Синтеза и функционализација зеолита коришћењем соникације

Зеолити, укључујући нано-зеолите и деривате зеолита, могу се ефикасно и поуздано синтетисати, функционализовати и деагломерисати коришћењем ултразвучне обраде високих перформанси. Ултразвучна синтеза и третман зеолита надмашује конвенционалну хидротермалну синтезу по ефикасности, једноставности и једноставној линеарној скалабилности до велике производње. Ултразвучно синтетисани зеолити показују добру кристалност, чистоћу као и висок степен функционалности због порозности и деагломерације.

Припрема зеолита уз помоћ ултразвука

Зеолити су микропорозни кристални хидратисани алуминосиликати са упијајућим и каталитичким својствима.
Примена ултразвука високих перформанси утиче на величину и морфологију ултразвучно синтетизованих кристала зеолита и побољшава њихову кристалност. Штавише, време кристализације се драстично смањује коришћењем сонохемијске синтезе. Путеви синтезе зеолита уз помоћ ултразвука су тестирани и развијени за бројне типове зеолита. Механизам ултразвучне синтезе зеолита заснива се на побољшаном преносу масе што резултира повећаном стопом раста кристала. Ово повећање брзине раста кристала касније доводи до повећане стопе нуклеације. Додатно, соникација утиче на равнотежу деполимеризације и полимеризације кроз повећање концентрације растворљивих врста, што је потребно за формирање зеолита.
Све у свему, различите истраживачке студије и пилотске производне поставке доказале су ултразвучну синтезу зеолита као високо ефикасну уштеду времена и трошкова.

Конвенционална синтеза против ултразвучне синтезе зеолита

Како се зеолит синтетише конвенционално?

Конвенционална синтеза зеолита је веома дуготрајан хидротермални процес, који може захтевати време реакције од неколико сати до неколико дана. Хидротермални пут је обично шаржни процес, где се зеолити синтетишу из аморфних или растворљивих извора Си и Ал. У почетној фази старења, реактивни гел се састоји од агенса за усмеравање структуре (СДА), а извори алуминијума и силицијум диоксида се старе на ниској температури. Током овог првог корака старења формирају се такозвана језгра. Ова језгра су полазни материјал из којег у наредном процесу кристализације расту кристали зеолита. Са иницирањем кристализације, температура гела се повећава. Ова хидротермална синтеза се обично изводи у шаржним реакторима. Међутим, серијски процеси долазе са недостатком радног интензивног рада.

Како се зеолит синтетише под соникацијом?

Ултразвучна синтеза зеолита је брза процедура за синтезу хомогеног зеолита под благим условима. На пример, кристали зеолита од 50 нм су синтетизовани сонохемијским путем на собној температури. Док конвенционална реакција синтезе зеолита а може потрајати и до неколико дана, сонохемијски пут смањује трајање синтезе на неколико сати, чиме се значајно смањује време реакције.
Ултразвучна кристализација зеолита може се изводити као шаржни или континуирани процеси, што апликацију чини лако прилагодљивом окружењу и циљевима процеса. Због линеарне скалабилности, ултразвучне синтезе зеолита могу се поуздано пренети из почетног серијског процеса на инлине обраду. Ултразвучна обрада – у серији и у линији – омогућава супериорну економску ефикасност, контролу квалитета и оперативну флексибилност.

ФЕСЕМ микрофотографија бикитаит зеолита који садржи литијум, припремљена (а) ултразвуком током 3 х, (б) одговарајућим ЕДАКС-ом, (ц) соникацијом праћеном хидротермалним третманом на 100°Ц током 24 х, (д) одговарајућим ЕДАКС-ом.
(студија и слика Рој и Дас, 2017)

Путеви сонохемијске синтезе различитих типова зеолита

У следећем одељку представљамо различите сонохемијске путеве, који су успешно коришћени за синтезу различитих типова зеолита. Резултати истраживања доследно подвлаче супериорност ултразвучне синтезе зеолита.

Ултразвучна синтеза бикитаит зеолита који садржи Ли

Рои и Дас (2017) синтетизовали су 50нм кристале зеолита бикитаита који садрже литијум на собној температури користећи УИП1500хдТ (20кХз, 1,5кВ) ултрасоникатор у серијском подешавању. Успешно сонохемијско формирање бикитаит зеолита на собној температури потврђено је успешно синтетизованим бикитаит зеолитом који садржи литијум КСРД и ИР анализом.
Када је сонохемијски третман комбинован са конвенционалним хидротермалним третманом, фазно формирање кристала зеолита је постигнуто на много нижој температури (100ºЦ) у поређењу са 300ºЦ током 5 дана, што су типичне вредности за конвенционални хидротермални пут. Соникација показује значајне ефекте на време кристализације и формирање фазе зеолита. Да би се проценила функционалност ултразвучно синтетизованог бикитаит зеолита, истражен је његов капацитет складиштења водоника. Запремина складиштења се повећава са повећањем садржаја Ли у зеолиту.
Сонохемијско формирање зеолита: КСРД и ИР анализе су показале да је формирање чистог, нано-кристалног Бикитаите зеолита почело након 3 х ултразвучне обраде и 72 х старења. Кристални бикитаит зеолит нано величине са истакнутим врховима добијен је након 6 х соникације на 250 В.
Предности: Пут сонохемијске синтезе зеолита који садржи литијум Бикитаите нуди не само предност једноставне производње чистих нано-кристала, већ представља и брзу и исплативу технику. Трошкови ултразвучне опреме и потребне енергије су веома ниски у поређењу са другим процесима. Штавише, трајање процеса синтезе је веома кратко, тако да се сонохемијски процес сматра корисним методом за примену чисте енергије.
(уп. Рои ет ал. 2017)

Припрема зеолита морденита под ултразвуком

Морденит добијен применом ултразвучног предтретмана (МОР-У) показао је хомогенију морфологију ураслих пелета 10 × 5 µм2 и без знакова игличастих или влакнастих формација. Процедура потпомогнута ултразвуком је резултирала материјалом са побољшаним текстурним карактеристикама, посебно запремином микропора која је доступна за молекуле азота у таквом облику. У случају ултразвучно обрађеног морденита, уочен је измењен облик кристала и хомогенија морфологија.
Укратко, садашња студија је показала да ултразвучна предтретман гела за синтезу утиче на различита својства добијеног морденита, што је резултирало

1. хомогенија величина и морфологија кристала, одсуство непожељних влакнастих и игличастих кристала;
2. мање структурних дефеката;
3. значајна доступност микропора у узорку морденита како је направљен (у поређењу са блокираним микропорама у материјалима припремљеним класичном методом мешања, пре постсинтетског третмана);
4. различита организација Ал, што је наводно резултирало различитим положајима катјона На+ (најутицајнији фактор који утиче на сорпциона својства материјала који су направљени).

Смањење структурних дефеката ултразвучном претходном обрадом гела за синтезу може бити изводљив начин да се реши уобичајени проблем „неидеалне“ структуре у синтетичким морденитима. Додатно, већи капацитет сорпције у овој структури могао би се постићи лаком и ефикасном ултразвучном методом примењеном пре синтезе, без дуготрајног и дуготрајног традиционалног постсинтетичког третмана (који, напротив, доводи до стварања структурних дефеката). Штавише, мањи број силанолних група може допринети дужем каталитичком веку трајања припремљеног морденита.
(уп. Корнас ет ал. 2021)

Ултразвучна синтеза САПО-34 нанокристала

Сонохемијским путем, САПО-34 (силикоалуминофосфатна молекуларна сита, класа зеолита) је успешно синтетизован у нанокристалном облику коришћењем ТЕАОХ као агенса за усмеравање структуре (СДА). За соникацију, ултрасоникатор типа Хиелсцхер сонде УП200С (24 кХз, 200 вати) је коришћен. Просечна величина кристала финалног производа припремљеног сонохемијски је 50 нм, што је значајно мања величина кристала у поређењу са величином хидротермално синтетизованих кристала. Када су кристали САПО-34 сонохемијски били у хидротермалним условима, површина је значајно већа од површине кристала конвенционално синтетизованих кристала САПО-34 помоћу статичке хидротермалне технике са скоро истом кристалином. Док је конвенционалној хидротермалној методи потребно најмање 24 х времена синтезе да би се добио потпуно кристални САПО-34, путем сонохемијски потпомогнуте хидротермалне синтезе, потпуно кристални САПО-34 кристали су добијени након само 1,5 х времена реакције. Због високо интензивне ултразвучне енергије, кристализација зеолита САПО-34 је интензивирана колапсом ултразвучних кавитационих мехурића. До имплозије кавитационих мехурића долази за мање од наносекунде, што локално доводи до брзог пораста и пада температуре, што спречава организацију и агломерацију честица и доводи до мањих величина кристала. Чињеница да се мали кристали СОНО-САПО-34 могу припремити сонохемијском методом сугерише високу густину нуклеације у раним фазама синтезе и спори раст кристала након нуклеације. Ови резултати сугеришу да је ова неконвенционална метода веома корисна техника за синтезу САПО-34 нанокристала у високим приносима у индустријској производњи.
(уп. Аскари и Халађ; 2012)

Ултразвучна деагломерација и дисперзија зеолита

Када се зеолити користе у индустријској примени, истраживању или науци о материјалима, суви зеолит се углавном меша у течну фазу. За дисперзију зеолита потребна је поуздана и ефикасна техника дисперговања, која користи довољно енергије за деагломерацију честица зеолита. Познато је да су ултразвучни апарати моћни и поуздани дисперзатори, па се стога користе за распршивање различитих материјала као што су наноцеви, графен, минерали и многи други материјали хомогено у течну фазу.
Прашак зеолита који није третиран ултразвуком је значајно агломериран са морфологијом попут шкољке. Насупрот томе, третман ултразвуком од 5 минута (200 мЛ узорка соницирано на 320 В) изгледа да уништава већину облика налик на шкољке, што резултира распршенијим коначним прахом. (уп. Рамирез Медоза ет ал. 2020)
На пример, Рамирез Медоза и др. (2020) користио је ултразвучни апарат Хиелсцхер сонде УП200С да кристалише НаКс зеолит (тј. зеолит Кс синтетизован у натријумовом облику (НаКс)) на ниској температури. Обрада ултразвуком током првог сата кристализације резултирала је смањењем времена реакције за 20% у поређењу са стандардним процесом кристализације. Штавише, они су показали да ултразвук такође може смањити степен агломерације коначног праха применом ултразвука високог интензитета током дужег периода соникације.

Ултрасоникатори високих перформанси за синтезу зеолита

Софистицирани хардвер и паметни софтвер Хиелсцхер ултрасоникатора су дизајнирани да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате као и једноставност за коришћење. Хиелсцхер ултрасоникатори су робусни и поуздани, што омогућава да се инсталирају и раде под тешким условима рада. Оперативним подешавањима се може лако приступити и бирати их преко интуитивног менија, коме се може приступити преко дигиталног екрана осетљивог на додир у боји и даљинског управљача претраживача. Због тога се сви услови обраде као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура аутоматски снимају на уграђену СД картицу. Ово вам омогућава да ревидирате и упоредите претходне серије соникације и да оптимизујете синтезу и процес дисперзије зеолита до највеће ефикасности.
Хиелсцхер Ултрасоницс системи се користе широм света за процесе кристализације и доказано су поуздани за синтезу висококвалитетних зеолита и деривата зеолита. Хиелсцхер индустријски ултрасоникатори могу лако покренути високе амплитуде у континуираном раду (24/7/365). Амплитуде до 200 µм могу се лако континуирано генерисати са стандардним сонотродама (ултразвучне сонде / рогови). За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Због своје робусности и ниског одржавања, наши ултрасоникатори се обично инсталирају за тешке примене и у захтевним окружењима.
Хиелсцхер ултразвучни процесори за сонохемијске синтезе, кристализацију и деагломерацију су већ инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да разговарамо о процесу производње зеолита! Нашем искусном особљу ће бити драго да подели више информација о путу сонохемијске синтезе, ултразвучним системима и ценама!
Уз предност методе ултразвучне синтезе, ваша производња зеолита ће се одликовати ефикасношћу, једноставношћу и ниском ценом у поређењу са другим процесима синтезе зеолита!

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: