Ceolītu sintēze un funkcionalizācija, izmantojot ultraskaņu

Ceolīti, ieskaitot nano-ceolītus un ceolīta atvasinājumus, var būt efektīvi un uzticami sintezēti, funkcionāli un deagglomerēti, izmantojot augstas veiktspējas ultrasonication. Ultraskaņas ceolīta sintēze un apstrāde izceļas ar parasto hidrotermisko sintēzi ar efektivitāti, vienkāršību un vienkāršu lineāru mērogojamību līdz lielai ražošanai. Ultrasoniski sintezētiem ceolītiem piemīt laba kristāliskums, tīrība, kā arī augsta funkcionalitātes pakāpe porainības un deagglomerācijas dēļ.

Ceolītu sagatavošana ar ultraskaņas palīdzību

Ceolīti ir mikroporaini kristāliski hidratēti aluminosilikāti ar absorbējošām un katalītiskām īpašībām.
Augstas veiktspējas ultraskaņas pielietošana ietekmē ultrasoniski sintezēto ceolīta kristālu lielumu un morfoloģiju un uzlabo to kristāliskumu. Turklāt kristalizācijas laiks tiek krasi samazināts, izmantojot sonoķīmiskās sintēzes ceļu. Ultraskaņas ceolīta sintēzes ceļi tika pārbaudīti un izstrādāti daudziem ceolīta veidiem. Ultraskaņas ceolīta sintēzes mehānisms ir balstīts uz uzlabotu masas pārnesi, kas palielina kristāla augšanas ātrumu. Šis kristāla augšanas ātruma pieaugums vēlāk noved pie palielināta nukleācijas ātruma. Turklāt ultraskaņas apstrāde ietekmē depolimerizācijas-polimerizācijas līdzsvaru, palielinot šķīstošo sugu koncentrāciju, kas nepieciešama ceolīta veidošanai.
Kopumā dažādi pētījumi un izmēģinājuma mēroga ražošanas iestatījumi ir pierādījuši, ka ultraskaņas ceolīta sintēze ir ļoti efektīva, ietaupot laiku un izmaksas.

Parastā sintēze vs ceolītu ultraskaņas sintēze

Kā ceolīts tiek sintezēts tradicionāli?

Parastā ceolīta sintēze ir ļoti laikietilpīgs hidrotermisks process, kam var būt nepieciešams reakcijas laiks no vairākām stundām līdz vairākām dienām. Hidrotermiskais ceļš parasti ir sērijveida process, kurā ceolīti tiek sintezēti no amorfiem vai šķīstošiem Si un Al avotiem. Sākotnējā novecošanas stadijā reaktīvo gēlu veido struktūru virzošs līdzeklis (SDA), un alumīnija un silīcija dioksīda avoti tiek izturēti zemā temperatūrā. Šajā pirmajā novecošanās posmā veidojas tā sauktie kodoli. Šie kodoli ir izejmateriāls, no kura nākamajā kristalizācijas procesā aug ceolīta kristāli. Uzsākot kristalizāciju, gēla temperatūra tiek paaugstināta. Šo hidrotermisko sintēzi parasti veic sērijveida reaktoros. Tomēr sērijveida procesiem ir darbietilpīgas darbības trūkums.

Kā ceolīts tiek sintezēts ar ultraskaņu?

Ceolīta ultraskaņas sintēze ir ātra procedūra, lai sintezētu viendabīgu ceolītu vieglos apstākļos. Piemēram, 50nm ceolīta kristāli tika sintezēti sonoķīmiskā ceļā istabas temperatūrā. Lai gan parastā ceolīta sintēzes reakcija a var ilgt vairākas dienas, sonoķīmiskais ceļš samazina sintēzes ilgumu līdz dažām stundām, tādējādi ievērojami samazinot reakcijas laiku.
Ceolīta ultraskaņas kristalizāciju var veikt kā partijas vai nepārtrauktus procesus, kas padara pielietojumu viegli pielāgojamu videi un procesa mērķiem. Lineārās mērogojamības dēļ ultraskaņas ceolīta sintēzes var droši pārnest no sākotnējā partijas procesa uz inline apstrādi. Ultraskaņas apstrāde – partijās un tiešsaistē – nodrošina izcilu ekonomisko efektivitāti, kvalitātes kontroli un darbības elastību.

Dažādu ceolītu tipu sonoķīmiskās sintēzes ceļi

Nākamajā sadaļā mēs iepazīstinām ar dažādiem sonochemical ceļiem, kas ir veiksmīgi izmantoti, lai sintezētu dažādus ceolīta veidus. Pētījumu rezultāti konsekventi uzsver ultraskaņas ceolīta sintēzes pārākumu.

Li saturoša bikitaīta ceolīta ultraskaņas sintēze

Roy and Das (2017) sintezēja 50 nm litiju saturošus ceolīta bikitaiīta kristālus istabas temperatūrā, izmantojot UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) Ultrasonicator partijas iestatījumos. Veiksmīgo bikitaīta ceolīta sonoķīmisko veidošanos istabas temperatūrā apstiprināja veiksmīgi sintezēts litiju saturošs bikitaīta ceolīts ar XRD un IR analīzi.
Apvienojot sonoķīmisko apstrādi ar parasto hidrotermisko apstrādi, ceolīta kristālu fāzes veidošanās tika panākta daudz zemākā temperatūrā (100 ° C), salīdzinot ar 300 ° C 5 dienas, kas ir tipiskas vērtības parastajam hidrotermiskajam ceļam. Ultraskaņas apstrāde liecina par būtisku ietekmi uz ceolīta kristalizācijas laiku un fāzes veidošanos. Lai novērtētu ultrasoniski sintezētā Bikitaite ceolīta funkcionalitāti, tika pētīta tā ūdeņraža uzglabāšanas spēja. Uzglabāšanas apjoms palielinās, palielinoties ceolīta Li saturam.
Sonochemical ceolīta veidošanās: XRD un IR analīze parādīja, ka tīra, nanokristāliska bikitaīta ceolīta veidošanās sākās pēc 3 h ultrasonication un 72 h novecošanas. Nano izmēra kristālisks bikitaīta ceolīts ar ievērojamām virsotnēm tika iegūts pēc 6 h ultraskaņas apstrādes laika 250 W temperatūrā.
Priekšrocības: Litija saturoša ceolīta Bikitaite sonochemical sintēzes ceļš piedāvā ne tikai tīru nanokristālu vienkāršas ražošanas priekšrocības, bet arī piedāvā ātru un rentablu tehniku. Ultraskaņas iekārtu un nepieciešamās enerģijas izmaksas ir ļoti zemas, salīdzinot ar citiem procesiem. Turklāt sintēzes procesa ilgums ir ļoti īss, tāpēc sonochemical process tiek uzskatīts par labvēlīgu metodi tīras enerģijas lietojumiem.
(sk. Roy et al. 2017)

Ceolīta mordenīta sagatavošana saskaņā ar ultrasonication

Mordenīts, kas iegūts, izmantojot ultraskaņas pirmapstrādi (MOR-U), parādīja viendabīgāku 10 × 5 μm2 aizaugušo granulu morfoloģiju un nekādas adatu vai šķiedru veidojumu pazīmes. Ultraskaņas atbalstītās procedūras rezultātā tika iegūts materiāls ar uzlabotām teksta īpašībām, jo īpaši mikroporu tilpums, kas pieejams slāpekļa molekulām gatavā formā. Ultrasoniski iepriekš apstrādāta mordenīta gadījumā tika novērota mainīta kristāla forma un viendabīgāka morfoloģija.
Kopumā pašreizējais pētījums parādīja, ka sintēzes gēla ultraskaņas pirmapstrāde ietekmēja dažādas iegūtā mordenīta īpašības, kā rezultātā

1. viendabīgāks kristāla izmērs un morfoloģija, nevēlamu šķiedru un adatu līdzīgu kristālu trūkums;
2. mazāk strukturālu defektu;
3. ievērojama mikroporu pieejamība as-made mordenīta paraugā (salīdzinot ar bloķētajām mikroporām materiālos, kas sagatavoti ar klasisko maisīšanas metodi, pirms pēcsintētiskās apstrādes);
4. atšķirīga Al organizācija, kas, domājams, rada dažādas Na+ katjonu pozīcijas (visietekmīgākais faktors, kas ietekmē izgatavoto materiālu sorbcijas īpašības).

Strukturālo defektu samazināšana ar sintēzes gēla ultraskaņas pirmapstrādi var būt iespējams veids, kā atrisināt kopējo "ne-ideālās" struktūras problēmu sintētiskajos mordēnos. Turklāt augstāku sorbcijas spēju šajā struktūrā var sasniegt ar vieglu un efektīvu ultraskaņas metodi, ko izmanto pirms sintēzes, bez laika un resursu patērējošas tradicionālās postsintētiskās apstrādes (kas, gluži pretēji, noved pie strukturālu defektu radīšanas). Turklāt mazāks silanola grupu skaits var veicināt sagatavotā mordenīta ilgāku katalītisko kalpošanas laiku.
(sk. Kornas et al. 2021)

(2013) pētīja ultraskaņas ietekmi, izmantojot Hielscher ultrasonicator UP200S uz H-mordīta un H-bet ceolītiem. Viņi nonāca pie secinājuma, ka ultraskaņas apstrāde ir efektīva H-mordīta un H-Beta modifikācijas metode, kas padara ceolītus piemērotākus dimetilētera (DME) ražošanai, izmantojot metanola dehidratāciju.

SAPO-34 nanokristālu ultraskaņas sintēze

Izmantojot sonoķīmisko ceļu, SAPO-34 (silikoaluminofosfāta molekulārie sieti, ceolītu klase) tika veiksmīgi sintezēti nanokstalīna formā, izmantojot TEAOH kā struktūras virzīšanas līdzekli (SDA). Ultraskaņas apstrādei Hielscher zondes tipa ultrasonikators UP200S (24 kHz, 200 vati) tika izmantots. Sonoķīmiski sagatavotā galaprodukta vidējais kristāla izmērs ir 50nm, kas ir ievērojami mazāks kristāla izmērs, salīdzinot ar hidrotermiski sintezētu kristālu izmēru. Kad SAPO-34 kristāli bija sonoķīmiski hidrotermiskos apstākļos, virsmas laukums ir ievērojami lielāks nekā tradicionāli sintezēto SAPO-34 kristālu kristāla virsmas laukums, izmantojot statisko hidrotermisko tehniku ar gandrīz tādu pašu kristāliskumu. Lai gan parastā hidrotermiskā metode aizņem vismaz 24 stundas sintēzes laika, lai iegūtu pilnībā kristālisku SAPO-34, izmantojot sonoķīmiski atbalstītu hidrotermisko sintēzi, pilnībā kristāliski SAPO-34 kristāli werde iegūti tikai pēc 1,5 h reakcijas laika. Sakarā ar ļoti intensīvo ultraskaņas enerģiju, ceolīta SAPO-34 kristalizāciju pastiprina ultraskaņas kavitācijas burbuļu sabrukums. Kavitācijas burbuļu implosija notiek mazāk nekā nanosekundē, kas lokāli izraisa strauji augošu un krītošu temperatūru, kas novērš daļiņu veidošanos un aglomerāciju un noved pie mazākiem kristālu izmēriem. Fakts, ka mazos SONO-SAPO-34 kristālus varētu sagatavot ar sonochemical metodi, liecina par augstu nukleācijas blīvumu sintēzes sākumposmā un lēnu kristālu augšanu pēc nukleācijas. Šie rezultāti liecina, ka šī netradicionālā metode ir ļoti noderīga metode SAPO-34 nanokristālu sintēzei augstā ražā rūpnieciskās ražošanas mērogā.
(sal. ar Askari un Halladj; 2012)

Ultraskaņas deagglomerācija un ceolītu dispersija

Ja ceolītus izmanto rūpnieciskos lietojumos, pētniecībā vai materiālu zinātnē, sausais ceolīts galvenokārt tiek sajaukts šķidrā fāzē. Ceolīta dispersijai nepieciešama uzticama un efektīva izkliedēšanas tehnika, kas izmanto pietiekami daudz enerģijas, lai deaglomerētu ceolīta daļiņas. Ultrasonikatori ir labi zināmi kā spēcīgi un uzticami disperģētāji, tāpēc tos izmanto, lai izkliedētu dažādus materiālus, piemēram, nanocaurules, grafēnu, minerālus un daudzus citus materiālus viendabīgi šķidrā fāzē.
Ceolīta pulveris, kas nav apstrādāts ar ultraskaņu, ir ievērojami aglomerēts ar čaumalu līdzīgu morfoloģiju. Turpretī ultraskaņas apstrāde 5 min (200 ml paraugs apstrādāts ar ultraskaņu 320 W), šķiet, iznīcina lielāko daļu čaumalam līdzīgo formu, kā rezultātā tiek iegūts izkliedētāks galīgais pulveris. (sal.: Ramirez Medoza et al. 2020)
Piemēram, Ramirez Medoza et al. (2020) izmantoja Hielscher zondes ultrasonicator UP200S kristalizēt NaX ceolītu (t.i., nātrija formā sintezētu ceolītu X (NaX)) zemā temperatūrā. Ultraskaņas apstrāde pirmajā kristalizācijas stundā izraisīja reakcijas laika samazinājumu par 20%, salīdzinot ar standarta kristalizācijas procesu. Turklāt viņi pierādīja, ka ultraskaņas apstrāde var arī samazināt galīgā pulvera aglomerācijas pakāpi, piemērojot augstas intensitātes ultraskaņu ilgākam ultraskaņas periodam.

Augstas veiktspējas ultrasonikatori ceolīta sintēzei

Hielscher ultrasonikatoru izsmalcinātā aparatūra un viedā programmatūra ir izstrādāta, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus, kā arī lietotājdraudzīgumu. Hielscher ultrasonikatori ir izturīgi un uzticami, kas ļauj uzstādīt un darbināt lieljaudas apstākļos. Darbības iestatījumiem var viegli piekļūt un tos var izsaukt, izmantojot intuitīvu izvēlni, kurai var piekļūt, izmantojot digitālo krāsu skārienekrānu un pārlūkprogrammas tālvadības pulti. Tāpēc visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski ierakstīti iebūvētajā SD kartē. Tas ļauj pārskatīt un salīdzināt iepriekšējos ultraskaņas braucienus un optimizēt ceolīta sintēzes un dispersijas procesu līdz augstākajai efektivitātei.
Hielscher Ultrasonics sistēmas tiek izmantotas visā pasaulē kristalizācijas procesiem, un ir pierādīts, ka tās ir uzticamas augstas kvalitātes ceolītu un ceolīta atvasinājumu sintēzei. Hielscher rūpnieciskie ultrasonikatori var viegli darbināt augstas amplitūdas nepārtrauktā darbībā (24/7/365). Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti ģenerēt ar standarta sonotrodes (ultraskaņas zondes / ragi). Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Sakarā ar to izturību un zemu apkopi, mūsu ultrasonikatori parasti tiek uzstādīti lieljaudas lietojumiem un prasīgā vidē.
Hielscher ultraskaņas procesori sonochemical syntheses, kristalizācijai un deagglomerācijai jau ir uzstādīti visā pasaulē komerciālā mērogā. Sazinieties ar mums tagad, lai apspriestu savu ceolīta ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušais personāls labprāt dalīsies ar vairāk informācijas par sonochemical sintēzes ceļu, ultraskaņas sistēmām un cenām!
Ar ultraskaņas sintēzes metodes priekšrocību jūsu ceolīta ražošana izcelsies ar efektivitāti, vienkāršību un zemām izmaksām, salīdzinot ar citiem ceolīta sintēzes procesiem!

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu: