Синтез та функціоналізація цеолітів за допомогою ультразвукового апарату

Цеоліти, включаючи наноцеоліти та похідні цеоліту, можуть бути ефективно та надійно синтезовані, функціоналізовані та деагломеровані за допомогою високоефективної ультразвукової обробки. Синтез і обробка ультразвуковим цеолітом перевершує звичайний гідротермальний синтез за ефективністю, простотою і простою лінійною масштабованістю для великого виробництва. Ультразвуково синтезовані цеоліти показують хорошу кристалічність, чистоту, а також високий ступінь функціональності за рахунок пористості і деагломерації.

Ультразвукове препарування цеолітів

Цеоліти - це мікропористі кристалічно гідратовані алюмосилікати з абсорбуючими і каталітичними властивостями.
Застосування високоефективного ультразвуку впливає на розмір і морфологію кристалів цеоліту, синтезованих ультразвуковим шляхом, і покращує їх кристалічність. Крім того, час кристалізації різко скорочується при використанні сонохімічного шляху синтезу. Маршрути синтезу цеоліту за допомогою ультразвуку були випробувані та розроблені для багатьох типів цеолітів. Механізм синтезу ультразвукового цеоліту заснований на поліпшеному масообміні, в результаті чого збільшується швидкість росту кристалів. Це збільшення швидкості росту кристалів згодом призводить до збільшення швидкості зародження. Крім того, ультразвук впливає на рівновагу деполімеризації-полімеризації за рахунок збільшення концентрації розчинних видів, які потрібні для утворення цеоліту.
В цілому, різні дослідження і пілотні виробничі установки довели, що синтез ультразвукового цеоліту є високоефективним, економлячи час і кошти.

Звичайний синтез vs ультразвуковий синтез цеолітів

Як синтезують цеоліт умовно?

Синтез звичайного цеоліту – це дуже трудомісткий гідротермальний процес, який може вимагати часу реакції від декількох годин до декількох діб. Гідротермальний шлях зазвичай є пакетним процесом, де цеоліти синтезуються з аморфних або розчинних джерел Si та Al. На початковій стадії старіння реактивний гель складається з агента, що спрямовує структуру (SDA), а джерела алюмінію та кремнезему витримуються при низькій температурі. На цьому першому етапі старіння утворюються так звані ядра. Ці ядра є вихідною речовиною, з якої в подальшому процесі кристалізації виростають кристали цеоліту. З початком кристалізації температура гелю підвищується. Цей гідротермальний синтез зазвичай здійснюється в реакторах періодичної дії. Однак пакетні процеси супроводжуються недоліком трудомісткості роботи.

Як синтезується цеоліт при ультразвуковому дослідженні?

Ультразвуковий синтез цеоліту – це швидка процедура синтезу однорідного цеоліту в м'яких умовах. Наприклад, 50-нм кристали цеоліту були синтезовані сонохімічним шляхом при кімнатній температурі. У той час як звичайна реакція синтезу цеоліту може зайняти до декількох днів, сонохімічний шлях скорочує тривалість синтезу до декількох годин, тим самим значно скорочуючи час реакції.
Ультразвукова кристалізація цеоліту може проводитися у вигляді періодичних або безперервних процесів, що робить застосування легко адаптованим до навколишнього середовища та цілей процесу. Завдяки лінійній масштабованості синтези ультразвукових цеолітів можуть бути надійно переведені від початкового пакетного процесу до вбудованої обробки. Ультразвукова обробка – Серійні та потокові – Це забезпечує чудову економічну ефективність, контроль якості та операційну гнучкість.

Мікрофотографія літійвмісного бікітаїтового цеоліту, отримана шляхом (а) ультразвукового дослідження протягом 3 год, (б) відповідного EDAX, (в) ультразвуку з подальшою гідротермічною обробкою при 100 ° C протягом 24 год, (г) відповідного EDAX.
(етюд і картина Роя і Даса, 2017)

Шляхи сонохімічного синтезу різних типів цеолітів

У наступному розділі ми представимо різні сонохімічні шляхи, які були успішно використані для синтезу різних типів цеолітів. Результати досліджень незмінно підкреслюють перевагу синтезу ультразвукового цеоліту.

Ультразвуковий синтез Li-вмісного бікітаite-цеоліту

Roy and Das (2017) синтезували 50-нм кристали літійвмісного цеоліту Бікітаїт при кімнатній температурі за допомогою UIP1500HDT (20 кГц, 1,5 кВт) Ультразвуковий апарат в пакетній установці. Успішне сонохімічне утворення бікітаїтового цеоліту при кімнатній температурі було підтверджено успішно синтезованим літійвмісним цеолітом бікітаїту методом рентгено- та інфрачервоного аналізу.
При поєднанні сонохімічної обробки зі звичайною гідротермічною обробкою фазоутворення кристалів цеоліту досягалося при значно нижчій температурі (100ºC) в порівнянні з 300ºC протягом 5 діб, що є типовими значеннями для звичайного гідротермального маршруту. Ультразвук показує значний вплив на час кристалізації та фазоутворення цеоліту. З метою оцінки функціональності ультразвуково синтезованого бікітаїтового цеоліту було досліджено його ємність зберігання водню. Обсяг сховища збільшується зі збільшенням вмісту Li в цеоліті.
Сонохімічне утворення цеоліту: Рентгенографічне та ІЧ-випромінювання показало, що утворення чистого нанокристалічного бікітаїтового цеоліту почалося після 3 год ультразвукового дослідження та 72 год старіння. Нанорозмірний кристалічний бікітаїтовий цеоліт з видатними піками був отриманий після 6 год ультразвукового дослідження при 250 Вт.
Переваги: Маршрут сонохімічного синтезу літійвмісного цеоліту Бікітаїт пропонує не тільки перевагу простого виробництва чистих нанокристалів, але й представляє швидку та економічно ефективну методику. Витрати на ультразвукове обладнання та необхідну енергію дуже низькі, якщо порівнювати з іншими процесами. Крім того, тривалість процесу синтезу дуже коротка, тому сонохімічний процес розглядається як сприятливий метод для застосування чистої енергії.
(пор. Рой та ін. 2017)

Цеоліт-морденітовий препарат під ультразвуковим дослідженням

Морденіт, отриманий за допомогою ультразвукової попередньої обробки (MOR-U), показав більш однорідну морфологію зрощених гранул 10 × 5 мкм2 і не мав ознак голчастих або волокнистих утворень. Результатом процедури за допомогою ультразвуку став матеріал з поліпшеними текстурними характеристиками, зокрема, об'ємом мікропор, доступним для молекул азоту в готовому вигляді. У разі попередньої ультразвукової обробки морденіту спостерігалася змінена форма кристалів і більш однорідна морфологія.
Таким чином, поточне дослідження продемонструвало, що ультразвукова попередня обробка синтез-гелю впливала на різні властивості отриманого морденіту, в результаті чого

1. більш однорідний розмір і морфологія кристалів, відсутність небажаних волокнистих і голчастих кристалів;
2. менша кількість дефектів конструкції;
3. значна доступність мікропор у зразку морденіту (порівняно з заблокованими мікропорами в матеріалах, приготованих класичним методом перемішування, перед постсинтетичною обробкою);
4. різна організація Al, що імовірно призводить до різного положення катіонів Na+ (найвпливовіший фактор, що впливає на сорбційні властивості матеріалів, що виготовляються).

Зменшення структурних дефектів шляхом ультразвукової попередньої обробки синтез-гелю може бути можливим способом вирішення поширеної проблеми «неідеальної» структури синтетичних морденітів. Крім того, більш висока сорбційна ємність в цій структурі може бути досягнута простим і ефективним ультразвуковим методом, застосованим перед синтезом, без трудомісткої і ресурсозатратної традиційної постсинтетичної обробки (яка, навпаки, призводить до утворення структурних дефектів). Крім того, менша кількість силанольних груп може сприяти більш тривалому каталітичному терміну служби приготованого морденіту.
(пор. Корнас та ін., 2021)

Ультразвуковий синтез нанокристалів САПО-34

За допомогою сонохімічного шляху було успішно синтезовано SAPO-34 (молекулярні сита силікоалюмініфосфату, клас цеолітів) у нанокрсталінній формі з використанням TEAOH як агента спрямування структури (SDA). Для ультразвукового дослідження використовується ультразвуковий апарат зондового типу Hielscher UP200S (24 кГц, 200 Вт) було використано. Середній розмір кристалів кінцевого продукту, приготованого сонохімічним шляхом, становить 50 нм, що є значно меншим розміром кристалів у порівнянні з розміром кристалів гідравлічного синтезу. Коли кристали САПО-34 перебували сонохимично в гідротермічних умовах, площа поверхні значно перевищувала площу кристалічної поверхні традиційно синтезованих кристалів САПО-34 статичною гідротермальною технікою з майже такою ж кристалічністю. У той час як традиційний гідротермальний метод вимагає не менше 24 годин часу синтезу для отримання повністю кристалічного SAPO-34, за допомогою гідротермального синтезу за допомогою сонохімії повністю кристалічні кристали SAPO-34 виходять лише через 1,5 години часу реакції. За рахунок високоінтенсивної ультразвукової енергії кристалізація цеоліту САПО-34 посилюється за рахунок руйнування ультразвукових кавітаційних бульбашок. Імплозія кавітаційних бульбашок відбувається менш ніж за наносекунду, що локально призводить до швидкого підвищення та зниження температури, що перешкоджає організації та агломерації частинок і призводить до менших розмірів кристалів. Той факт, що малі кристали SONO-SAPO-34 можуть бути отримані сонохімічним методом, свідчить про високу щільність зародження на ранніх стадіях синтезу та повільне зростання кристалів після зародження. Ці результати свідчать про те, що цей нетрадиційний метод є дуже корисним методом для синтезу нанокристалів SAPO-34 з високим виходом у промислових масштабах виробництва.
(пор. Аскарі та Халладж; 2012)

Ультразвукова деагломерація і диспергування цеолітів

Коли цеоліти використовуються в промислових цілях, дослідженнях або матеріалознавстві, сухий цеоліт в основному змішується в рідку фазу. Диспергування цеоліту вимагає надійної та ефективної техніки диспергування, яка застосовує достатньо енергії для деагломерації частинок цеоліту. Ультразвукові апарати добре відомі як потужні та надійні диспергатори, тому використовуються для однорідного диспергування різних матеріалів, таких як нанотрубки, графен, мінерали та багато інших матеріалів у рідку фазу.
Цеолітний порошок, не оброблений ультразвуком, значно агломерований з морфологією, схожою на оболонку. На противагу цьому, ультразвукова процедура тривалістю 5 хв (зразок об'ємом 200 мл при ультразвуковому дослідженні при 320 Вт), здається, руйнує більшість форм, схожих на оболонку, що призводить до більш дисперсного кінцевого порошку. (пор. Рамірес Медоза та ін. 2020)
Наприклад, Ramirez Medoza et al. (2020) використовували ультразвуковий датчик Hielscher UP200S для кристалізації NaX цеоліту (тобто цеоліту X, синтезованого в натрієвій формі (NaX)) при низькій температурі. Ультразвукове дослідження протягом першої години кристалізації призвело до скорочення часу реакції на 20% в порівнянні зі стандартним процесом кристалізації. Крім того, вони продемонстрували, що ультразвукове дослідження також може знизити ступінь агломераційності кінцевого порошку за рахунок застосування високоінтенсивного ультразвуку для більш тривалого періоду ультразвуку.

Високопродуктивні ультразвукові апарати для синтезу цеоліту

Складне апаратне забезпечення та інтелектуальне програмне забезпечення ультразвукових приладів Hielscher розроблені таким чином, щоб гарантувати надійну роботу, відтворювані результати, а також зручність для користувача. Ультразвукові апарати Hielscher міцні та надійні, що дозволяє встановлювати та експлуатувати їх у важких умовах експлуатації. Доступ до робочих налаштувань можна легко отримати та набрати за допомогою інтуїтивно зрозумілого меню, доступ до якого можна отримати за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузером. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, загальна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглянути та порівняти попередні прогони ультразвукового випромінювання та оптимізувати процес синтезу та диспергування цеоліту з максимальною ефективністю.
Ультразвукові системи Hielscher використовуються в усьому світі для процесів кристалізації і довели свою надійність для синтезу високоякісних цеолітів і похідних цеоліту. Промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть легко працювати з високими амплітудами в безперервній роботі (24/7/365). Амплітуди до 200 мкм можуть бути легко безперервно генеровані за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукових зондів / ріжків). Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй надійності та невибагливому обслуговуванню наші ультразвукові пристрої зазвичай встановлюються для важких умов експлуатації та в складних умовах.
Ультразвукові процесори Hielscher для сонохімічних синтезів, кристалізації та деагломерації вже встановлені у всьому світі в промислових масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити процес виробництва цеоліту! Наш досвідчений персонал буде радий поділитися додатковою інформацією про шлях сонохімічного синтезу, ультразвукові системи та ціни!
Завдяки перевагам ультразвукового методу синтезу ваше виробництво цеоліту відрізнятиметься ефективністю, простотою та низькою вартістю порівняно з іншими процесами синтезу цеоліту!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: