Syntes och funktionalisering av zeoliter med hjälp av ultraljudsbehandling

Zeoliter inklusive nano-zeoliter och zeolitderivat kan effektivt och tillförlitligt syntetiseras, funktionaliseras och deagglomereras med hjälp av högpresterande ultraljud. Ultraljud zeolit syntes och behandling utmärker konventionell hydrotermisk syntes genom effektivitet, enkelhet och enkel linjär skalbarhet till stor produktion. Ultraljud syntetiserade zeoliter visar god kristalllinitet, renhet samt en hög kvalitet av funktionalitet på grund av porositet och deagglomeration.

Ultraljudsassisterad beredning av zeoliter

Zeoliter är mikroporösa kristallina hydratiserade aluminosilikater med absorberande och katalytiska egenskaper.
Tillämpningen av högpresterande ultraljud påverkar storlek och morfologi av ultraljud syntetiserade zeolit kristaller och förbättrar deras kristallalitet. Dessutom reduceras kristalliseringstiden drastiskt med hjälp av en sonokemisk syntesväg. Ultraljud-assisted zeolite syntes rutter testades och utvecklats för många zeolit typer. Mekanismen för ultraljud zeolit syntes är baserad på den förbättrade massöverföringen som resulterar i en ökad kristall tillväxthastighet. Denna ökning av kristalltillväxten leder därefter till en ökad nukleationshastighet. Dessutom påverkar ultraljudsbehandling depolymerisering-polymerisation jämvikt genom en ökning av koncentrationen av lösliga arter, vilket krävs för zeolitbildningen.
Sammantaget har olika forskningsstudier och pilot-skala produktionsinställningar visat ultraljud zeolit syntes som mycket effektiv spara tid och kostnader.

Konventionell syntes vs ultraljud syntes av zeoliter

Hur syntetiseras zeolit konventionellt?

Konventionell zeolitsyntes är en mycket tidskrävande hydrotermisk process, vilket kan kräva reaktionstider från flera timmar till flera dagar. Den hydrotermiska rutten är normalt en satsprocess, där zeoliter syntetiseras från amorfa eller lösliga Si- och Al-källor. I ett inledande åldringsstadium består den reaktiva gelen av ett strukturriktat medel (SDA) och källor till aluminium och kiseldioxid åldras vid låg temperatur. Under detta första steg av åldrande bildas så kallade atomkärnor. Dessa kärnor är det startmaterial från vilket zeolitkristallerna växer i följande kristalliseringsprocess. Med initieringen av kristalliseringen höjs geléns temperatur. Denna hydrotermiska syntes utförs vanligtvis i satsreaktorer. Batchprocesser kommer dock med nackdelen med arbetsintensiv drift.

Hur syntetiseras zeolit under ultraljudsbehandling?

Ultraljud syntes av zeolit är snabb förfarande för att syntetisera homogena zeolit under milda förhållanden. Till exempel syntetiserades 50nm zeolitkristaller via sonokemisk väg vid rumstemperatur. Medan konventionell zeolitsyntesreaktion a kan ta upp till flera dagar, minskar den sonokemiska vägen syntesens varaktighet till några timmar, vilket avsevärt minskar reaktionstiden.
Ultraljud kristallisering av zeolit kan utföras som sats eller kontinuerliga processer, vilket gör applikationen lätt anpassningsbar till miljön och processmålen. På grund av linjär skalbarhet, ultraljud zeolit synteser kan tillförlitligt överföras från inledande batch process till infogad bearbetning. Ultraljud bearbetning – i batch och rad – möjliggör överlägsen ekonomisk effektivitet, kvalitetskontroll och operativ flexibilitet.

Sonokemiska syntesvägar av olika zeolittyper

I följande avsnitt introducerar vi olika sonokemiska vägar, som framgångsrikt har använts för att syntetisera olika zeolittyper. Forskningsresultat understryker konsekvent överlägsenheten av ultraljud zeolite syntes.

Ultraljud syntes av Li-innehållande Bikitaite Zeolite

Roy och Das (2017) syntetiserade 50nm litiumhaltiga zeolit bikitaitkristaller vid rumstemperatur med hjälp av UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ultraljudsdon i en batch setup. Den framgångsrika sonochemical bildandet av Bikitaite zeolite vid rumstemperatur bekräftades av framgångsrikt syntetiserade litium-innehållande Bikitaite zeolite av XRD och IR analys.
När sonokemisk behandling kombinerades med konventionell hydrotermisk behandling uppnåddes fasbildningen av zeolitkristaller vid mycket lägre temperatur (100ºC) jämfört med 300ºC i 5 dagar, vilket är typiska värden för konventionell hydrotermisk väg. Ultraljudsbehandling visar betydande effekter på kristalliseringstid och fasbildning av zeolit. För att utvärdera funktionaliteten hos ultraljud syntetiserade Bikitaite zeolite undersöktes dess väte lagring kapacitet. Lagringsvolymen ökar med ökande Li-innehåll i zeoliten.
Sonokemisk zeolitbildning: XRD och IR analys visade att bildandet av ren, nano-kristallina Bikitaite zeolit startade efter 3 h ultraljud och 72 h åldrande. Nano-storlek kristallina Bikitaite zeolite med framstående toppar erhölls efter 6 h ultraljudsbehandling tid vid 250 W.
fördelar: Den sonokemiska syntesvägen av litiumhaltiga zeolitbiitater erbjuder inte bara fördelen med enkel produktion av rena nanokristaller, utan presenterar också en snabb och kostnadseffektiv teknik. Kostnaderna för ultraljudsutrustning och den energi som krävs är mycket låga jämfört med andra processer. Dessutom är den sammanfattande processen mycket kort, så att den sonokemiska processen anses vara en fördelaktig metod för applikationer för ren energi.
(se Roy et al. 2017)

Zeolite Mordenite förberedelse under ultraljud

Mordenite erhålls med tillämpning av ultraljud förbehandling (MOR-U) visade en mer homogen morfologi av intergrown pellets 10 × 5 μm2 och inga tecken på nål-liknande eller fibrösa formationer. Ultraljud-assisted förfarandet resulterade i ett material med förbättrade textural egenskaper, i synnerhet mikropor volym tillgänglig för kväve molekyler i as-made form. När det gäller ultraljud-förbehandlade mordenite observerades förändrad kristall form och mer homogen morfologi.
Sammanfattningsvis visade den aktuella studien att ultraljud förbehandling av syntesgel påverkade de olika egenskaperna hos erhållna mordenit, vilket resulterade i

1. Mer homogen kristallstorlek och morfologi, frånvaro av oönskade fiber- och nålliknande kristaller;
2. Färre strukturella defekter.
3. Betydande mikroportillgänglighet i det as-made mordenite provet (jämför med de blockerade mikroporerna i material som framställs med den klassiska omrörningsmetoden, före postsyntetisk behandling);
4. olika Al-organisation, vilket förmodligen resulterar i olika positioner för Na + cations (den mest inflytelserika faktorn som påverkar sorptionsegenskaperna hos de as-made materialen).

Minskningen av strukturella defekter genom ultraljud förbehandling av syntes gel kan vara ett genomförbart sätt att lösa det gemensamma problemet med "icke-idealiska" struktur i syntetiska mordeniter. Dessutom kan högre sorption kapacitet i denna struktur uppnås genom en enkel och effektiv ultraljud metod tillämpas före syntesen, utan tids- och resurskrävande traditionell postsyntetisk behandling (som tvärtom leder till generering av strukturella defekter). Dessutom kan det lägre antalet silanolgrupper bidra till en längre katalytisk livslängd för den beredda mordeniten.
(se Kornas et al. 2021)

Solyman et al. (2013) studerade effekterna av ultraljud med Hielscher ultraljud UP200S på H-mordite och H-bet zeoliter. De kom till slutsatsen att ultraljudsbehandling är en effektiv teknik för H-mordit och H-Beta modifiering, vilket gör zeoliterna lämpligare för produktion av dimetyleter (DME) via uttorkning av metanol.

Ultraljud syntes av Säpo-34 Nanokristaler

Via sonokemisk väg syntetiserades Säpo-34 (silikoaluminofosfatmolekylära siktare, en klass zeoliter) framgångsrikt i nanokristallinform med TEAOH som strukturledande medel (SDA). För ultraljudsbehandling, Hielscher sond-typ ultraljudspump UP200S (24kHz, 200 watt) användes. Den genomsnittliga kristallstorleken på slutprodukten som framställs sonokemiskt är 50nm, vilket är en betydligt mindre kristallstorlek jämfört med storleken på hydrotermiskt syntetiserade kristaller. När Säpo-34 kristaller var sonokemiskt under hydrotermiska förhållanden är ytan betydligt högre än kristallytan för konventionellt syntetiserade Säpo-34-kristaller via statisk hydrotermisk teknik med nästan samma kristallalitet. Medan den konventionella hydrotermiska metoden tar minst 24 h syntestid för att erhålla helt kristallin Säpo-34, via sonokemiskt assisterad hydrotermisk syntes helt kristallin Säpo-34 kristaller werde erhålls efter endast 1,5 h reaktionstid. På grund av den mycket intensiva ultraljud energi, zeolite Säpo-34 kristallisering intensifieras av kollapsen av ultraljud kavitation bubblor. Implosionen av kavitationsbubblor sker på mindre än en nanosekund som lokalt resulterar i snabbt stigande och fallande temperaturer, vilket förhindrar organisering och tätbebyggelse av partiklar och leder till mindre kristallstorlekar. Det faktum att små SONO-Säpo-34 kristaller kan förberedas av den sonokemiska metoden tyder på en hög nukleationstäthet i de tidiga stadierna av syntes och långsam kristalltillväxt efter nukleation. Dessa resultat tyder på att denna okonventionella metod är en mycket användbar teknik för syntesen av Säpo-34 nanokristaler i hög avkastning i industriell produktionsskala.
(jfr Askari och Halladj; 2012)

Ultraljud Deagglomeration och dispersion av Zeolites

När zeoliter används i industriella tillämpningar, forskning eller materialvetenskap blandas den torra zeoliten mestadels i en flytande fas. Zeolitspridning kräver en tillförlitlig och effektiv spridningsteknik, som applicerar tillräckligt med energi för att deagglomerera zeolitpartiklarna. Ultraljud är välkända för att vara kraftfulla och tillförlitliga spridare, därför används för att sprida olika material såsom nanorör, grafen, mineraler och många andra material homogent i en flytande fas.
Ett zeolitpulver som inte behandlas med ultraljud är avsevärt agglomererat med skalliknande morfologi. Däremot verkar en ultraljudsbehandling på 5 min (200 ml prov sonikerat vid 320 W) förstöra de flesta skalliknande former, vilket resulterar i ett mer spridda slutligt pulver. (se Ramirez Medoza et al. 2020)
Till exempel använde Ramirez Medoza et al. (2020) Hielscher-sondens ultraljudsmätare UP200S att kristallisera NaX zeolit (dvs zeolit X syntetiserat i natriumform (NaX)) vid låg temperatur. Ultraljudsbehandling under den första timmen av kristallisering resulterade i 20% minskning av reaktionstid jämfört med en standard kristallisering process. Dessutom visade de att ultraljudsbehandling kan också minska agglomeration graden av det slutliga pulvret genom att tillämpa högintensiv ultraljud för en längre ultraljudsperiod.

Högpresterande ultraljud för Zeolite Syntes

Den sofistikerade hårdvaran och smarta programvaran hos Hielscher ultrasonicators är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat samt användarvänlighet. Hielscher ultrasonicators är robusta och tillförlitliga, vilket gör det möjligt att installera och driva under tunga förhållanden. Driftsinställningar kan enkelt nås och ringas upp via intuitiv meny, som kan nås via digital färgpekskärm och webbläsarfjärrkontroll. Därför registreras alla bearbetningsförhållanden som nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan revidera och jämföra tidigare ultraljudsbehandling körningar och optimera zeolit syntes och spridningsprocessen till högsta effektivitet.
Hielscher Ultrasonics system används över hela världen för kristalliseringsprocesser och har visat sig vara tillförlitliga för syntesen av högkvalitativa zeoliter och zeolitderivat. Hielscher industriella ultrasonicators kan enkelt köra höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt kontinuerligt genereras med standard sonotrodes (ultraljud sonder / horn). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljud sonotrodes tillgängliga. På grund av deras robusthet och låga underhåll installeras våra ultraljudsatorer ofta för tunga applikationer och i krävande miljöer.
Hielscher ultraljud processorer för sonokemiska synteser, kristallisering och deagglomeration är redan installerade över hela världen i kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera din zeolittillverkningsprocess! Vår väl erfarna personal kommer gärna att dela mer information om den sonokemiska syntesvägen, ultraljudssystem och prissättning!
Med fördelen av ultraljud syntes metod, din zeolite produktion kommer att utmärka sig i effektivitet, enkelhet och låg kostnad jämfört med andra zeolit syntes processer!

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: