Syntéza a funkcionalizácia zeolitov pomocou sonikácie

Zeolity vrátane nano-zeolitov a derivátov zeolitu môžu byť efektívne a spoľahlivo syntetizované, funkcionalizované a deaglomerované pomocou vysokovýkonnej ultrazvukovej signalizácie. Ultrazvuková syntéza a úprava zeolitu vyniká konvenčnou hydrotermálnou syntézou účinnosťou, jednoduchosťou a jednoduchou lineárnou škálovateľnosťou pre veľkú produkciu. Ultrazvukom syntetizované zeolity vykazujú dobrú kryštalinitu, čistotu a vysoký stupeň funkčnosti vďaka pórovitosti a deaglomerácii.

Ultrazvukom asistovaná príprava zeolitov

Zeolity sú mikroporézne kryštalické hydratované hlinitokremičitany s absorpčnými a katalytickými vlastnosťami.
Aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku ovplyvňuje veľkosť a morfológiu ultrazvukom syntetizovaných kryštálov zeolitu a zlepšuje ich kryštalinitu. Okrem toho sa čas kryštalizácie drasticky skracuje pomocou sonochemickej syntézy. Ultrazvukom asistované cesty syntézy zeolitu boli testované a vyvinuté pre mnohé typy zeolitov. Mechanizmus syntézy ultrazvukového zeolitu je založený na zlepšenom prenose hmoty, čo má za následok zvýšenú rýchlosť rastu kryštálov. Toto zvýšenie rýchlosti rastu kryštálov následne vedie k zvýšenej rýchlosti nukleácie. Okrem toho sonikácia ovplyvňuje rovnováhu depolymerizácie a polymerizácie zvýšením koncentrácie rozpustných látok, ktorá je potrebná na tvorbu zeolitu.
Celkovo rôzne výskumné štúdie a pilotné výrobné nastavenia preukázali, že ultrazvuková syntéza zeolitu je vysoko efektívna, čo šetrí čas a náklady.

Konvenčná syntéza vs ultrazvuková syntéza zeolitov

Ako sa zeolit syntetizuje konvenčne?

Konvenčná syntéza zeolitu je časovo veľmi náročný hydrotermálny proces, ktorý môže vyžadovať reakčné časy od niekoľkých hodín do niekoľkých dní. Hydrotermálna cesta je zvyčajne dávkový proces, pri ktorom sa zeolity syntetizujú z amorfných alebo rozpustných zdrojov Si a Al. V počiatočnom štádiu starnutia je reaktívny gél zložený zo činidla usmerňujúceho štruktúru (SDA) a zdroje hliníka a oxidu kremičitého dozrievajú pri nízkej teplote. Počas tohto prvého kroku starnutia sa tvoria takzvané jadrá. Tieto jadrá sú východiskovým materiálom, z ktorého v nasledujúcom procese kryštalizácie vyrastajú kryštály zeolitu. Iniciáciou kryštalizácie sa teplota gélu zvýši. Táto hydrotermálna syntéza sa zvyčajne uskutočňuje v vsádzkových reaktoroch. Dávkové procesy však majú nevýhodu prevádzky náročnej na prácu.

Ako sa zeolit syntetizuje pri sonikácii?

Ultrazvuková syntéza zeolitu je rýchly postup na syntézu homogénneho zeolitu za miernych podmienok. Napríklad 50nm kryštály zeolitu boli syntetizované sonochemickou cestou pri izbovej teplote. Zatiaľ čo konvenčná reakcia syntézy zeolitu a môže trvať až niekoľko dní, sonochemická cesta skracuje trvanie syntézy na niekoľko hodín, čím sa výrazne skracuje reakčný čas.
Ultrazvuková kryštalizácia zeolitu sa môže uskutočňovať ako dávkové alebo kontinuálne procesy, vďaka čomu je aplikácia ľahko prispôsobiteľná prostrediu a cieľom procesu. Vďaka lineárnej škálovateľnosti je možné ultrazvukové syntézy zeolitu spoľahlivo preniesť z počiatočného dávkového procesu na inline spracovanie. Ultrazvukové spracovanie – v dávke a v rade – umožňuje vynikajúcu ekonomickú efektívnosť, kontrolu kvality a prevádzkovú flexibilitu.

Cesty sonochemickej syntézy rôznych typov zeolitu

V nasledujúcej časti predstavíme rôzne sonochemické dráhy, ktoré sa úspešne použili na syntézu rôznych typov zeolitov. Výsledky výskumu dôsledne zdôrazňujú nadradenosť ultrazvukovej syntézy zeolitov.

Ultrazvuková syntéza bikitaitového zeolitu obsahujúceho Li

Roy a Das (2017) syntetizovali 50nm kryštály bikitaitu obsahujúceho lítium obsahujúce lítium pri izbovej teplote pomocou UIP1500hdT (20 kHz, 1,5 kW) ultrazvuk v dávkovom nastavení. Úspešná sonochemická tvorba bikitaitového zeolitu pri izbovej teplote bola potvrdená úspešnou syntetizáciou bikitaitového zeolitu obsahujúceho lítium XRD a IR analýzou.
Pri kombinácii sonochemického spracovania s konvenčným hydrotermálnym spracovaním sa dosiahla fázová tvorba kryštálov zeolitu pri oveľa nižšej teplote (100 °C) v porovnaní s 300 °C počas 5 dní, čo sú typické hodnoty pre konvenčnú hydrotermálnu cestu. Sonikácia vykazuje významné účinky na čas kryštalizácie a tvorbu fázy zeolitu. Za účelom vyhodnotenia funkčnosti ultrazvukom syntetizovaného Bikitaitového zeolitu sa skúmala jeho kapacita na ukladanie vodíka. Skladovací objem sa zvyšuje so zvyšujúcim sa obsahom Li v zeolite.
Sonochemická tvorba zeolitu: XRD a IR analýza ukázala, že tvorba čistého, nanokryštalického bikitaitového zeolitu začala po 3 hodinách ultrazvuku a 72 hodinách starnutia. Nano-veľký kryštalický bikitaitový zeolit s výraznými píkmi bol získaný po 6 hodinách sonikácie pri 250 W.
Výhody: Cesta sonochemickej syntézy zeolitu Bikitaitu obsahujúceho lítium ponúka nielen výhodu jednoduchej výroby čistých nanokryštálov, ale predstavuje aj rýchlu a nákladovo efektívnu techniku. Náklady na ultrazvukové zariadenia a požadovanú energiu sú v porovnaní s inými procesmi veľmi nízke. Okrem toho je trvanie procesu syntézy veľmi krátke, takže sonochemický proces sa považuje za prospešnú metódu pre aplikácie čistej energie.
(porovnaj Roy a kol. 2017)

Príprava zeolitového mordenitu pri ultrazvuku

Mordenit získaný aplikáciou ultrazvukovej predúpravy (MOR-U) vykazoval homogénnejšiu morfológiu zarastených peliet 10 × 5 μm2 a žiadne známky ihličkových alebo vláknitých útvarov. Výsledkom ultrazvukového postupu bol materiál so zlepšenými textúrnymi vlastnosťami, najmä objemom mikropórov prístupným pre molekuly dusíka vo forme tak, ako sa vyrába. V prípade ultrazvukom predupraveného mordenitu bol pozorovaný zmenený tvar kryštálov a homogénnejšia morfológia.
Stručne povedané, súčasná štúdia preukázala, že ultrazvuková predúprava syntetizného gélu ovplyvnila rôzne vlastnosti získaného mordenitu, čo viedlo k

1. homogénnejšia veľkosť a morfológia kryštálov, absencia nežiaducich vláknitých a ihličkových kryštálov;
2. menej štrukturálnych chýb;
3. významná prístupnosť mikropórov vo vzorke mordenitu (v porovnaní s upchatými mikropórmi v materiáloch pripravených klasickou metódou miešania pred následnou syntetickou úpravou);
4. rôzna organizácia Al, čo má údajne za následok rôzne polohy katiónov Na+ (najvplyvnejší faktor ovplyvňujúci sorpčné vlastnosti povrchovo upravených materiálov).

Redukcia štrukturálnych defektov ultrazvukovou predúpravou syntézneho gélu môže byť uskutočniteľným spôsobom riešenia bežného problému "neideálnej" štruktúry v syntetických mordenitoch. Okrem toho by sa vyššia sorpčná kapacita v tejto štruktúre mohla dosiahnuť jednoduchou a efektívnou ultrazvukovou metódou aplikovanou pred syntézou, bez časovo a zdrojovo náročnej tradičnej postsyntetickej úpravy (ktorá naopak vedie k tvorbe štrukturálnych defektov). Nižší počet silanolových skupín môže navyše prispieť k dlhšej katalytickej životnosti pripraveného mordenitu.
(porovnaj Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) študovali účinky ultrazvuku pomocou Hielscherovho ultrazvuku UP200S na H-mordite a H-bet zeolity. Dospeli k záveru, že sonikácia je účinnou technikou modifikácie H-morditu a H-beta, vďaka čomu sú zeolity vhodnejšie na výrobu dimetyléteru (DME) prostredníctvom dehydratácie metanolu.

Ultrazvuková syntéza nanokryštálov SAPO-34

Sonochemickou cestou boli SAPO-34 (molekulárne sitá silichlinitofosfátu, trieda zeolitov) úspešne syntetizované vo forme nanokrstalín pomocou TEAOH ako činidla usmerňujúceho štruktúru (SDA). Na sonikáciu je ultrazvukový ultrazvuk typu Hielscherovej sondy UP200S (24 kHz, 200 wattov) bol použitý. Priemerná veľkosť kryštálov finálneho produktu pripraveného sonochemicky je 50 nm, čo je výrazne menšia veľkosť kryštálov v porovnaní s veľkosťou hydrotermálne syntetizovaných kryštálov. Keď boli kryštály SAPO-34 sonochemicky v hydrotermálnych podmienkach, povrch je výrazne vyšší ako povrch kryštálov konvenčne syntetizovaných kryštálov SAPO-34 statickou hydrotermálnou technikou s takmer rovnakou kryštalinitou. Zatiaľ čo konvenčná hydrotermálna metóda trvá najmenej 24 hodín syntézy na získanie plne kryštalického SAPO-34, prostredníctvom sonochemicky asistovanej hydrotermálnej syntézy sa plne kryštalické kryštály SAPO-34 získajú už po 1,5 hodine reakčného času. Vďaka vysoko intenzívnej ultrazvukovej energii sa kryštalizácia zeolitu SAPO-34 zintenzívňuje kolapsom ultrazvukových kavitačných bublín. K implózii kavitačných bublín dochádza za menej ako nanosekundu, čo má lokálne za následok rýchlo stúpajúce a klesajúce teploty, čo bráni organizácii a aglomerácii častíc a vedie k menším veľkostiam kryštálov. Skutočnosť, že malé kryštály SONO-SAPO-34 by mohli byť pripravené sonochemickou metódou, naznačuje vysokú hustotu nukleácie v počiatočných štádiách syntézy a pomalý rast kryštálov po nukleácii. Tieto výsledky naznačujú, že táto nekonvenčná metóda je veľmi užitočnou technikou na syntézu nanokryštálov SAPO-34 vo vysokých výťažkoch v priemyselnom výrobnom meradle.
(porovnaj Askari a Halladj; 2012)

Ultrazvuková deaglomerácia a disperzia zeolitov

Keď sa zeolity používajú v priemyselných aplikáciách, výskume alebo materiálovej vede, suchý zeolit sa väčšinou zmieša do kvapalnej fázy. Disperzia zeolitu vyžaduje spoľahlivú a účinnú dispergujúcu techniku, ktorá aplikuje dostatok energie na deaglomeráciu častíc zeolitu. Ultrazvukové prístroje sú dobre známe ako výkonné a spoľahlivé dispergátory, preto sa používajú na homogénne rozptýlenie rôznych materiálov, ako sú nanorúrky, grafén, minerály a mnoho ďalších materiálov, do kvapalnej fázy.
Zeolitový prášok, ktorý nie je ošetrený ultrazvukom, je značne aglomerovaný s morfológiou podobnou škrupine. Naproti tomu sa zdá, že sonikácia 5 minút (200 ml vzorky sonikovanej pri 320 W) ničí väčšinu tvarov podobných škrupinám, čo má za následok viac rozptýlený konečný prášok. (porovnaj Ramirez Medoza et al. 2020)
Napríklad Ramirez Medoza a kol. (2020) použili ultrazvukový ultrazvuk Hielscherovej sondy UP200S kryštalizovať zeolit NaX (t. j. zeolit X syntetizovaný vo forme sodíka (NaX)) pri nízkej teplote. Sonikácia počas prvej hodiny kryštalizácie viedla k 20% skráteniu reakčného času v porovnaní so štandardným procesom kryštalizácie. Okrem toho preukázali, že sonikácia môže tiež znížiť stupeň aglomerácie konečného prášku aplikáciou ultrazvuku s vysokou intenzitou na dlhšie obdobie sonikácie.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na syntézu zeolitu

Sofistikovaný hardvér a inteligentný softvér ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a užívateľskú prívetivosť. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú robustné a spoľahlivé, čo umožňuje inštaláciu a prevádzku v náročných podmienkach. Prevádzkové nastavenia sú ľahko prístupné a vytočené pomocou intuitívneho menu, ku ktorému je možné pristupovať prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja a diaľkového ovládača prehliadača. Preto sa všetky podmienky spracovania, ako je čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu. To vám umožní revidovať a porovnávať predchádzajúce sonikácie a optimalizovať proces syntézy a disperzie zeolitu na najvyššiu účinnosť.
Ultrazvukové systémy Hielscher sa používajú na celom svete na kryštalizačné procesy a sú preukázateľne spoľahlivé na syntézu vysokokvalitných zeolitov a derivátov zeolitu. Priemyselné ultrazvuky Hielscher môžu ľahko prevádzkovať vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24/7/365). Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko kontinuálne generovať pomocou štandardných sonotród (ultrazvukové sondy / rohy). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Vďaka svojej robustnosti a nízkej údržbe sa naše ultrazvukové prístroje bežne inštalujú pre náročné aplikácie a v náročných prostrediach.
Ultrazvukové procesory Hielscher pre sonochemické syntézy, kryštalizáciu a deaglomeráciu sú už inštalované po celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás teraz a prediskutujte svoj výrobný proces zeolitu! Naši skúsení zamestnanci sa radi podelia o ďalšie informácie o ceste sonochemickej syntézy, ultrazvukových systémoch a cenách!
Vďaka výhode metódy ultrazvukovej syntézy bude vaša výroba zeolitu vynikať účinnosťou, jednoduchosťou a nízkymi nákladmi v porovnaní s inými procesmi syntézy zeolitov!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: