Sonication을 사용한 제올라이트의 합성 및 기능화

나노 제올라이트 및 제올라이트 유도체를 포함한 제올라이트는 고성능 초음파를 사용하여 효율적이고 신뢰할 수 있는 합성, 기능화 및 응집될 수 있습니다. 초음파 제올라이트 합성 및 처리는 효율성, 단순성 및 대량 생산에 대한 간단한 선형 확장성으로 인해 기존의 열수 합성을 능가합니다. 초음파로 합성된 제올라이트는 우수한 결정성, 순도 및 다공성 및 탈응집성으로 인해 높은 수준의 기능성을 보여줍니다.

제올라이트의 초음파 보조 준비

제올라이트는 흡수성 및 촉매 특성을 가진 미세 다공성 결정질 수화 알루미노실리케이트입니다.
고성능 초음파의 적용은 초음파로 합성된 제올라이트 결정의 크기와 형태에 영향을 미치고 결정도를 향상시킵니다. 또한, 초음파 화학 합성 경로를 사용하여 결정화 시간이 크게 단축됩니다. 초음파 보조 제올라이트 합성 경로는 수많은 제올라이트 유형에 대해 테스트 및 개발되었습니다. 초음파 제올라이트 합성의 메커니즘은 결정 성장률을 증가시키는 개선 된 질량 전달을 기반으로합니다. 이러한 결정 성장 속도의 증가는 결과적으로 핵 형성 속도의 증가로 이어집니다. 또한, 초음파 처리는 제올라이트 형성에 필요한 용해성 종의 농도 증가를 통해 해중합-중합 평형에 영향을 미칩니다.
전반적으로, 다양한 연구 조사와 파일럿 규모의 생산 설정은 초음파 제올라이트 합성이 시간과 비용을 절약하는 매우 효율적인 것으로 입증되었습니다.

Conventional Synthesis vs Ultrasonic Synthesis of Zeolites

제올라이트는 일반적으로 어떻게 합성됩니까?

기존의 제올라이트 합성은 시간이 많이 소요되는 열수 공정으로, 몇 시간에서 며칠에 이르는 반응 시간이 필요할 수 있습니다. 열수 경로는 일반적으로 제올라이트가 비정질 또는 용해성 Si 및 Al 소스에서 합성되는 배치 공정입니다. 초기 노화 단계에서 반응성 겔은 구조 유도제(SDA)에 의해 구성되고 알루미늄 및 실리카 공급원은 저온에서 숙성됩니다. 이 노화의 첫 번째 단계에서는 소위 핵이 형성됩니다. 이 핵은 다음 결정화 과정에서 제올라이트 결정이 자라는 출발 물질입니다. 결정화가 시작되면 겔의 온도가 상승합니다. 이 열수 합성은 일반적으로 배치 반응기에서 수행됩니다. 그러나 배치 공정에는 노동 집약적인 작업이라는 단점이 있습니다.

제올라이트는 초음파 처리하에 어떻게 합성됩니까?

제올라이트의 초음파 합성은 온화한 조건에서 균일한 제올라이트를 합성하는 신속한 절차입니다. 예를 들어, 50nm 제올라이트 결정은 실온에서 초음파 화학 경로를 통해 합성되었습니다. 기존의 제올라이트 합성 반응 a는 최대 며칠이 소요될 수 있지만 초음파 화학 경로는 합성 시간을 몇 시간으로 줄여 반응 시간을 크게 단축합니다.
제올라이트의 초음파 결정화는 배치 또는 연속 공정으로 수행할 수 있어 환경 및 공정 목표에 쉽게 적용할 수 있습니다. 선형 확장성으로 인해 초음파 제올라이트 합성은 초기 배치 공정에서 인라인 공정으로 안정적으로 전달될 수 있습니다. 초음파 처리 – 배치 및 인라인 – 우수한 경제적 효율성, 품질 관리 및 운영 유연성을 허용합니다.

다양한 제올라이트 유형의 Sonochemical synthesis route

다음 섹션에서는 다양한 유형의 제올라이트를 합성하는 데 성공적으로 사용된 다양한 초음파 화학 경로를 소개합니다. 연구 결과는 초음파 제올라이트 합성의 우수성을 일관되게 강조합니다.

Li 함유 Bikitaite 제올라이트의 초음파 합성

Roy and Das (2017)는 50nm 리튬 함유 제올라이트 Bikitaite 결정을 사용하여 실온에서 합성했습니다. UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) 배치 설정의 초음파. 실온에서 Bikitaite 제올라이트의 성공적인 초음파 화학적 형성은 XRD 및 IR 분석에 의해 성공적으로 합성된 리튬 함유 Bikitaite 제올라이트에 의해 확인되었습니다.
초음파 화학 처리가 기존의 열수 처리와 결합되었을 때, 제올라이트 결정의 상 형성은 5 일 동안 300ºC에 비해 훨씬 낮은 온도 (100ºC)에서 달성되었으며, 이는 기존 열수 경로의 전형적인 값입니다. 초음파 처리는 제올라이트의 결정화 시간 및 상 형성에 상당한 영향을 미칩니다. 초음파로 합성된 Bikitaite 제올라이트의 기능을 평가하기 위해 수소 저장 용량을 조사했습니다. 저장 부피는 제올라이트의 Li 함량이 증가함에 따라 증가합니다.
Sonochemical 제올라이트 형성 : XRD 및 IR 분석은 순수한 나노 결정 Bikitaite 제올라이트의 형성이 3 시간의 초음파와 72 시간의 노화 후에 시작되었음을 보여주었습니다. 눈에 띄는 피크를 가진 나노 크기의 결정질 Bikitaite 제올라이트는 250 W에서 6 시간 초음파 처리 시간 후에 얻어졌다.
장점: 리튬 함유 제올라이트 Bikitaite의 초음파 화학 합성 경로는 순수한 나노 결정의 간단한 생산이라는 이점을 제공 할뿐만 아니라 빠르고 비용 효율적인 기술을 제공합니다. 초음파 장비 비용과 필요한 에너지는 다른 공정과 비교할 때 매우 낮습니다. 또한, 합성 과정의 지속 시간이 매우 짧기 때문에 초음파 화학 공정은 청정 에너지 응용 분야에 유익한 방법으로 간주됩니다.
(Roy et al. 2017 참조)

초음파에 따른 제올라이트 모르데나이트 준비

초음파 전처리(MOR-U)를 적용하여 얻은 모르데나이트는 10 × 5 μm2의 이종 펠릿의 보다 균일한 형태를 보였으며 바늘 모양 또는 섬유질 형성의 징후가 없었습니다. 초음파 보조 절차는 향상된 질감 특성, 특히 제작 형태의 질소 분자에 접근할 수 있는 미세 기공 부피를 가진 재료를 생성했습니다. 초음파로 전처리 된 mordenite의 경우, 변경 된 결정 모양과보다 균질한 형태가 관찰되었습니다.
요약하면, 현재 연구는 합성 겔의 초음파 전처리가 얻어진 모르데나이트의 다양한 특성에 영향을 미쳐 결과적으로

1. 보다 균일한 결정 크기 및 형태, 바람직하지 않은 섬유 및 바늘 같은 결정의 부재;
2. 구조적 결함이 적습니다.
3. as-made mordenite 샘플에서 상당한 미세 기공 접근성 (post-synthetic 처리 전에 고전적인 교반 방법으로 제조 된 재료에서 차단 된 미세 기공과 비교);
4. 다른 Al 조직, 아마도 Na+ 양이온의 다른 위치를 초래하는 것으로 추정됩니다(as-made 재료의 흡착 특성에 영향을 미치는 가장 영향력 있는 요소).

The reduction of structural defects by ultrasonic pretreatment of the synthesis gel may be a feasible way to solve the common problem of “non-ideal” structure in synthetic mordenites. Additionally, higher sorption capacity in this structure could be achieved by an easy and efficient ultrasonic method applied before the synthesis, without time- and resource-consuming traditional postsynthetic treatment (which, on the contrary, leads to the generation of structural defects). Moreover, the lower number of silanol groups can contribute to a longer catalytic lifetime of the prepared mordenite.
(Kornas et al. 2021 참조)

Solyman et al. (2013)은 Hielscher 초음파기를 사용하여 초음파의 효과를 연구했습니다 업200S H-mordite 및 H-bet 제올라이트에. 그들은 초음파 처리가 H-mordite 및 H-Beta 변형을위한 효과적인 기술이라는 결론에 도달했으며, 이는 제올라이트를 메탄올의 탈수를 통해 디메틸 에테르 (DME)의 생산에 더 적합하게 만듭니다.

SAPO-34 나노 결정의 초음파 합성

초음파 화학 경로를 통해 SAPO-34 (실리코 알루미노 인산염 분자체, 제올라이트의 일종)는 TEAOH를 구조 지시 제 (SDA)로 사용하여 나노 크롤린 형태로 성공적으로 합성되었습니다. 초음파 처리를 위해 Hielscher 프로브 형 초음파기 UP200S(24kHz, 200와트) 사용되었다. 초음파 화학적으로 제조 된 최종 제품의 평균 결정 크기는 50nm이며, 이는 열수 합성 결정의 크기와 비교할 때 훨씬 작은 결정 크기입니다. SAPO-34 결정이 열수 조건에서 초음파 화학적으로 일 때, 표면적은 거의 동일한 결정성을 가진 정적 열수 기술을 통해 전통적으로 합성 된 SAPO-34 결정의 결정 표면적보다 훨씬 높습니다. 기존의 열수 방법은 완전 결정질 SAPO-34를 얻기 위해 최소 24 시간의 합성 시간이 소요되지만, 초음파 화학 보조 열수 합성을 통해 단 1.5 시간의 반응 시간 후에 완전 결정질 SAPO-34 결정을 얻을 수 있습니다. 높게 강렬한 초음파 에너지 때문에, 비석 SAPO-34 결정화는 초음파 공동현상 거품의 붕괴에 의해 강화됩니다. 캐비테이션 기포의 내파는 나노초 이내에 발생하여 온도가 급격히 상승 및 하강하는 데 국부적으로 발생하며, 이는 입자의 조직과 응집을 방지하고 결정 크기를 더 작게 만듭니다. 작은 SONO-SAPO-34 결정이 초음파 화학적 방법으로 제조 될 수 있다는 사실은 합성 초기 단계에서 높은 핵 형성 밀도와 핵 형성 후 느린 결정 성장을 시사합니다. 이러한 결과는 이 비전통적인 방법이 산업 생산 규모에서 높은 수율로 SAPO-34 나노 결정을 합성하는 데 매우 유용한 기술임을 시사합니다.
(참조: Askari and Halladj, 2012)

Ultrasonic Deagglomeration and Dispersion of Zeolites

제올라이트가 산업 응용, 연구 또는 재료 과학에 사용될 때 건조 제올라이트는 대부분 액상으로 혼합됩니다. 제올라이트 분산을 위해서는 신뢰할 수 있고 효과적인 분산 기술이 필요하며, 이 기술은 제올라이트 입자를 응집체화하기에 충분한 에너지를 적용합니다. 초음파 발생기는 강력하고 신뢰할 수있는 분산기로 잘 알려져 있으므로 나노 튜브, 그래 핀, 광물 및 기타 여러 재료와 같은 다양한 재료를 액상으로 균질하게 분산시키는 데 사용됩니다.
초음파로 처리되지 않은 제올라이트 분말은 껍질과 같은 형태로 상당히 응집되어 있습니다. 대조적으로, 5 분 (320 W에서 초음파 처리 된 200 mL 샘플)의 초음파 처리는 대부분의 껍질 모양이 파괴되는 것으로 보이며, 이로 인해 최종 분말이 더 분산 된 결과가됩니다. (참조: Ramirez Medoza et al. 2020)
예를 들어, Ramirez Medoza et al. (2020)은 Hielscher 프로브 초음파기를 사용했습니다 업200S 저온에서 NaX 제올라이트(즉, 나트륨 형태(NaX)로 합성된 제올라이트 X)를 결정화합니다. 결정화의 첫 번째 시간 동안 초음파 처리는 표준 결정화 공정에 비해 반응 시간을 20 % 단축했습니다. 또한, 그들은 초음파 처리가 더 긴 초음파 처리 기간 동안 고강도 초음파를 적용하여 최종 분말의 응집 정도를 줄일 수 있음을 보여주었습니다.

제올라이트 합성을 위한 고성능 초음파기

Hielscher 초음파의 정교한 하드웨어 및 스마트 소프트웨어는 안정적인 작동, 재현 가능한 결과 및 사용자 친화성을 보장하도록 설계되었습니다. Hielscher 초음파는 견고하고 신뢰할 수있어 중장비 조건에서 설치 및 작동 할 수 있습니다. 작동 설정은 직관적인 메뉴를 통해 쉽게 액세스하고 다이얼을 돌릴 수 있으며, 디지털 컬러 터치 디스플레이 및 브라우저 원격 제어를 통해 액세스할 수 있습니다. 따라서 순 에너지, 총 에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전의 초음파 처리 실행을 수정 및 비교하고 제올라이트 합성 및 분산 과정을 최고의 효율로 최적화 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템은 결정화 공정에 전 세계적으로 사용되며 고품질 제올라이트 및 제올라이트 유도체의 합성에 신뢰할 수 있음이 입증되었습니다. Hielscher 산업용 초음파는 연속 작동 (24/7/365)에서 높은 진폭을 쉽게 실행할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 표준 소노트로드(초음파 프로브/혼)를 사용하여 쉽게 연속적으로 생성할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 견고 함과 낮은 유지 보수로 인해 당사의 초음파기는 일반적으로 중장비 응용 분야 및 까다로운 환경에 설치됩니다.
초음파 화학 합성, 결정화 및 응집 제거를위한 Hielscher 초음파 프로세서는 이미 전 세계적으로 상업적 규모로 설치되어 있습니다. 당신의 비석 제조공정을 논의하기 위하여 저희에게 지금 연락하십시오! 경험이 풍부한 직원이 초음파 화학 합성 경로, 초음파 시스템 및 가격에 대한 자세한 정보를 공유하게되어 기쁩니다!
초음파 합성 방법의 이점으로, 당신의 비석 생산은 다른 비석 종합 과정에 비교될 때 효율성, 단순성 및 저가에서 능가할 것입니다!

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.