Синтез и функционализация цеолитов с помощью ультразвука

Цеолиты, включая наноцеолиты и производные цеолита, могут быть эффективно и надежно синтезированы, функционализированы и деагломерированы с помощью высокоэффективного ультразвука. Ультразвуковой синтез и обработка цеолитов превосходит традиционный гидротермальный синтез эффективностью, простотой и простой линейной масштабируемостью до больших объемов производства. Ультразвуково синтезированные цеолиты демонстрируют хорошую кристалличность, чистоту, а также высокую степень функциональности благодаря пористости и деагломерации.

Ультразвуковое приготовление цеолитов

Цеолиты представляют собой микропористые кристаллические гидратированные алюмосиликаты, обладающие абсорбирующими и каталитическими свойствами.
Применение высокоэффективного ультразвука влияет на размер и морфологию синтезированных ультразвуком кристаллов цеолита и улучшает их кристалличность. Кроме того, время кристаллизации значительно сокращается при использовании метода сонохимического синтеза. Ультразвуковые пути синтеза цеолитов были протестированы и разработаны для различных типов цеолитов. Механизм синтеза ультразвукового цеолита основан на улучшенном массопереносе, что приводит к увеличению скорости роста кристаллов. Это увеличение скорости роста кристаллов впоследствии приводит к увеличению скорости зародышеобразования. Кроме того, ультразвуковая обработка влияет на равновесие деполимеризация-полимеризация за счет увеличения концентрации растворимых веществ, которая необходима для образования цеолита.
В целом, различные научные исследования и опытно-промышленные производственные установки доказали высокую эффективность ультразвукового синтеза цеолитов, экономию времени и затрат.

Традиционный синтез против ультразвукового синтеза цеолитов

Как синтезируется цеолит традиционным способом?

Обычный синтез цеолита является очень трудоемким гидротермальным процессом, время реакции которого может составлять от нескольких часов до нескольких дней. Гидротермальный путь обычно представляет собой периодический процесс, в котором цеолиты синтезируются из аморфных или растворимых источников Si и Al. На начальной стадии старения реактивный гель состоит из агента, направляющего структуру (SDA), а источники алюминия и диоксида кремния выдерживаются при низкой температуре. На этом первом этапе старения образуются так называемые ядра. Эти ядра являются исходным материалом, из которого в последующем процессе кристаллизации вырастают кристаллы цеолита. С началом кристаллизации температура геля повышается. Этот гидротермальный синтез обычно осуществляется в реакторах периодического действия. Тем не менее, периодические процессы имеют недостаток в виде трудоемкой работы.

Как синтезируется цеолит под ультразвуковой обработкой?

Ультразвуковой синтез цеолита представляет собой быструю процедуру синтеза гомогенного цеолита в мягких условиях. Например, кристаллы цеолита с длиной волны 50 нм были синтезированы сонохимическим путем при комнатной температуре. В то время как обычная реакция синтеза цеолита может занять до нескольких дней, сонохимический путь сокращает продолжительность синтеза до нескольких часов, тем самым значительно сокращая время реакции.
Ультразвуковая кристаллизация цеолита может осуществляться как периодическими, так и непрерывными процессами, что делает применение легко адаптируемым к окружающей среде и целям процесса. Благодаря линейной масштабируемости ультразвуковой синтез цеолита может быть надежно перенесен с начального периодического процесса на поточную обработку. Ультразвуковая обработка – Периодический и поточный – Обеспечивает превосходную экономическую эффективность, контроль качества и эксплуатационную гибкость.

Пути сонохимического синтеза различных типов цеолитов

В следующем разделе мы рассмотрим различные сонохимические пути, которые были успешно использованы для синтеза различных типов цеолитов. Результаты исследований неизменно подчеркивают превосходство ультразвукового синтеза цеолита.

Ультразвуковой синтез литий-содержащего бикитаита цеолита

Roy and Das (2017) синтезировали 50 нм литийсодержащие кристаллы цеолита бикитаита при комнатной температуре с использованием UIP1500hdT (20 кГц, 1,5 кВт) ультразвуковой аппарат в периодической комплектации. Успешное сонохимическое образование цеолита бикитаита при комнатной температуре было подтверждено путем успешного синтеза литийсодержащего цеолита бикитаита методом рентгеноструктурного и инфракрасного анализа.
При совмещении сонохимической обработки с традиционной гидротермической обработкой фазообразование кристаллов цеолита достигалось при значительно более низкой температуре (100ºС) по сравнению с 300ºС в течение 5 суток, которые являются типичными значениями для традиционного гидротермального пути. Ультразвуковая обработка оказывает значительное влияние на время кристаллизации и фазообразование цеолита. Для того чтобы оценить функциональность ультразвуково синтезированного цеолита бикитаита, была исследована его способность накапливать водород. Объем хранения увеличивается с увеличением содержания лития в цеолите.
Сонохимическое образование цеолита: Рентгеновский и инфракрасный анализы показали, что образование чистого нанокристаллического цеолита бикитаита началось после 3 ч ультразвука и 72 ч старения. Наноразмерный кристаллический цеолит бикитаита с выраженными пиками был получен через 6 часов ультразвуковой обработки при 250 Вт.
Преимущества: Сонохимический синтез литийсодержащего цеолита бикитаита предлагает не только преимущество простого производства чистых нанокристаллов, но и представляет собой быстрый и экономичный метод. Затраты на ультразвуковое оборудование и требуемую энергию очень низки по сравнению с другими процессами. Кроме того, продолжительность процесса синтеза очень коротка, поэтому сонохимический процесс считается полезным методом для применения в области чистой энергии.
(ср. Roy et al. 2017)

Получение цеолитморденита под ультразвуком

Морденит, полученный с применением ультразвуковой предварительной обработки (МОР-U), показал более однородную морфологию сросшихся гранул размером 10 × 5 м2 и отсутствие признаков игольчатых или волокнистых образований. В результате ультразвуковой процедуры был получен материал с улучшенными текстурными характеристиками, в частности, объемом микропор, доступным для молекул азота в исполнительном виде. В случае предварительно обработанного ультразвуком морденита наблюдалась измененная кристаллическая форма и более однородная морфология.
Таким образом, проведенное исследование показало, что ультразвуковая предварительная обработка синтез-геля влияет на различные свойства полученного морденита, в результате чего

1. более однородный размер и морфология кристаллов, отсутствие нежелательных волокнистых и игольчатых кристаллов;
2. меньшее количество структурных дефектов;
3. значительная доступность микропор в образце морденита (по сравнению с заблокированными микропорами в материалах, полученных классическим методом перемешивания, перед постсинтетической обработкой);
4. различная организация Al, предположительно приводящая к различным положениям катионов Na+ (наиболее влиятельный фактор, влияющий на сорбционные свойства изготовленных материалов).

Уменьшение структурных дефектов с помощью ультразвуковой предварительной обработки синтез-геля может быть возможным способом решения распространенной проблемы «неидеальной» структуры в синтетических морденитах. Кроме того, более высокая сорбционная емкость в этой структуре может быть достигнута простым и эффективным ультразвуковым методом, применяемым перед синтезом, без трудоемкой и ресурсоемкой традиционной постсинтетической обработки (которая, наоборот, приводит к образованию структурных дефектов). Кроме того, меньшее количество силанольных групп может способствовать увеличению каталитического срока жизни приготовленного морденита.
(ср. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) изучали эффекты ультразвука с помощью ультразвукового аппарата Хильшера УП200С на H-мордит и H-бет цеолиты. Они пришли к выводу, что ультразвуковая обработка является эффективным методом модификации H-мордита и H-бета, которые делают цеолиты более подходящими для производства диметилового эфира (ДМЭ) путем дегидратации метанола.

Ультразвуковой синтез нанокристаллов САПО-34

Сонохимическим путем САПО-34 (силикоалюминофосфатные молекулярные сита, класс цеолитов) были успешно синтезированы в нанокристаллической форме с использованием TEAOH в качестве структуроуправляющего агента (SDA). Для ультразвуковой обработки используется ультразвуковой аппарат зондового типа Hielscher UP200S (24 кГц, 200 Вт) был использован. Средний размер кристаллов конечного продукта, полученного сонохимическим способом, составляет 50 нм, что значительно меньше по сравнению с размером гидротермально синтезированных кристаллов. Когда кристаллы SAPO-34 подвергались сонохимическому воздействию в гидротермических условиях, площадь поверхности кристаллов SAPO-34 была значительно выше, чем площадь поверхности кристаллов SAPO-34, синтезированных традиционным методом статической гидротермии, с почти такой же кристалличностью. В то время как традиционный гидротермальный метод требует не менее 24 часов времени синтеза для получения полностью кристаллических кристаллов SAPO-34, с помощью гидротермального синтеза с помощью сонохимически активных веществ полностью кристаллы SAPO-34 получают всего через 1,5 часа времени реакции. Благодаря высокоинтенсивной ультразвуковой энергии кристаллизация цеолита САПО-34 усиливается за счет схлопывания пузырьков ультразвуковой кавитации. Имплозия кавитационных пузырьков происходит менее чем за наносекунду, что локально приводит к быстрому повышению и понижению температуры, что препятствует организации и агломерации частиц и приводит к уменьшению размеров кристаллов. Тот факт, что малые кристаллы SONO-SAPO-34 могут быть получены сонохимическим методом, свидетельствует о высокой плотности зародышеобразования на ранних стадиях синтеза и медленном росте кристаллов после зародышеобразования. Эти результаты свидетельствуют о том, что этот нетрадиционный метод является очень полезным методом для синтеза нанокристаллов САПО-34 с высоким выходом в промышленных масштабах.
(ср. Аскари и Халладж; 2012)

Ультразвуковая деагломерация и диспергирование цеолитов

Когда цеолиты используются в промышленности, исследованиях или материаловедении, сухой цеолит в основном смешивают в жидкую фазу. Диспергирование цеолита требует надежного и эффективного метода диспергирования, который применяет достаточно энергии для деагломерации частиц цеолита. Ультразвуковые аппараты хорошо известны как мощные и надежные диспергаторы, поэтому используются для однородного диспергирования различных материалов, таких как нанотрубки, графен, минералы и многие другие материалы в жидкой фазе.
Порошок цеолита, не обработанный ультразвуком, значительно агломерирован и имеет морфологию, подобную раковине. Напротив, обработка ультразвуком в течение 5 минут (200 мл образца, обработанного ультразвуком при 320 Вт), по-видимому, разрушает большую часть оболочковых форм, что приводит к более дисперсному конечному порошку. (ср. Рамирес Медоза и др. 2020)
Например, Ramirez Medoza et al. (2020) использовали ультразвуковой датчик Hielscher УП200С кристаллизовать цеолит NaX (т.е. цеолит X, синтезированный в натриевой форме (NaX)) при низкой температуре. Ультразвуковая обработка в течение первого часа кристаллизации привела к сокращению времени реакции на 20% по сравнению со стандартным процессом кристаллизации. Кроме того, они продемонстрировали, что ультразвуковая обработка может также снизить степень агломерации конечного порошка за счет применения ультразвука высокой интенсивности в течение более длительного периода ультразвуковой обработки.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для синтеза цеолитов

Сложное аппаратное обеспечение и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны, чтобы гарантировать надежную работу, воспроизводимые результаты, а также удобство для пользователя. Ультразвуковые аппараты Hielscher прочны и надежны, что позволяет устанавливать и эксплуатировать их в тяжелых условиях. Доступ к рабочим настройкам и набор осуществляется через интуитивно понятное меню, доступ к которому осуществляется с помощью цифрового цветного сенсорного дисплея и пульта дистанционного управления в браузере. Таким образом, все условия обработки, такие как чистая энергия, общая энергия, амплитуда, время, давление и температура, автоматически записываются на встроенную SD-карту. Это позволяет пересмотреть и сравнить предыдущие прогоны ультразвуковой обработки и оптимизировать процесс синтеза и диспергирования цеолита с максимальной эффективностью.
Ультразвуковые системы Hielscher используются во всем мире для процессов кристаллизации и доказали свою надежность для синтеза высококачественных цеолитов и производных цеолита. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут легко работать с высокой амплитудой в непрерывной работе (24/7/365). Амплитуды до 200 μм могут быть легко непрерывно сгенерированы с помощью стандартных сонотродов (ультразвуковых зондов / рупоров). Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Благодаря своей прочности и неприхотливости в обслуживании наши ультразвуковые аппараты обычно устанавливаются для тяжелых условий эксплуатации и в сложных условиях.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для сонохимического синтеза, кристаллизации и деагломерации уже установлены во всем мире в промышленных масштабах. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваш процесс производства цеолита! Наш опытный персонал будет рад поделиться дополнительной информацией о пути сонохимического синтеза, ультразвуковых системах и ценах!
Благодаря преимуществам метода ультразвукового синтеза, ваше производство цеолита будет отличаться эффективностью, простотой и низкой стоимостью по сравнению с другими процессами синтеза цеолита!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: