიზაცია შეიძლება განხორციელდეს სერიის ან უწყვეტი პროცესების სახით, რაც აპლიკაციას ადვილად ადაპტირებულს ხდის გარემოსა და პროცესის მიზნებს. წრფივი მასშტაბურობის გამო, ულტრაბგერითი ცეოლითის სინთეზები შეიძლება საიმედოდ გადავიდეს საწყისი სერიის პროცესიდან შიდა დამუშავებაზე. ულტრაბგერითი დამუშავება – პარტიაში და ხაზში – იძლევა უმაღლესი ეკონომიკური ეფექტურობის, ხარისხის კონტროლისა და ოპერაციული მოქნილობის საშუალებას.

სხვადასხვა ტიპის ცეოლითის სონოქიმიური სინთეზის მარშრუტები

შემდეგ განყოფილებაში წარმოგიდგენთ სხვადასხვა სონოქიმიურ გზას, რომლებიც წარმატებით გამოიყენება სხვადასხვა ტიპის ცეოლითის სინთეზისთვის. კვლევის შედეგები მუდმივად ხაზს უსვამს ულტრაბგერითი ცეოლითის სინთეზის უპირატესობას.

ლითიუმის შემცველი ბიკიტაიტის ცეოლიტის ულტრაბგერითი სინთეზი

როიმ და დასმა (2017) მოახდინეს 50 ნმ ლითიუმის შემცველი ცეოლიტის ბიკიტაიტის კრისტალების სინთეზირება ოთახის ტემპერატურაზე. UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ულტრაბგერითი პარტიული კონფიგურაციაში. ბიკიტაიტის ცეოლიტის წარმატებული სონოქიმიური წარმოქმნა ოთახის ტემპერატურაზე დადასტურდა წარმატებით სინთეზირებული ლითიუმის შემცველი ბიკიტაიტის ცეოლითით XRD და IR ანალიზით.
როდესაც სონოქიმიური დამუშავება შერწყმული იყო ჩვეულებრივ ჰიდროთერმულ მკურნალობასთან, ცეოლითის კრისტალების ფაზის ფორმირება მიღწეული იყო გაცილებით დაბალ ტემპერატურაზე (100º C) 300º C-სთან შედარებით 5 დღის განმავლობაში, რაც ტიპიური მნიშვნელობებია ჩვეულებრივი ჰიდროთერმული მარშრუტისთვის. სონიკაცია მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ცეოლითის კრისტალიზაციის დროზე და ფაზაზე. ულტრაბგერითი სინთეზირებული ბიკიტაიტის ცეოლიტის ფუნქციონალურობის შესაფასებლად, გამოკვლეული იქნა მისი წყალბადის შენახვის მოცულობა. შენახვის მოცულობა იზრდება ცეოლითის Li შემცველობის მატებასთან ერთად.
სონოქიმიური ცეოლითის წარმოქმნა: XRD და IR ანალიზმა აჩვენა, რომ სუფთა, ნანოკრისტალური ბიკიტაიტის ცეოლიტის ფორმირება დაიწყო 3 საათის ულტრაბგერითი და 72 საათის დაძველების შემდეგ. ნანო ზომის კრისტალური ბიკიტაიტის ცეოლიტი თვალსაჩინო მწვერვალებით მიღებულ იქნა 6 სთ-იანი გაჟონვის შემდეგ 250 ვტ-ზე.
უპირატესობები: ლითიუმის შემცველი ცეოლიტის ბიკიტაიტის სონოქიმიური სინთეზის მარშრუტი გთავაზობთ არა მხოლოდ სუფთა ნანოკრისტალების მარტივი წარმოების უპირატესობას, არამედ წარმოადგენს სწრაფ და ეკონომიურ ტექნიკას. ულტრაბგერითი აღჭურვილობის ხარჯები და საჭირო ენერგია ძალიან დაბალია სხვა პროცესებთან შედარებით. გარდა ამისა, სინთეზის პროცესის ხანგრძლივობა ძალიან ხანმოკლეა, რის გამოც სონოქიმიური პროცესი განიხილება, როგორც სასარგებლო მეთოდი სუფთა ენერგიის გამოყენებისთვის.
(შდრ. Roy et al. 2017)

ზეოლიტის მორდენიტის მომზადება ულტრაბგერითი გამოკვლევით

ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავებით მიღებული მორდენიტი (MOR-U) აჩვენებდა 10 × 5 μm2 გრანულების უფრო ერთგვაროვან მორფოლოგიას და არ ჰქონდა ნემსის მსგავსი ან ბოჭკოვანი წარმონაქმნების ნიშნები. ულტრაბგერითი დახმარებით ჩატარებულმა პროცედურამ გამოიწვია მასალა გაუმჯობესებული ტექსტურული მახასიათებლებით, კერძოდ, აზოტის მოლეკულებისთვის ხელმისაწვდომი მიკროფორების მოცულობა, როგორც დამზადებულია. ულტრაბგერითი წინასწარ დამუშავებული მორდენიტის შემთხვევაში დაფიქსირდა შეცვლილი ბროლის ფორმა და უფრო ერთგვაროვანი მორფოლოგია.
მოკლედ, მიმდინარე კვლევამ აჩვენა, რომ სინთეზური გელის ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავება გავლენას ახდენდა მიღებული მორდენიტის სხვადასხვა თვისებებზე, რის შედეგადაც

1. უფრო ერთგვაროვანი კრისტალების ზომა და მორფოლოგია, არასასურველი ბოჭკოვანი და ნემსის მსგავსი კრისტალების არარსებობა;
2. ნაკლები სტრუქტურული დეფექტები;
3. მიკროფორების მნიშვნელოვანი ხელმისაწვდომობა მორდენიტის ნიმუშში (შედარება დაბლოკილ მიკროფორებთან კლასიკური მორევის მეთოდით მომზადებულ მასალებში, პოსტ-სინთეზურ დამუშავებამდე);
4. სხვადასხვა Al ორგანიზაცია, რომელიც სავარაუდოდ იწვევს Na+ კათიონების სხვადასხვა პოზიციებს (ყველაზე გავლენიანი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს როგორც დამზადებული მასალების სორბციულ თვისებებზე).

სტრუქტურული დეფექტების შემცირება სინთეზური გელის ულტრაბგერითი წინასწარი დამუშავებით შეიძლება იყოს შესაძლებელი გზა სინთეზური მორდენიტების "არაიდეალური" სტრუქტურის საერთო პრობლემის გადასაჭრელად. გარდა ამისა, ამ სტრუქტურაში უფრო მაღალი სორბციის უნარი შეიძლება მიღწეული იყოს მარტივი და ეფექტური ულტრაბგერითი მეთოდით, რომელიც გამოიყენება სინთეზამდე, დროისა და რესურსების შრომატევადი ტრადიციული პოსტსინთეზური მკურნალობის გარეშე (რაც, პირიქით, იწვევს სტრუქტურული დეფექტების წარმოქმნას). უფრო მეტიც, სილანოლის ჯგუფების მცირე რაოდენობამ შეიძლება ხელი შეუწყოს მომზადებული მორდენიტის უფრო მეტ კატალიზურ სიცოცხლეს.
(შდრ. Kornas et al. 2021)

სოლიმანი და სხვ. (2013) შეისწავლა ულტრაბგერის ეფექტი Hielscher ულტრაბგერითი აპარატის გამოყენებით UP200S H-mordite და H-bet ცეოლითებზე. ისინი მივიდნენ დასკვნამდე, რომ სონიკა არის ეფექტური ტექნიკა H-mordite და H-Beta მოდიფიკაციისთვის, რაც ცეოლითებს უფრო შესაფერისს ხდის დიმეთილის ეთერის (DME) წარმოებისთვის მეთანოლის დეჰიდრატაციის გზით.

SAPO-34 ნანოკრისტალების ულტრაბგერითი სინთეზი

სონოქიმიური მარშრუტის მეშვეობით, SAPO-34 (სილიკოალუმინოფოსფატის მოლეკულური საცრები, ცეოლიტების კლასი) წარმატებით იქნა სინთეზირებული ნანოკრისტალური ფორმით TEAOH-ის გამოყენებით, როგორც სტრუქტურის მიმართულების აგენტის (SDA). სონიკაციისთვის, Hielscher ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი UP200S (24 kHz, 200 ვატი) გამოყენებული იყო. სონოქიმიურად მომზადებული საბოლოო პროდუქტის საშუალო კრისტალის ზომა არის 50 ნმ, რაც ჰიდროთერმულად სინთეზირებული კრისტალების ზომასთან შედარებით მნიშვნელოვნად მცირე კრისტალის ზომაა. როდესაც SAPO-34 კრისტალები სონოქიმიურად იყო ჰიდროთერმულ პირობებში, ზედაპირის ფართობი მნიშვნელოვნად აღემატება ჩვეულებრივ სინთეზირებული SAPO-34 კრისტალების ბროლის ზედაპირის ფართობს სტატიკური ჰიდროთერმული ტექნიკით თითქმის იგივე კრისტალურობით. მაშინ, როცა ჩვეულებრივი ჰიდროთერმული მეთოდი სინთეზის დროს მინიმუმ 24 სთ სჭირდება სრულად კრისტალური SAPO-34-ის მისაღებად, სონოქიმიურად დამხმარე ჰიდროთერმული სინთეზით სრულად კრისტალური SAPO-34 კრისტალები მიიღება მხოლოდ 1,5 საათის რეაქციის დროის შემდეგ. უაღრესად ინტენსიური ულტრაბგერითი ენერგიის გამო, ცეოლიტის SAPO-34 კრისტალიზაცია ძლიერდება ულტრაბგერითი კავიტაციის ბუშტების კოლაფსით. კავიტაციის ბუშტების აფეთქება ხდება ნანოწამზე ნაკლებ დროში, რაც იწვევს ადგილობრივად სწრაფად მატებასა და დაცემას, რაც ხელს უშლის ნაწილაკების ორგანიზებას და აგლომერაციას და იწვევს კრისტალების მცირე ზომებს. ის ფაქტი, რომ პატარა SONO-SAPO-34 კრისტალები შეიძლება მომზადდეს სონოქიმიური მეთოდით, მიუთითებს სინთეზის ადრეულ ეტაპებზე ბირთვების მაღალ სიმკვრივესა და ბირთვების შემდეგ კრისტალების ნელ ზრდაზე. ეს შედეგები ვარაუდობს, რომ ეს არატრადიციული მეთოდი ძალიან სასარგებლო ტექნიკაა SAPO-34 ნანოკრისტალების სინთეზისთვის სამრეწველო წარმოების მასშტაბით მაღალი მოსავლიანობით.
(შდრ. Askari and Halladj; 2012)

ზეოლიტების ულტრაბგერითი დეაგლომერაცია და დისპერსია

როდესაც ცეოლიტები გამოიყენება სამრეწველო აპლიკაციებში, კვლევებში ან მატერიალურ მეცნიერებაში, მშრალი ცეოლიტი ძირითადად შერეულია თხევად ფაზაში. ცეოლითის დისპერსიას სჭირდება საიმედო და ეფექტური დისპერსიის ტექნიკა, რომელიც იყენებს საკმარის ენერგიას ცეოლიტის ნაწილაკების დეაგლომერაციისთვის. ცნობილია, რომ ულტრაბგერითი არის ძლიერი და საიმედო დისპერსერი, ამიტომ გამოიყენება სხვადასხვა მასალის, როგორიცაა ნანომილები, გრაფენი, მინერალები და მრავალი სხვა მასალა ერთგვაროვან თხევად ფაზაში დასაშლელად.
ცეოლიტის ფხვნილი, რომელიც არ არის დამუშავებული ულტრაბგერითი, მნიშვნელოვნად არის აგლომერირებული გარსის მსგავსი მორფოლოგიით. ამის საპირისპიროდ, 5 წუთიანი ხმოვანი დამუშავება (200 მლ ნიმუში გაჟღენთილი 320 ვტ-ზე), როგორც ჩანს, ანადგურებს ჭურვის მსგავსი ფორმების უმეტესობას, რაც იწვევს უფრო გაფანტულ საბოლოო ფხვნილს. (შდრ. რამირეს მედოზა და სხვ. 2020)
მაგალითად, რამირეს მედოზა და სხვ. (2020) გამოიყენა Hielscher ზონდის ულტრაბგერითი UP200S დაბალ ტემპერატურაზე NaX ცეოლიტის (ანუ ცეოლიტი X სინთეზირებული ნატრიუმის სახით (NaX)) კრისტალიზება. კრისტალიზაციის პირველი საათის განმავლობაში გაჟღერებამ გამოიწვია რეაქციის დროის 20%-ით შემცირება სტანდარტული კრისტალიზაციის პროცესთან შედარებით. გარდა ამისა, მათ აჩვენეს, რომ სონიკაციას ასევე შეუძლია შეამციროს საბოლოო ფხვნილის აგლომერაციის ხარისხი მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი სკანირების უფრო ხანგრძლივი პერიოდის განმავლობაში.

მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ცეოლითის სინთეზისთვის

Hielscher ულტრაბგერითების დახვეწილი აპარატურა და ჭკვიანი პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია საიმედო მუშაობის, განმეორებადი შედეგების და ასევე მომხმარებლის კეთილგანწყობის უზრუნველსაყოფად. Hielscher ულტრაბგერითი არის მტკიცე და საიმედო, რაც საშუალებას იძლევა დამონტაჟდეს და მუშაობდეს მძიმე სამუშაო პირობებში. ოპერაციულ პარამეტრებზე ადვილად წვდომა და აკრეფა შესაძლებელია ინტუიციური მენიუს საშუალებით, რომლის წვდომა შესაძლებელია ციფრული ფერადი სენსორული დისპლეით და ბრაუზერის დისტანციური მართვის საშუალებით. ამიტომ, დამუშავების ყველა პირობა, როგორიცაა წმინდა ენერგია, მთლიანი ენერგია, ამპლიტუდა, დრო, წნევა და ტემპერატურა ავტომატურად ჩაიწერება ჩაშენებულ SD ბარათზე. ეს საშუალებას გაძლევთ გადახედოთ და შეადაროთ წინა ხმოვანი გაშვებები და ოპტიმიზაცია მოახდინოთ ცეოლითის სინთეზისა და დისპერსიის პროცესის მაქსიმალურ ეფექტურობამდე.
Hielscher Ultrasonics სისტემები გამოიყენება მთელ მსოფლიოში კრისტალიზაციის პროცესებისთვის და დადასტურებულია, რომ საიმედოა მაღალი ხარისხის ცეოლიტების და ცეოლიტის წარმოებულების სინთეზისთვის. Hielscher სამრეწველო ულტრაბგერითებს შეუძლიათ ადვილად აწარმოონ მაღალი ამპლიტუდები უწყვეტი მუშაობისას (24/7/365). 200 μm-მდე ამპლიტუდები ადვილად შეიძლება მუდმივად წარმოიქმნას სტანდარტული სონოტროდებით (ულტრაბგერითი ზონდები / რქები). კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. მათი გამძლეობისა და დაბალი მოვლის გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატები ჩვეულებრივ დამონტაჟებულია მძიმე სამუშაო აპლიკაციებისთვის და მომთხოვნ გარემოში.
Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორები სონოქიმიური სინთეზებისთვის, კრისტალიზაციისა და დეაგლომერაციისთვის უკვე დამონტაჟებულია მთელ მსოფლიოში კომერციული მასშტაბით. დაგვიკავშირდით ახლა თქვენი ცეოლითის წარმოების პროცესის განსახილველად! ჩვენი კარგად გამოცდილი პერსონალი სიამოვნებით გაგიზიარებთ დამატებით ინფორმაციას სონოქიმიური სინთეზის გზის, ულტრაბგერითი სისტემებისა და ფასების შესახებ!
ულტრაბგერითი სინთეზის მეთოდის უპირატესობით, თქვენი ცეოლითის წარმოება გამოირჩევა ეფექტურობით, სიმარტივით და დაბალი ღირებულებით სხვა ცეოლითის სინთეზის პროცესებთან შედარებით!

ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს: