Sinteza in funkcionalizacija zeolitov z uporabo ultrazvočnega razbijanja

Zeoliti, vključno z nano-zeoliti in derivati zeolita, se lahko učinkovito in zanesljivo sintetizirajo, funkcionalizirajo in deaglomerirajo z uporabo visoko zmogljive ultrazvočne obdelave. Ultrazvočna sinteza in obdelava zeolita odlikuje konvencionalno hidrotermalno sintezo z učinkovitostjo, preprostostjo in preprosto linearno razširljivostjo za veliko proizvodnjo. Ultrazvočno sintetizirani zeoliti kažejo dobro kristalnost, čistost in visoko stopnjo funkcionalnosti zaradi poroznosti in deaglomeracije.

Ultrazvočno podprta priprava zeolitov

Zeoliti so mikroporozni kristalni hidrirani aluminosilikati z vpojnimi in katalitičnimi lastnostmi.
Uporaba visoko zmogljivega ultrazvoka vpliva na velikost in morfologijo ultrazvočno sintetiziranih kristalov zeolita in izboljšuje njihovo kristalnost. Poleg tega se čas kristalizacije drastično zmanjša z uporabo sonokemične sinteze. Ultrazvočno podprte poti sinteze zeolita so bile preizkušene in razvite za številne vrste zeolitov. Mehanizem ultrazvočne sinteze zeolita temelji na izboljšanem prenosu mase, kar ima za posledico povečano stopnjo rasti kristalov. To povečanje stopnje rasti kristalov posledično vodi do povečane stopnje nukleacije. Poleg tega ultrazvočna razbijanje vpliva na ravnovesje depolimerizacije in polimerizacije s povečanjem koncentracije topnih vrst, ki je potrebna za tvorbo zeolita.
Na splošno so različne raziskovalne študije in pilotne proizvodne nastavitve dokazale, da je ultrazvočna sinteza zeolita zelo učinkovita pri prihranku časa in stroškov.

Konvencionalna sinteza vs ultrazvočna sinteza zeolitov

Kako se zeolit sintetizira konvencionalno?

Konvencionalna sinteza zeolita je zelo dolgotrajen hidrotermalni proces, ki lahko zahteva reakcijski čas od nekaj ur do nekaj dni. Hidrotermalna pot je običajno šaržni postopek, kjer se zeoliti sintetizirajo iz amorfnih ali topnih virov Si in Al. V začetni fazi staranja je reaktivni gel sestavljen iz sredstva za usmerjanje strukture (SDA), viri aluminija in silicijevega dioksida pa se starajo pri nizki temperaturi. V tem prvem koraku staranja nastanejo tako imenovana jedra. Ta jedra so izhodni material, iz katerega v naslednjem procesu kristalizacije rastejo kristali zeolita. Z začetkom kristalizacije se temperatura gela dvigne. Ta hidrotermalna sinteza se običajno izvaja v šaržnih reaktorjih. Vendar pa imajo serijski postopki pomanjkljivost delovno intenzivnega delovanja.

Kako se zeolit sintetizira pod ultrazvočnim razbijanjem?

Ultrazvočna sinteza zeolita je hiter postopek za sintezo homogenega zeolita v blagih pogojih. Na primer, 50nm kristali zeolita so bili sintetizirani po sonokemični poti pri sobni temperaturi. Medtem ko lahko konvencionalna reakcija sinteze zeolita traja do nekaj dni, sonokemična pot skrajša trajanje sinteze na nekaj ur in s tem znatno skrajša reakcijski čas.
Ultrazvočna kristalizacija zeolita se lahko izvaja kot šaržni ali neprekinjeni procesi, zaradi česar je aplikacija enostavno prilagodljiva okolju in ciljem procesa. Zaradi linearne razširljivosti se lahko ultrazvočne sinteze zeolita zanesljivo prenesejo iz začetnega serijskega postopka v linijsko obdelavo. Ultrazvočna obdelava – v seriji in v vrstici – omogoča vrhunsko ekonomsko učinkovitost, nadzor kakovosti in operativno prilagodljivost.

Sonokemične sintezne poti različnih vrst zeolita

V naslednjem poglavju predstavljamo različne sonokemične poti, ki so bile uspešno uporabljene za sintezo različnih vrst zeolitov. Rezultati raziskav dosledno poudarjajo superiornost ultrazvočne sinteze zeolita.

Ultrazvočna sinteza bikitaitnega zeolita, ki vsebuje Li,

Roy in Das (2017) sta sintetizirala 50nm kristale zeolita, ki vsebuje litij, pri sobni temperaturi z uporabo UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ultrazvočni aparat v paketni nastavitvi. Uspešna sonokemična tvorba Bikitaitnega zeolita pri sobni temperaturi je bila potrjena z uspešno sintetiziranim bikitaitnim zeolitom, ki vsebuje litij, s XRD in IR analizo.
Ko je bila sonokemična obdelava kombinirana s konvencionalno hidrotermalno obdelavo, je bila fazna tvorba kristalov zeolita dosežena pri veliko nižji temperaturi (100 ° C) v primerjavi s 300 ° C za 5 dni, kar so značilne vrednosti za konvencionalno hidrotermalno pot. Sonication kaže pomembne učinke na čas kristalizacije in tvorbo faze zeolita. Da bi ocenili funkcionalnost ultrazvočno sintetiziranega Bikitaitnega zeolita, smo raziskali njegovo zmogljivost shranjevanja vodika. Prostornina shranjevanja se povečuje z naraščajočo vsebnostjo Li v zeolitu.
Sonokemična tvorba zeolita: XRD in IR analiza je pokazala, da se je tvorba čistega, nanokristalnega bikitaitnega zeolita začela po 3 urah ultrazvočnega odkrivanja in 72 urah staranja. Nano-velik kristalni bikitaitni zeolit z izrazitimi vrhovi so dobili po 6 urah ultrazvočnega časa pri 250 W.
Prednosti: Sonokemična sinteza zeolita, ki vsebuje litij, ponuja ne le prednost preproste proizvodnje čistih nanokristalov, temveč predstavlja tudi hitro in stroškovno učinkovito tehniko. Stroški ultrazvočne opreme in potrebne energije so zelo nizki v primerjavi z drugimi procesi. Poleg tega je trajanje procesa sinteze zelo kratko, tako da se sonokemični proces šteje za koristno metodo za uporabo čiste energije.
(prim. Roy et al. 2017)

Priprava zeolita mordenita pod ultrazvokom

Mordenit, pridobljen z uporabo ultrazvočne predobdelave (MOR-U), je pokazal bolj homogeno morfologijo prerasenih peletov 10 × 5 μm2 in brez znakov igličastih ali vlaknastih tvorb. Postopek z ultrazvokom je privedel do materiala z izboljšanimi teksturnimi lastnostmi, zlasti volumnom mikropor, ki je dostopen molekulam dušika v obliki, kot je izdelan. V primeru ultrazvočno predhodno obdelanega mordenita so opazili spremenjeno obliko kristalov in bolj homogeno morfologijo.
Če povzamemo, je trenutna študija pokazala, da je ultrazvočna predobdelava sinteznega gela vplivala na različne lastnosti dobljenega mordenita, kar je povzročilo

1. bolj homogena velikost in morfologija kristalov, odsotnost nezaželenih vlaknastih in igličastih kristalov;
2. manj strukturnih napak;
3. znatna dostopnost mikropor v vzorcu mordenita, kot je narejen (v primerjavi z zamašenimi mikroporami v materialih, pripravljenih s klasično metodo mešanja, pred postsintetično obdelavo);
4. različno Al organizacijo, kar naj bi povzročilo različne položaje Na+ kationov (najbolj vpliven dejavnik, ki vpliva na sorpcijske lastnosti materialov, kot so izdelani).

Zmanjšanje strukturnih napak z ultrazvočno predobdelavo sinteznega gela je lahko izvedljiv način za rešitev skupnega problema "neidealne" strukture v sintetičnih mordenitih. Poleg tega je mogoče višjo sorpcijsko zmogljivost v tej strukturi doseči z enostavno in učinkovito ultrazvočno metodo, ki se uporablja pred sintezo, brez tradicionalne postsintetične obdelave, ki zahteva čas in vire (kar nasprotno vodi do nastanka strukturnih napak). Poleg tega lahko manjše število silanolnih skupin prispeva k daljši katalitični življenjski dobi pripravljenega mordenita.
(prim. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) so preučevali učinke ultrazvoka z uporabo Hielscherjevega ultrazvočnega UP200S na H-mordit in H-bet zeolit. Prišli so do zaključka, da je ultrazvočno razbijanje učinkovita tehnika za modifikacijo H-mordita in H-beta, zaradi česar so zeoliti primernejši za proizvodnjo dimetil etra (DME) z dehidracijo metanola.

Ultrazvočna sinteza nanokristalov SAPO-34

S sonokemično potjo so SAPO-34 (silikoaluminofosfatna molekularna sita, razred zeolitov) uspešno sintetizirali v nanokristalni obliki z uporabo TEAOH kot sredstva za usmerjanje strukture (SDA). Za ultrazvočno razbijanje je ultrazvočni zvočnik tipa Hielscher UP200S (24kHz, 200 vatov) je bila uporabljena. Povprečna velikost kristalov končnega izdelka, pripravljenega sonokemično, je 50 nm, kar je bistveno manjša velikost kristalov v primerjavi z velikostjo hidrotermalno sintetiziranih kristalov. Ko so bili kristali SAPO-34 sonokemično v hidrotermalnih pogojih, je površina bistveno večja od kristalne površine konvencionalno sintetiziranih kristalov SAPO-34 s statično hidrotermalno tehniko s skoraj enako kristalnostjo. Medtem ko konvencionalna hidrotermalna metoda traja vsaj 24 ur časa sinteze, da se dobi popolnoma kristalni SAPO-34, se s sonokemično podprto hidrotermalno sintezo popolnoma kristalni kristali SAPO-34 dobijo po samo 1,5 uri reakcijskega časa. Zaradi zelo intenzivne ultrazvočne energije se kristalizacija zeolita SAPO-34 okrepi s propadom ultrazvočnih kavitacijskih mehurčkov. Implozija kavitacijskih mehurčkov se pojavi v manj kot nanosekundi, kar lokalno povzroči hitro naraščajoče in padajoče temperature, kar preprečuje organizacijo in aglomeracijo delcev in vodi do manjših velikosti kristalov. Dejstvo, da bi lahko majhne kristale SONO-SAPO-34 pripravili s sonokemično metodo, kaže na visoko gostoto nukleacije v zgodnjih fazah sinteze in počasno rast kristalov po nukleaciji. Ti rezultati kažejo, da je ta nekonvencionalna metoda zelo uporabna tehnika za sintezo nanokristalov SAPO-34 v visokih donosih v industrijski proizvodnji.
(prim. Askari in Halladj; 2012)

Ultrazvočna deaglomeracija in disperzija zeolitov

Ko se zeoliti uporabljajo v industrijskih aplikacijah, raziskavah ali znanosti o materialih, se suhi zeolit večinoma zmeša v tekočo fazo. Disperzija zeolita zahteva zanesljivo in učinkovito tehniko razprševanja, ki uporablja dovolj energije za deaglomeracijo delcev zeolita. Ultrasonicatorji so dobro znani kot močni in zanesljivi dispergatorji, zato se uporabljajo za homogeno razpršitev različnih materialov, kot so nanocevke, grafen, minerali in številni drugi materiali, v tekočo fazo.
Zeolitni prašek, ki ni obdelan z ultrazvokom, je precej aglomeriran z morfologijo, podobno lupini. V nasprotju s tem se zdi, da 5-minutna ultrazvočna obdelava (200 ml vzorca, sonikiranega pri 320 W) uniči večino oblik, podobnih lupinam, kar ima za posledico bolj razpršen končni prah. (prim. Ramirez Medoza et al. 2020)
Na primer, Ramirez Medoza et al. (2020) so uporabili ultrazvočni zvočnik Hielscherjeve sonde UP200S za kristalizacijo zeolita NaX (tj. zeolita X, sintetiziranega v natrijevi obliki (NaX)) pri nizki temperaturi. Sonication v prvi uri kristalizacije je povzročil 20% zmanjšanje reakcijskega časa v primerjavi s standardnim postopkom kristalizacije. Poleg tega so pokazali, da lahko ultrazvočno razbijanje zmanjša tudi stopnjo aglomeracije končnega praška z uporabo ultrazvoka visoke intenzivnosti za daljše obdobje ultrazvočnega razbijanja.

Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za sintezo zeolita

Prefinjena strojna oprema in pametna programska oprema Hielscher ultrasonicatorjev sta zasnovani tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate in prijaznost do uporabnika. Hielscher ultrazvočni aparati so robustni in zanesljivi, kar omogoča namestitev in delovanje v težkih pogojih. Do nastavitev delovanja lahko enostavno dostopate in jih izberete prek intuitivnega menija, do katerega lahko dostopate prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljalnika brskalnika. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno zabeležijo na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča revizijo in primerjavo prejšnjih ultrazvočnih tekov ter optimizacijo sinteze zeolita in disperzije do najvišje učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se uporabljajo po vsem svetu za procese kristalizacije in so dokazano zanesljivi za sintezo visokokakovostnih zeolitov in derivatov zeolita. Hielscher industrijski ultrazvočni aparati lahko zlahka izvajajo visoke amplitude v neprekinjenem delovanju (24/7/365). Amplitude do 200 μm se lahko enostavno kontinuirano ustvarjajo s standardnimi sonotrodami (ultrazvočne sonde / rogovi). Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Zaradi svoje robustnosti in nizkega vzdrževanja so naši ultrazvočni aparati običajno nameščeni za težke aplikacije in v zahtevnih okoljih.
Hielscher ultrazvočni procesorji za sonokemične sinteze, kristalizacijo in deaglomeracijo so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem obsegu. Kontaktirajte nas zdaj, da se pogovorite o vašem proizvodnem procesu zeolita! Naše izkušeno osebje bo z veseljem delilo več informacij o poti sonokemične sinteze, ultrazvočnih sistemih in cenah!
S prednostjo metode ultrazvočne sinteze se bo vaša proizvodnja zeolita odlikovala v učinkovitosti, preprostosti in nizkih stroških v primerjavi z drugimi postopki sinteze zeolita!

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: