Sinteza și funcționalizarea zeoliților folosind sonicare

Zeoliții, inclusiv nano-zeoliții și derivații de zeolit, pot fi sintetizate eficient și fiabil, funcționalizate și deaglomerate folosind ultrasonication de înaltă performanță. Sinteza și tratamentul zeolitului cu ultrasunete excelează sinteza hidrotermală convențională prin eficiență, simplitate și scalabilitate liniară simplă la producția mare. Zeoliții sintetizați ultrasonically prezintă o bună cristalinitate, puritate, precum și un grad ridicat de funcționalitate datorită porozității și dezaglomerării.

Prepararea asistată cu ultrasunete a zeoliților

Zeoliții sunt aluminosilicați hidratați cristalini microporoși cu proprietăți absorbante și catalitice.
Aplicarea ultrasunetelor de înaltă performanță influențează dimensiunea și morfologia cristalelor de zeolit sintetizate ultrasonically și îmbunătățește cristalinitatea acestora. În plus, timpul de cristalizare este redus drastic folosind o cale de sinteză sonochimică. Căile de sinteză a zeolitului asistate ultrasonically au fost testate și dezvoltate pentru numeroase tipuri de zeolit. Mecanismul sintezei zeolitului cu ultrasunete se bazează pe transferul de masă îmbunătățit, ceea ce duce la o rată de creștere cristalină crescută. Această creștere a ratei de creștere a cristalelor duce ulterior la o rată crescută de nucleație. În plus, sonicare afectează echilibrul de depolimerizare-polimerizare printr-o creștere a concentrației de specii solubile, care este necesară pentru formarea zeolitului.
În general, diverse studii de cercetare și setări de producție la scară pilot au dovedit sinteza zeolitului cu ultrasunete ca extrem de eficient, economisind timp și costuri.

Sinteza convențională vs sinteza cu ultrasunete a zeoliților

Cum se sintetizează zeolitul în mod convențional?

Sinteza zeolitului convențional este un proces hidrotermal foarte consumator de timp, care poate necesita timpi de reacție de la câteva ore la câteva zile. Calea hidrotermală este în mod normal un proces discontinuu, în care zeoliții sunt sintetizați din surse amorfe sau solubile de Si și Al. Într-o etapă inițială de îmbătrânire, gelul reactiv este compus dintr-un agent de direcționare a structurii (SDA), iar sursele de aluminiu și silice sunt îmbătrânite la temperatură scăzută. În timpul acestei prime etape a îmbătrânirii, se formează așa-numitele nuclee. Acești nuclei sunt materia primă din care în procesul de cristalizare următor cresc cristalele de zeolit. Odată cu inițierea cristalizării, temperatura gelului este ridicată. Această sinteză hidrotermală se efectuează de obicei în reactoare lot. Cu toate acestea, procesele pe loturi vin cu dezavantajul funcționării intense a forței de muncă.

Cum este zeolit sintetizat sub sonicare?

Sinteza cu ultrasunete a zeolitului este o procedură rapidă pentru a sintetiza zeolit omogen în condiții ușoare. De exemplu, cristalele de zeolit de 50nm au fost sintetizate pe cale sonochimică la temperatura camerei. În timp ce reacția convențională de sinteză a zeolitului poate dura până la câteva zile, calea sonochimică reduce durata sintezei la câteva ore, reducând astfel semnificativ timpul de reacție.
Cristalizarea cu ultrasunete a zeolitului poate fi efectuată ca proces lot sau continuu, ceea ce face ca aplicația să fie ușor adaptabilă la obiectivele mediului și ale procesului. Datorită scalabilității liniare, sintezele cu ultrasunete zeolit pot fi transferate în mod fiabil de la procesul inițial de lot la prelucrarea inline. Prelucrare cu ultrasunete – în lot și în linie – permite o eficiență economică superioară, controlul calității și flexibilitate operațională.

Căi de sinteză sonochimică a diferitelor tipuri de zeolit

În secțiunea următoare, introducem diferite căi sonochimice, care au fost utilizate cu succes pentru a sintetiza diferite tipuri de zeolit. Rezultatele cercetării subliniază în mod constant superioritatea sintezei zeolitului cu ultrasunete.

Sinteza cu ultrasunete de Li-conținând Bikitaite Zeolit

Roy și Das (2017) au sintetizat cristale de zeolit bikitait care conțin litiu de 50nm la temperatura camerei folosind UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) Ultrasonicator într-o configurare lot. Formarea sonochimică reușită a zeolitului Bikitaite la temperatura camerei a fost confirmată de zeolitul Bikitait sintetizat cu succes prin analiza XRD și IR.
Atunci când tratamentul sonochimic a fost combinat cu tratamentul hidrotermal convențional, formarea fazelor cristalelor de zeolit a fost realizată la o temperatură mult mai scăzută (100 ° C) în comparație cu 300 ° C timp de 5 zile, care sunt valori tipice pentru calea hidrotermală convențională. Sonicare prezintă efecte semnificative asupra timpului de cristalizare și formarea fazelor de zeolit. Pentru a evalua funcționalitatea zeolitului Bikitaite sintetizat ultrasonically, capacitatea sa de stocare a hidrogenului a fost investigată. Volumul de stocare crește odată cu creșterea conținutului de Li al zeolitului.
Formarea zeolitului sonochimic: Analiza XRD și IR a arătat că formarea zeolitului Bikitaite pur, nano-cristalin a început după 3 h ultrasonication și 72 h de îmbătrânire. Zeolit bikitait cristalin de dimensiuni nano cu vârfuri proeminente au fost obținute după 6 h timp sonicare la 250 W.
Avantaje: Calea de sinteză sonochimică a zeolitului Bikitait cu conținut de litiu oferă nu numai avantajul producției simple de nanocristale pure, ci prezintă și o tehnică rapidă și rentabilă. Costurile pentru echipamentele cu ultrasunete și energia necesară sunt foarte scăzute în comparație cu alte procese. În plus, durata procesului de sinteză este foarte scurtă, astfel încât procesul sonochimic este considerat o metodă benefică pentru aplicațiile de energie curată.
(cf. Roy et al. 2017)

Zeolit Mordenite Preparation sub Ultrasonication

Mordenitul obținut cu aplicarea pretratării cu ultrasunete (MOR-U) a prezentat o morfologie mai omogenă a peletelor încrucișate 10 × 5 μm2 și nici un semn de formațiuni asemănătoare acului sau fibroase. Procedura asistată cu ultrasunete a avut ca rezultat un material cu caracteristici texturale îmbunătățite, în special, volumul microporilor accesibil moleculelor de azot în forma fabricată. În cazul mordenitei pretratate ultrasonically, s-au observat forme cristaline modificate și morfologie mai omogenă.
Pe scurt, studiul actual a demonstrat că pretratarea cu ultrasunete a gelului de sinteză a afectat diferitele proprietăți ale mordenitei obținute, rezultând în

1. dimensiunea și morfologia cristalelor mai omogene, absența cristalelor nedorite de fibre și ace;
2. mai puține defecte structurale;
3. accesibilitate semnificativă a microporilor în proba de mordenită așa cum a fost realizată (comparativ cu microporii blocați din materialele preparate prin metoda clasică de agitare, înainte de tratamentul postsintetic);
4. organizarea diferită a Al, care se presupune că duce la poziții diferite ale cationilor Na+ (cel mai influent factor care afectează proprietățile de sorbție ale materialelor fabricate).

Reducerea defectelor structurale prin pretratarea cu ultrasunete a gelului de sinteză poate fi o modalitate fezabilă de a rezolva problema comună a structurii "non-ideale" în mordenitele sintetice. În plus, o capacitate mai mare de sorbție în această structură ar putea fi realizată printr-o metodă cu ultrasunete ușoară și eficientă aplicată înainte de sinteză, fără tratament postsintetic tradițional consumator de timp și resurse (care, dimpotrivă, duce la generarea de defecte structurale). În plus, numărul mai mic de grupări silanol poate contribui la o durată de viață catalitică mai lungă a mordenitei preparate.
(cf. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) a studiat efectele ultrasunetelor folosind ultrasonicator Hielscher UP200S pe H-mordite și zeoliți H-bet. Ei au ajuns la concluzia că sonicare este o tehnică eficientă pentru modificarea H-mordite și H-Beta, care fac zeoliții mai potriviți pentru producerea de dimetil eter (DME) prin deshidratarea metanolului.

Sinteza cu ultrasunete a nanocristalelor SAPO-34

Pe cale sonochimică, SAPO-34 (site moleculare silicoaluminofosfat, o clasă de zeoliți) au fost sintetizate cu succes sub formă de nanocrstallină folosind TEAOH ca agent de direcționare a structurii (SDA). Pentru sonicare, sonda Hielscher-tip ultrasonicator UP200S (24kHz, 200 wați) a fost folosit. Dimensiunea medie a cristalului produsului final preparat sonochimic este de 50nm, ceea ce reprezintă o dimensiune a cristalului semnificativ mai mică în comparație cu dimensiunea cristalelor sintetizate hidrotermal. Când cristalele SAPO-34 au fost sonochimice în condiții hidrotermale, suprafața este semnificativ mai mare decât suprafața cristalină a cristalelor SAPO-34 sintetizate convențional prin tehnica hidrotermală statică cu aproape aceeași cristalinitate. În timp ce metoda hidrotermală convențională necesită cel puțin 24 de ore de timp de sinteză pentru a obține SAPO-34 complet cristalin, prin sinteza hidrotermală asistată sonochimic se obțin cristale SAPO-34 complet cristaline după numai 1,5 ore timp de reacție. Datorită energiei ultrasonice extrem de intense, cristalizarea zeolitului SAPO-34 este intensificată de prăbușirea bulelor de cavitație cu ultrasunete. Implozia bulelor de cavitație are loc în mai puțin de o nanosecundă, rezultând local temperaturi în creștere și scădere rapidă, ceea ce împiedică organizarea și aglomerarea particulelor și duce la dimensiuni mai mici ale cristalelor. Faptul că mici cristale SONO-SAPO-34 ar putea fi preparate prin metoda sonochimică sugerează o densitate mare de nucleație în stadiile incipiente ale sintezei și o creștere lentă a cristalelor după nucleație. Aceste rezultate sugerează că această metodă neconvențională este o tehnică foarte utilă pentru sinteza nanocristalelor SAPO-34 în randamente ridicate la scară de producție industrială.
(cf. Askari și Halladj; 2012)

Deaglomerarea cu ultrasunete și dispersia zeoliților

Atunci când zeoliții sunt utilizați în aplicații industriale, cercetare sau știința materialelor, zeolitul uscat este în cea mai mare parte amestecat într-o fază lichidă. Dispersia zeolitului necesită o tehnică de dispersie fiabilă și eficientă, care aplică suficientă energie pentru a dezaglomera particulele de zeolit. Ultrasonicators sunt bine cunoscute a fi dispersoare puternice și fiabile, prin urmare, utilizate pentru a dispersa diverse materiale, ar fi nanotuburi, grafen, minerale și multe alte materiale omogen într-o fază lichidă.
O pulbere de zeolit netratată cu ultrasunete este considerabil aglomerată cu morfologie asemănătoare cochiliei. În contrast, un tratament sonicare de 5 min (200 ml eșantion sonicated la 320 W) pare să distrugă cele mai multe dintre formele de coajă, ceea ce duce la o pulbere finală mai dispersată. (cf. Ramirez Medoza et al. 2020)
De exemplu, Ramirez Medoza și colab. (2020) au folosit sonda ultrasonicator Hielscher UP200S pentru cristalizarea zeolitului NaX [adică zeolitul X sintetizat sub formă de sodiu (NaX)] la temperatură scăzută. Sonicare în timpul primei ore de cristalizare a dus la 20% reducere a timpului de reacție comparativ cu un proces standard de cristalizare. În plus, au demonstrat că sonicare poate reduce, de asemenea, gradul de aglomerare a pulberii finale prin aplicarea ultrasunetelor de înaltă intensitate pentru o perioadă mai lungă de sonicare.

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru sinteza zeolitului

Hardware-ul sofisticat și software-ul inteligent al ultrasonicators Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile, precum și ușurința în utilizare. Ultrasonicators Hielscher sunt robuste și fiabile, care permite să fie instalate și operate în condiții grele. Setările operaționale pot fi accesate și formate cu ușurință prin intermediul meniului intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului tactil color digital și al telecomenzii browserului. Prin urmare, toate condițiile de procesare, cum ar fi energia netă, energia totală, amplitudinea, timpul, presiunea și temperatura, sunt înregistrate automat pe un card SD încorporat. Acest lucru vă permite să revizuiți și să comparați rulările anterioare sonicare și pentru a optimiza sinteza zeolitului și procesul de dispersie la cea mai mare eficiență.
Hielscher Ultrasonics sisteme sunt utilizate în întreaga lume pentru procesele de cristalizare și sunt dovedite a fi fiabile pentru sinteza de zeoliți de înaltă calitate și derivați de zeolit. Hielscher ultrasonicators industriale pot rula cu ușurință amplitudini mari în funcționare continuă (24/7/365). Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor generate continuu cu sonotrodes standard (sonde / coarne cu ultrasunete). Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Datorită robusteții și întreținerii reduse, ultrasonicators noastre sunt instalate în mod obișnuit pentru aplicații grele și în medii solicitante.
Hielscher procesoare cu ultrasunete pentru sinteze sonochimice, cristalizare și dezaglomerare sunt deja instalate la nivel mondial la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta despre procesul dvs. de fabricare a zeolitului! Personalul nostru bine experimentat va fi bucuros să împărtășească mai multe informații despre calea de sinteză sonochimică, sistemele cu ultrasunete și prețurile!
Cu avantajul metodei de sinteză cu ultrasunete, producția dumneavoastră de zeolit va excela în eficiență, simplitate și costuri reduse în comparație cu alte procese de sinteză a zeolitului!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: