Sonikasyon Kullanarak Zeolitlerin Sentezi ve İşlevselleştirilmesi

Nano-zeolitler ve zeolit türevleri dahil olmak üzere zeolitler, yüksek performanslı ultrasonikasyon kullanılarak verimli ve güvenilir bir şekilde sentezlenebilir, işlevselleştirilebilir ve deagglomere edilebilir. Ultrasonik zeolit sentezi ve tedavisi, verimlilik, basitlik ve büyük üretime basit doğrusal ölçeklenebilirlik ile geleneksel hidrotermal sentezi mükemmelleştirir. Ultrasonik olarak sentezlenen zeolitler, gözeneklilik ve deagglomeration nedeniyle iyi kristallik, saflık ve yüksek derecede işlevsellik gösterir.

Zeolitlerin Ultrason Destekli Hazırlanması

Zeolitler, emici ve katalitik özelliklere sahip mikro gözenekli kristalli hidratlı alüminosilikatlardır.
Yüksek performanslı ultrason uygulaması, ultrasonik olarak sentezlenen zeolit kristallerinin boyutunu ve morfolojisini etkiler ve kristalliklerini iyileştirir. Ayrıca, kristalleşme süresi, sonokimyasal bir sentez yolu kullanılarak büyük ölçüde azaltılır. Ultrasonik destekli zeolit sentez yolları, çok sayıda zeolit türü için test edilmiş ve geliştirilmiştir. Ultrasonik zeolit sentezinin mekanizması, kristal büyüme oranının artmasına neden olan gelişmiş kütle transferine dayanır. Kristal büyüme hızındaki bu artış daha sonra çekirdeklenme oranının artmasına yol açar. Ek olarak, sonikasyon, zeolit oluşumu için gerekli olan çözünür türlerin konsantrasyonundaki bir artış yoluyla depolimerizasyon-polimerizasyon dengesini etkiler.
Genel olarak, çeşitli araştırma çalışmaları ve pilot ölçekli üretim kurulumları, ultrasonik zeolit sentezinin zamandan ve maliyetten tasarruf sağlayan yüksek verimli olduğunu kanıtlamıştır.

Zeolitlerin Konvansiyonel Sentezi ve Ultrasonik Sentezi

Zeolit geleneksel olarak nasıl sentezlenir?

Konvansiyonel zeolit sentezi, birkaç saatten birkaç güne kadar reaksiyon süreleri gerektirebilen, çok zaman alan bir hidrotermal süreçtir. Hidrotermal yol normalde zeolitlerin amorf veya çözünür Si ve Al kaynaklarından sentezlendiği bir toplu işlemdir. İlk yaşlanma aşamasında, reaktif jel bir yapı düzenleyici ajan (SDA) ile oluşur ve alüminyum ve silika kaynakları düşük sıcaklıkta yaşlandırılır. Yaşlanmanın bu ilk adımında, sözde çekirdekler oluşur. Bu çekirdekler, bir sonraki kristalleşme sürecinde zeolit kristallerinin büyüdüğü başlangıç malzemesidir. Kristalleşmenin başlamasıyla birlikte jelin sıcaklığı yükseltilir. Bu hidrotermal sentez genellikle kesikli reaktörlerde gerçekleştirilir. Bununla birlikte, toplu işlemler, emek yoğun operasyonun dezavantajıyla birlikte gelir.

Zeolit sonikasyon altında nasıl sentezlenir?

Zeolitin ultrasonik sentezi, hafif koşullar altında homojen zeolit sentezlemek için hızlı bir prosedürdür. Örneğin, 50nm zeolit kristalleri, oda sıcaklığında sonokimyasal yolla sentezlendi. Geleneksel zeolit sentez reaksiyonu a birkaç gün kadar sürebilirken, sonokimyasal yol sentez süresini birkaç saate düşürür ve böylece reaksiyon süresini önemli ölçüde azaltır.
Zeolitin ultrasonik kristalizasyonu, toplu veya sürekli işlemler olarak gerçekleştirilebilir, bu da uygulamayı çevreye ve işlem hedeflerine kolayca uyarlanabilir hale getirir. Doğrusal ölçeklenebilirlik nedeniyle, ultrasonik zeolit sentezleri, ilk parti işleminden satır içi işlemeye güvenilir bir şekilde aktarılabilir. Ultrasonik işleme – Toplu ve sıralı – üstün ekonomik verimlilik, kalite kontrol ve operasyonel esneklik sağlar.

Çeşitli Zeolit Türlerinin Sonokimyasal Sentez Yolları

Aşağıdaki bölümde, farklı zeolit türlerini sentezlemek için başarıyla kullanılan çeşitli sonokimyasal yolları tanıtıyoruz. Araştırma sonuçları sürekli olarak ultrasonik zeolit sentezinin üstünlüğünün altını çizmektedir.

Li İçeren Bikitait Zeolitin Ultrasonik Sentezi

Roy ve Das (2017), 50nm lityum içeren zeolit Bikitaite kristallerini oda sıcaklığında sentezledi. UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) Bir toplu kurulumda ultrasonikatör. Bikitait zeolitin oda sıcaklığında başarılı sonokimyasal oluşumu, XRD ve IR analizi ile başarılı bir şekilde sentezlenen lityum içeren Bikitait zeolit ile doğrulandı.
Sonokimyasal işlem konvansiyonel hidrotermal muamele ile birleştirildiğinde, zeolit kristallerinin faz oluşumu, konvansiyonel hidrotermal yol için tipik değerler olan 5 gün boyunca 300ºC'ye kıyasla çok daha düşük bir sıcaklıkta (100ºC) elde edilmiştir. Sonikasyon, kristalleşme süresi ve zeolitin faz oluşumu üzerinde önemli etkiler gösterir. Ultrasonik olarak sentezlenen Bikitait zeolitin işlevselliğini değerlendirmek için hidrojen depolama kapasitesi araştırılmıştır. Zeolitin Li içeriği arttıkça depolama hacmi artar.
Sonokimyasal zeolit oluşumu: XRD ve IR analizi, saf, nano-kristalin Bikitait zeolit oluşumunun 3 saat ultrasonikasyon ve 72 saat yaşlanmadan sonra başladığını gösterdi. Belirgin zirvelere sahip nano boyutlu kristalli Bikitaite zeolit, 250 W'ta 6 saatlik sonikasyon süresinden sonra elde edildi.
Avantaj -ları: Lityum içeren zeolit Bikitaite'in sonokimyasal sentez yolu, yalnızca saf nano kristallerin basit üretiminin avantajını sunmakla kalmaz, aynı zamanda hızlı ve uygun maliyetli bir teknik sunar. Ultrasonik ekipman ve gerekli enerji maliyetleri diğer işlemlerle karşılaştırıldığında çok düşüktür. Ayrıca, sentez işleminin süresi çok kısadır, bu nedenle sonokimyasal işlem temiz enerji uygulamaları için faydalı bir yöntem olarak kabul edilir.
(bkz. Roy ve ark. 2017)

Ultrasonikasyon altında Zeolit Mordenit Hazırlama

Ultrasonik ön işlem (MOR-U) uygulaması ile elde edilen mordenit, 10 × 5 μm2 iç içe geçmiş peletlerin daha homojen bir morfolojisini gösterdi ve iğne benzeri veya fibröz oluşum belirtisi göstermedi. Ultrason destekli prosedür, gelişmiş dokusal özelliklere, özellikle de yapıldığı gibi nitrojen molekülleri için erişilebilir olan mikro gözenek hacmine sahip bir malzeme ile sonuçlandı. Ultrasonik olarak ön işleme tabi tutulmuş mordenit durumunda, değişmiş kristal şekli ve daha homojen morfoloji gözlendi.
Özetle, mevcut çalışma, sentez jelinin ultrasonik ön işleminin, elde edilen mordenitin çeşitli özelliklerini etkilediğini ve bunun sonucunda

1. daha homojen kristal boyutu ve morfolojisi, istenmeyen lif ve iğne benzeri kristallerin olmaması;
2. daha az yapısal kusur;
3. AS-made mordenit numunesinde önemli mikro gözenek erişilebilirliği (sentetik sonrası işlemden önce klasik karıştırma yöntemiyle hazırlanan malzemelerdeki tıkalı mikro gözeneklerle karşılaştırıldığında);
4. farklı Al organizasyonu, sözde Na'nın farklı pozisyonlarına neden olur+ katyonlar (yapılan malzemelerin sorpsiyon özelliklerini etkileyen en etkili faktör).

Sentez jelinin ultrasonik ön işlemi ile yapısal kusurların azaltılması, sentetik mordenitlerde yaygın "ideal olmayan" yapı problemini çözmek için uygun bir yol olabilir. Ek olarak, bu yapıdaki daha yüksek sorpsiyon kapasitesi, sentezden önce uygulanan kolay ve verimli bir ultrasonik yöntemle, zaman ve kaynak tüketen geleneksel postsentetik tedavi olmadan (aksine, yapısal kusurların oluşmasına yol açar) elde edilebilir. Ayrıca, daha az sayıda silanol grubu, hazırlanan mordenitin daha uzun bir katalitik ömrüne katkıda bulunabilir.
(bkz. Kornas ve ark. 2021)

Solyman ve ark. (2013), Hielscher ultrasonicator kullanarak ultrasonun etkilerini inceledi UP200S Serisi H-mordite ve H-bet zeolitleri üzerinde. Sonikasyonun, zeolitleri metanolün dehidrasyonu yoluyla dimetil eter (DME) üretimi için daha uygun hale getiren H-mordit ve H-Beta modifikasyonu için etkili bir teknik olduğu sonucuna vardılar.

SAPO-34 Nanokristallerinin Ultrasonik Sentezi

Sonokimyasal yolla, SAPO-34 (silikoalüminofosfat moleküler elekler, bir zeolit sınıfı), yapı yönlendirici ajan (SDA) olarak TEAOH kullanılarak nanokristalin formunda başarıyla sentezlendi. Sonikasyon için, Hielscher prob tipi ultrasonicator UP200S (24kHz, 200 watt) kullanılmıştır. Sonokimyasal olarak hazırlanan nihai ürünün ortalama kristal boyutu 50nm'dir ve bu, hidrotermal olarak sentezlenen kristallerin boyutuna kıyasla önemli ölçüde daha küçük bir kristal boyutudur. SAPO-34 kristalleri hidrotermal koşullar altında sonokimyasal olarak olduğunda, yüzey alanı, hemen hemen aynı kristalliğe sahip statik hidrotermal teknikle geleneksel olarak sentezlenen SAPO-34 kristallerinin kristal yüzey alanından önemli ölçüde daha yüksektir. Konvansiyonel hidrotermal yöntem, tamamen kristalli SAPO-34 elde etmek için en az 24 saatlik sentez süresi alırken, sonokimyasal destekli hidrotermal sentez yoluyla sadece 1,5 saatlik reaksiyon süresinden sonra elde edilen tam kristalli SAPO-34 kristalleri elde edilir. Son derece yoğun ultrasonik enerji nedeniyle, zeolit SAPO-34 kristalleşmesi, ultrasonik kavitasyon kabarcıklarının çökmesiyle yoğunlaşır. Kavitasyon kabarcıklarının patlaması, bir nanosaniyeden daha kısa sürede meydana gelir ve yerel olarak hızla yükselen ve düşen sıcaklıklara neden olur, bu da parçacıkların organizasyonunu ve topaklanmasını önler ve daha küçük kristal boyutlarına yol açar. Küçük SONO-SAPO-34 kristallerinin sonokimyasal yöntemle hazırlanabilmesi, sentezin erken aşamalarında yüksek bir çekirdeklenme yoğunluğu ve çekirdeklenmeden sonra yavaş kristal büyümesi olduğunu düşündürmektedir. Bu sonuçlar, bu alışılmadık yöntemin, endüstriyel üretim ölçeğinde yüksek verimlerde SAPO-34 nanokristallerinin sentezi için çok yararlı bir teknik olduğunu göstermektedir.
(Bkz. Askari ve Halladj; 2012)

Zeolitlerin Ultrasonik Deagglomerasyonu ve Dispersiyonu

Zeolitler endüstriyel uygulamalarda, araştırmada veya malzeme biliminde kullanıldığında, kuru zeolit çoğunlukla sıvı bir faza karıştırılır. Zeolit dispersiyonu, zeolit partiküllerini topaktan arındırmak için yeterli enerji uygulayan güvenilir ve etkili bir dispersiyon tekniği gerektirir. Ultrasonikatörlerin güçlü ve güvenilir dağıtıcılar olduğu iyi bilinmektedir, bu nedenle nanotüpler, grafen, mineraller ve diğer birçok malzeme gibi çeşitli malzemeleri homojen bir şekilde sıvı faza dağıtmak için kullanılır.
Ultrason ile muamele edilmeyen bir zeolit tozu, kabuk benzeri morfoloji ile önemli ölçüde topaklanır. Buna karşılık, 5 dakikalık bir sonikasyon tedavisi (320 W'da sonikasyonlu 200 mL numune), kabuk benzeri şekillerin çoğunu yok ediyor gibi görünmektedir, bu da daha dağınık bir nihai toz ile sonuçlanır. (bkz. Ramirez Medoza ve ark. 2020)
Örneğin, Ramirez Medoza ve ark. (2020) Hielscher prob ultrasonicator'ı kullandı UP200S Serisi NaX zeolitini (yani sodyum formunda (NaX) sentezlenen zeolit X) düşük sıcaklıkta kristalize etmek. Kristalleşmenin ilk saatinde sonikasyon, standart bir kristalizasyon işlemine kıyasla reaksiyon süresinin% 20 azalmasına neden oldu. Ayrıca, sonikasyonun, daha uzun bir sonikasyon süresi için yüksek yoğunluklu ultrason uygulayarak nihai tozun aglomerasyon derecesini de azaltabileceğini gösterdiler.

Zeolit Sentezi için Yüksek Performanslı Ultrasonikatörler

Hielscher ultrasonicators sofistike donanım ve akıllı yazılım, güvenilir çalışma, tekrarlanabilir sonuçlar ve kullanıcı dostu garanti etmek için tasarlanmıştır. Hielscher ultrasonicators sağlam ve güvenilirdir, bu da ağır hizmet koşulları altında kurulmasına ve çalıştırılmasına izin verir. Dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı uzaktan kumandası ile erişilebilen sezgisel menü aracılığıyla çalışma ayarlarına kolayca erişilebilir ve aranabilir. Bu nedenle, net enerji, toplam enerji, genlik, zaman, basınç ve sıcaklık gibi tüm işlem koşulları otomatik olarak dahili bir SD karta kaydedilir. Bu, önceki sonikasyon çalışmalarını gözden geçirmenize ve karşılaştırmanıza ve zeolit sentezini ve dispersiyon sürecini en yüksek verime optimize etmenize olanak tanır.
Hielscher Ultrasonik sistemler kristalizasyon işlemleri için dünya çapında kullanılmaktadır ve yüksek kaliteli zeolitlerin ve zeolit türevlerinin sentezi için güvenilir olduğu kanıtlanmıştır. Hielscher endüstriyel ultrasonicators sürekli operasyonda (24/7/365) kolayca yüksek genlikler çalıştırabilir. 200μm'ye kadar genlikler, standart sonotrodlar (ultrasonik problar / boynuzlar) ile kolayca sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Sağlamlıkları ve az bakım gerektirmeleri nedeniyle, ultrasonicator'larımız genellikle ağır hizmet uygulamaları ve zorlu ortamlar için kurulur.
Sonokimyasal sentezler, kristalleşme ve deagglomeration için Hielscher ultrasonik işlemciler zaten dünya çapında ticari ölçekte kuruludur. Zeolit üretim sürecinizi görüşmek için şimdi bizimle iletişime geçin! Deneyimli personelimiz, sonokimyasal sentez yolu, ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmaktan memnuniyet duyacaktır!
Ultrasonik sentez yönteminin avantajı ile zeolit üretiminiz diğer zeolit sentez işlemlerine kıyasla verimlilik, basitlik ve düşük maliyet açısından mükemmel olacaktır!

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: