Zeoliti, vključno z nano-zeoliti in derivati zeolita, so lahko učinkovito in zanesljivo sintetizirani, funkcionalni in deaglomerirani z ultrasonikacijo visokih zmogljivosti. Ultrazvočna sinteza zeolita in obdelava se odlično uporablja za konvencionalno hidrotermalno sintezo z učinkovitostjo, preprostostjo in preprosto linearo skalabilnost do velike proizvodnje. Ultrazvočno sintetiizirani zeoliti kažejo dobro kristaličnost, čistost kot tudi visok razred funkcionalnosti zaradi poroznosti in deaglomeracije.

Ultrazvočno podprta priprava zeoliti

Zeoliti so mikroporozno kristalno hidrirani aluminijusilikati z absorbentno in katalitično lastnostjo.
Uporaba visokozmogljiv ultrazvok vpliva na velikost in morfologijo ultrazvočno sintetiiziranih kristalov zeolita in izboljšuje njihovo kristalnost. Poleg tega se čas kristalizacije drastično skrajša z uporabo sonokemične sintezne poti. Ultrazvočno podprte zeolitske sintezne poti so testirane in razvite za številne vrste zeolita. Mehanizem ultrazvočne sinteze zeolita temelji na izboljšanem prenosu mase, ki ima za rezultat povečano stopnjo rasti kristalov. To povečanje stopnje rasti kristalov nato vodi v povečano hitrost jedkanja. Poleg tega sonikacija vpliva na ravnotežje depolimerizacije-polimerizacije s povečanjem koncentracije topnih vrst, ki je potrebna za nastanek zeolita.
Na splošno so različne raziskovalne študije in pilotne proizvodne enote dokazale, da je sinteza ultrazvočnega zeolita zelo učinkovita prihranek časa in stroškov.

Konvencionalna sinteza vs Ultrazvočna sinteza zeoliti

Kako je zeolit sintetizirana konvencionalno?

Konvencionalna sinteza zeolita je zelo dolgotrajen hidrotermalni proces, ki lahko zahteva reakcijske čase od nekaj ur do več dni. Hidrotermalna pot je običajno sečnja, kjer se zeoliti sintetiizirajo iz amorfnih ali topnih virov Si in Al. V začetni fazi staranja reaktivni gel sestavi sredstvo za usmerjanje strukture (SDA) in viri aluminija in silikata se starajo pri nizki temperaturi. V tem prvem koraku staranja se oblikujejo tako imenovana jed. Ta jedra so izhodiščni material, iz katerega v naslednjem kristalizacijskem procesu rastejo zeoliti kristali. Z uvedbo kristalizacije se dvigne temperatura gela. Ta hidrotermalna sinteza se običajno izvaja v batch reaktorjih. Vendar pa so serijo procesov z mano delovno intenzivnega delovanja.

Kako se zeolit sintetizacijo pod sonication?

Ultrazvočna sinteza zeolita je hiter postopek za sintezo homogenega zeolita v blagih pogojih. Na primer, 50nm zeolitski kristali so bili sintetiizirani po sonokemični poti pri sobni temperaturi. Medtem ko konvencionalna reakcija sinteze zeolita a lahko traja do nekaj dni, sonokemična pot zmanjša trajanje sinteze na nekaj ur, s čimer znatno zmanjša reakcijski čas.
Ultrazvočna kristalizacija zeolita se lahko izvaja kot serija ali neprekinjeni procesi, zaradi česar je aplikacija enostavno prilagodljiva okolju in procesnim ciljem. Zaradi lineane skalabilnosti je mogoče ultrazvočne zeolitske sinteze zanesljivo prenesti iz začetnega procesa serije v inline obdelavo. Ultrazvočna obdelava – v paketu in v vrstici – omogoča vrhunsko gospodarsko učinkovitost, nadzor kakovosti in operativno prožnost.

Sonokemične sintezne poti različnih vrst zeolita

V naslednjem razdelku uvajamo različne sonokemične poti, ki so bile uspešno uporabljene za sintezo različnih vrst zeolita. Rezultati raziskav dosledno poudarjajo premoč sinteze ultrazvočnega zeolita.

Ultrazvočna sinteza bikitaita zeolita, ki vsebuje li

Roy in Das (2017) sta pri sobni temperaturi sintetiizirala kristale zeolita bikitaita z 50nm z uporabo UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ultrasonikator v paketni nastavitvi. Uspešno sonokemično nastanek bikitaitnega zeolita pri sobni temperaturi so potrdili s uspešno sintetizacijo bikitait zeolita, ki vsebuje litij, z XRD in IR analizo.
Ko so sonokemično obdelavo kombinirali s konvencionalno hidrotermalno obdelavo, je bila fazna tvorba kristalov zeolita dosežena pri precej nižji temperaturi (100ºC) v primerjavi s 300ºC za 5 dni, kar so značilne vrednosti za konvencionalno hidrotermalno pot. Sonication kaže pomembne učinke na čas kristalizacije in fazno nastanek zeolita. Da bi ocenili funkcionalnost ultrazvočno sintetiznega bikitait zeolita, so preiskali njegovo zmogljivost shranjevanja vodika. Prostornina shranjevanja se poveča s povečanjem vsebnosti Li zeolita.
Nastanek sonokemijskih zeolita: XRD in IR analiza je pokazala, da se je nastanek čistega, nano-kristalnega bikitaitnega zeolita začel po 3 h ultrasonikacije in 72 h staranja. Kristalinični bikitait zeolit v velikosti nano velikosti z značilnimi vrhovi so dobili po 6 h časa sonikacije pri 250 W.
prednosti: Sonokemična sintezna pot zeolita Bikitaita, ki vsebuje litij, ponuja ne le prednost preproste izdelave čistih nano-kristalov, ampak predstavlja tudi hitro in stroškovno učinkovito tehniko. Stroški za ultrazvočno opremo in zahtevano energijo so v primerjavi z drugimi procesi zelo nizki. Poleg tega je trajanje postopka sinteze zelo kratko, tako da se sonokemični proces obravnava kot koristna metoda za uporabo čiste energije.
(prim. Roy et al. 2017)

Zeolit mordenit priprava pod ultrasonication

Mordenit, pridobljen z uporabo ultrazvočne predobdelave (MOR-U), je pokazal bolj homogeno morfologijo medraslih peletov 10 × 5 μm2 in ni znakov igle podobnih ali vlaknastih macij. Ultrazvočno podprt postopek je povzročil material z izboljšanimi teksturnimi značilnostmi, zlasti količino mikropore, dostopno dušikovim molekulam v tako izdelani obliki. V primeru ultrazvočno preeated mordenita so opazili spremenjeno obliko kristala in bolj homogeno morfologijo.
V povzetku je sedanja študija pokazala, da je ultrazvočna prednaslednja sinteznega gela vplivala na različne lastnosti pridobljenega mordenita, kar je povzročilo

1. bolj homogena velikost kristalov in morfologija, odsotnost nezaželenih vlaken in igle podobnih kristalov;
2. manj strukturnih napak;
3. znatna dostopnost mikropor v vzorcu mordenita, kot je narejen (v primerjavi z blokiranim mikroporjem v materialih, pripravljenih s klasično metodo mešanja, pred post-sintetičnim zdravljenjem);
4. različne Al organizacije, ki naj bi povzročila različne položaje Na+ cations (najvplivnejši dejavnik, ki vpliva na sorpcijo lastnosti as-made materialov).

Zmanjšanje strukturnih napak z ultrazvočno prednastanek sinteznega gela je lahko izvedljiv način za rešitev skupnega problema "ne-idealne" strukture v sintetičnih mordenitih. Poleg tega bi se lahko višja zmogljivost sorpcije v tej strukturi dosegla z enostavno in učinkovito ultrazvočno metodo, ki se uporablja pred sintezo, brez časovno- in virov zaužitega tradicionalnega postsynthetic zdravljenja (kar, nasprotno, vodi do nastajanja strukturnih napak). Poleg tega lahko manjše število silanolskih skupin prispeva k daljši katalitski življenjski dobi pripravljenega mordenita.
(prim. Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) je preučil učinke ultrazvoka z uporabo ultrazvočnega UP200S na H-mordite in H-bet zeolite. Prišli so do zaključka, da je sonication učinkovita tehnika za spremembo H-mordite in H-Beta, zaradi česar so zeoliti bolj primerni za proizvodnjo dimetil etra (DME) z dehidracijo metanola.

Ultrazvočna sinteza sapo-34 nanoklistalov

Preko sonokemične poti so se SAPO-34 (silikoaluminofosfatna molekularna sita, razred zeolitov) uspešno sintetizovala v nanokristalni obliki z uporabo TEAOH kot sredstva za usmerjanje strukture (SDA). Za sonication, Hielscher sonda tipa ultrasonicator UP200S (24kHz, 200 vatov) je bila uporabljena. Povprečna velikost kristala končnega izdelka, pripravljenega sonokemično, je 50nm, kar je bistveno manjša velikost kristala v primerjavi z velikostjo hidrotermalno sintetičnih kristalov. Ko so bili kristali SAPO-34 sonohemično v hidrotermalnih pogojih, je površina bistveno višja od kristalne površine konvencionalno sintetiiziranih kristalov SAPO-34 prek statične hidrotermalne tehnike s skoraj enako kristalnostjo. Medtem ko konvencionalna hidrotermalna metoda traja vsaj 24 h časa sinteze, da se pridobi popolnoma kristalinični SAPO-34, preko sonokemično podprte hidrotermalne sinteze popolnoma kristali sapo-34 kristali werde, pridobljeni po samo 1,5 h reakcijski čas. Zaradi zelo intenzivne ultrazvočne energije se kristalizacija zeolita SAPO-34 poveča s propadom ultrazvočnih kavitacijskih mehurčkov. Implozija kavitacijskih mehurčkov se pojavi v manj kot nanosekunci, kar lokalno povzroči hitro naraščajoče in padajoče temperature, kar preprečuje organizacijo in aglomeracijo delcev in vodi do manjših kristalnih velikosti. Dejstvo, da bi majhne kristale SONO-SAPO-34 lahko pripravili s sonokemično metodo, kaže na visoko gostoto jedra v zgodnjih fazah sinteze in počasno rast kristalov po jedranju. Ti rezultati kažejo, da je ta nekonvencialna metoda zelo uporabna tehnika za sintezo nanoklistalov SAPO-34 v visokih donosih v industrijski proizvodni lestvici.
(prim. Askari in Halladj; 2012)

Ultrazvočna deaglomeracija in disperzija zeoliti

Ko se zeoliti uporabljajo v industrijskih aplikacijah, raziskavah ali znanosti o materialu, se suhi zeolit večinoma meša v tekočo fazo. Disperzija zeolita zahteva zanesljivo in učinkovito tehniko razprševanja, ki uporablja dovolj energije za deaglomeriranje delcev zeolita. Za ultrasonikatorje je znano, da so močni in zanesljivi razpršilci, zato se uporabljajo za razpršovanje različnih materialov, kot so nanocevke, grafen, minerali in številni drugi materiali homogeno v tekočo fazo.
Zeolitni prašek, ki ga ne zdravi ultrazvok, je precej aglomeriran z morfologijo, podobno lupini. Nasprotno se zdi, da sonication obdelava 5 min (200 ml vzorca sonicated na 320 W) uniči večino lupine podobnih oblik, kar ima za rezultat bolj razpršen končni prašek. (prim. Ramirez Medoza et al. 2020)
Na primer, Ramirez Medoza et al. (2020) uporablja Ultrasonicator sonde Hielscher UP200S za kristalizacijo NaX zeolita (npr. zeolita X, sintetiznega v obliki natrija (NaX)) pri nizki temperaturi. Sonication v prvi uri kristalizacije je povzročila 20% zmanjšanje časa reakcije v primerjavi s standardnim postopkom kristalizacije. Poleg tega so dokazali, da lahko sonication tudi zmanjša aglomeracijsko stopnjo končnega praška z uporabo ultrazvoka visoke intenzivnosti za daljše sonication obdobje.

Ultrasonikatorji visoke zmogljivosti za sintezo zeolita

Prefinjena strojna in pametna programska oprema Hielscher ultrasonicators so zasnovani tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate, kot tudi prijaznost uporabnika. Ultrasonicatorji Hielscher so robustni in zanesljivi, kar omogoča namestitev in delovanje v težkih pogojih. Do operativnih nastavitev je mogoče enostavno dostopati in klicati preko 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 zapišejo na vgrajeno SD kartico. To vam omogoča, da pregledate in primerjate prejšnje sonication teče in optimizirati sintezo zeolita in disperzijo proces do najvišje učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se uporabljajo po vsem svetu za postopke kristalizacije in so dokazano zanesljivi za sintezo visokokakovostnih zeolitov in derivatov zeolitov. Hielscher industrijski ultrasonicatorji lahko brez težav zaženejo visoke amplitude v neprekinjenem delovanju (24/7/365). Amplitude do 200μm je mogoče enostavno neprekinjeno ustvarjati s standardnimi sonotrodi (ultrazvočne sonde / rogovi). Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi. Zaradi svoje robustnosti in nizkega vzdrževanja so naši ultrazvočniktorji običajno nameščeni za zahtevne 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 razpravljate o vašem procesu izdelave zeolita! Naše dobro izkušeno osebje bo z veseljem deliti več informacij o sonokemični sintezi pot, ultrazvočni sistemi in določanje cen!
S prednostjo metode ultrazvočne sinteze bo vaša proizvodnja zeolita v primerjavi z drugimi procesi sinteze zeolita odlična v učinkovitosti, lahkotnosti in nizkih stroških!

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: