Zeolites bao gồm nano-zeolites và dẫn xuất zeolite có thể được tổng hợp hiệu quả và đáng tin cậy, functionalized và deagglomerated bằng cách sử dụng ultrasonication hiệu suất cao. Siêu âm zeolite tổng hợp và điều trị vượt trội tổng hợp thủy nhiệt thông thường bằng cách hiệu quả, đơn giản, và khả năng mở rộng tuyến tính đơn giản để sản xuất lớn. Ultrasonically tổng hợp zeolites cho thấy độ kết tinh tốt, độ tinh khiết cũng như một cấp cao của chức năng do độ xốp và deagglomeration.

Chuẩn bị siêu âm hỗ trợ của Zeolites

Zeolites là aluminosilicates ngậm nước tinh thể vi mô với đặc tính hấp thụ và xúc tác.
Việc áp dụng siêu âm hiệu suất cao ảnh hưởng đến kích thước và hình thái của các tinh thể zeolite tổng hợp ultrasonically và cải thiện độ tinh thể của chúng. Hơn nữa, thời gian kết tinh được giảm đáng kể bằng cách sử dụng một tuyến đường tổng hợp sonochemical. Ultrasonically hỗ trợ zeolite tổng hợp tuyến đường đã được thử nghiệm và phát triển cho nhiều loại zeolite. Cơ chế tổng hợp zeolite siêu âm dựa trên việc chuyển khối lượng được cải thiện dẫn đến tăng tốc độ tăng trưởng tinh thể. Sự gia tăng tốc độ tăng trưởng tinh thể này sau đó dẫn đến tốc độ tạo hạt nhân tăng lên. Ngoài ra, sonication ảnh hưởng đến cân bằng depolymerization-trùng hợp thông qua sự gia tăng nồng độ của các loài hòa tan, đó là cần thiết cho sự hình thành zeolite.
Nhìn chung, các nghiên cứu khác nhau và thiết lập sản xuất quy mô thí điểm đã chứng minh tổng hợp zeolite siêu âm là hiệu quả cao tiết kiệm thời gian và chi phí.

Tổng hợp thông thường so với tổng hợp siêu âm của Zeolites

Zeolite được tổng hợp thông thường như thế nào?

Tổng hợp zeolite thông thường là một quá trình thủy nhiệt rất tốn thời gian, có thể yêu cầu thời gian phản ứng từ vài giờ đến vài ngày. Tuyến thủy nhiệt thường là một quá trình hàng loạt, trong đó zeoit được tổng hợp từ các nguồn Si và Al vô định hình hoặc hòa tan. Trong giai đoạn lão hóa ban đầu, gel phản ứng được bao gồm bởi một tác nhân chỉ đạo cấu trúc (SDA) và các nguồn nhôm và silica được ủ ở nhiệt độ thấp. Trong bước lão hóa đầu tiên này, cái gọi là hạt nhân được hình thành. Các hạt nhân này là vật liệu khởi đầu mà từ đó trong quá trình kết tinh sau đây, các tinh thể zeolite phát triển. Với sự khởi đầu của sự kết tinh, nhiệt độ của gel được nâng lên. Tổng hợp thủy nhiệt này thường được thực hiện trong các lò phản ứng hàng loạt. Tuy nhiên, các quy trình hàng loạt đi kèm với nhược điểm của hoạt động lao động mạnh mẽ.

Zeolite được tổng hợp dưới sonication như thế nào?

Tổng hợp siêu âm zeolite là thủ tục nhanh chóng để tổng hợp zeolite đồng nhất trong điều kiện nhẹ. Ví dụ, các tinh thể zeolite 50nm được tổng hợp thông qua tuyến sonochemical ở nhiệt độ phòng. Trong khi phản ứng tổng hợp zeolite thông thường a có thể mất đến vài ngày, tuyến sonochemical làm giảm thời gian tổng hợp đến một vài giờ, do đó làm giảm đáng kể thời gian phản ứng.
Siêu âm kết tinh của zeolite có thể được thực hiện như quá trình hàng loạt hoặc liên tục, mà làm cho các ứng dụng dễ dàng thích nghi với môi trường và mục tiêu quá trình. Do khả năng mở rộng tuyến tính, siêu âm zeolite syntheses có thể được chuyển đáng tin cậy từ quá trình hàng loạt ban đầu để xử lý nội tuyến. Xử lý siêu âm – theo lô và trực tuyến – cho phép hiệu quả kinh tế vượt trội, kiểm soát chất lượng và tính linh hoạt trong hoạt động.

Đường tổng hợp Sonochemical của các loại Zeolite khác nhau

Trong phần sau đây, chúng tôi giới thiệu các con đường sonochemical khác nhau, đã được sử dụng thành công để tổng hợp các loại zeolite khác nhau. Kết quả nghiên cứu liên tục nhấn mạnh sự vượt trội của tổng hợp zeolite siêu âm.

Tổng hợp siêu âm của Li-chứa Bikitaite Zeolite

Roy và Das (2017) đã tổng hợp các tinh thể zeolite Bikitaite chứa lithium 50nm ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng UIP1500hdT (20kHz, 1.5kW) ultrasonicator trong một thiết lập hàng loạt. Sự hình thành sonochemical thành công của zeolite Bikitaite ở nhiệt độ phòng đã được xác nhận bằng cách tổng hợp thành công bikitaite zeolite chứa lithium bằng phân tích XRD và IR.
Khi xử lý sonochemical được kết hợp với xử lý thủy nhiệt thông thường, sự hình thành pha của các tinh thể zeolite đã đạt được ở nhiệt độ thấp hơn nhiều (100ºC) so với 300ºC trong 5 ngày, đó là những giá trị điển hình cho tuyến thủy nhiệt thông thường. Sonication cho thấy tác động đáng kể về thời gian kết tinh và hình thành pha của zeolite. Để đánh giá chức năng của ultrasonically tổng hợp Bikitaite zeolite, khả năng lưu trữ hydro của nó đã được điều tra. Khối lượng lưu trữ tăng lên với hàm lượng Li tăng của zeolite.
Thành tạo zeolite sonochemical: Phân tích XRD và IR cho thấy sự hình thành của tinh khiết, tinh thể nano Bikitaite zeolite bắt đầu sau 3 h ultrasonication và 72 h lão hóa. Chất kết tinh có kích thước nano Bikitaite zeolite với các đỉnh nổi bật đã thu được sau 6 h thời gian sonication ở 250 W.
Ưu điểm: Con đường tổng hợp sonochemical của zeolite Bikitaite chứa lithium không chỉ cung cấp lợi thế của việc sản xuất đơn giản các tinh thể nano tinh khiết, mà còn trình bày một kỹ thuật nhanh chóng và hiệu quả về chi phí. Chi phí cho thiết bị siêu âm và năng lượng cần thiết là rất thấp khi so sánh với các quá trình khác. Hơn nữa, thời gian của quá trình tổng hợp là rất ngắn, do đó quá trình sonochemical được coi là một phương pháp có lợi cho các ứng dụng năng lượng sạch.
(xem Roy et al. 2017)

Zeolite Mordenite chuẩn bị dưới Ultrasonication

Mordenite thu được với việc áp dụng tiền xử lý siêu âm (MOR-U) cho thấy hình thái đồng nhất hơn của các viên xen kẽ 10 × 5 μm2 và không có dấu hiệu hình thành giống như kim hoặc sợi. Thủ tục hỗ trợ siêu âm dẫn đến một vật liệu có đặc tính văn bản được cải thiện, đặc biệt, thể tích micropore có thể truy cập cho các phân tử nitơ ở dạng như được tạo ra. Trong trường hợp của ultrasonically-pretreated mordenite, thay đổi hình dạng tinh thể và hình thái đồng nhất hơn đã được quan sát.
Tóm lại, nghiên cứu hiện tại đã chứng minh rằng tiền xử lý siêu âm của gel tổng hợp ảnh hưởng đến các tính chất khác nhau của mordenite thu được, dẫn đến

1. kích thước và hình thái tinh thể đồng nhất hơn, không có tinh thể giống như sợi và kim không mong muốn;
2. ít khuyết tật cấu trúc hơn;
3. khả năng tiếp cận micropore đáng kể trong mẫu mordenite được tạo ra (so với các micropore bị chặn trong các vật liệu được chuẩn bị bằng phương pháp khuấy cổ điển, trước khi điều trị sau tổng hợp);
4. tổ chức Al khác nhau, được cho là dẫn đến các vị trí khác nhau của ations Na + (yếu tố ảnh hưởng nhất đến tính chất sorption của các vật liệu as-made).

Việc giảm các khuyết tật cấu trúc bằng cách xử lý trước siêu âm của gel tổng hợp có thể là một cách khả thi để giải quyết vấn đề phổ biến của cấu trúc "không lý tưởng" trong mordenites tổng hợp. Ngoài ra, khả năng sorption cao hơn trong cấu trúc này có thể đạt được bằng một phương pháp siêu âm dễ dàng và hiệu quả được áp dụng trước khi tổng hợp, mà không cần điều trị sau sinh truyền thống tốn thời gian và tài nguyên (ngược lại, dẫn đến việc tạo ra các khiếm khuyết cấu trúc). Hơn nữa, số lượng các nhóm silanol thấp hơn có thể góp phần vào tuổi thọ xúc tác lâu hơn của mordenite đã chuẩn bị.
(xem Kornas và cộng sự 2021)

Solyman et al. (2013) nghiên cứu tác dụng của siêu âm bằng cách sử dụng Ultrasonicator Hielscher UP200S trên zeolites H-mordite và H-bet. Họ đi đến kết luận rằng sonication là một kỹ thuật hiệu quả cho H-mordite và H-Beta sửa đổi, mà làm cho zeolites thích hợp hơn cho việc sản xuất dimethyl ether (DME) thông qua mất nước của methanol.

Tổng hợp siêu âm của SAPO-34 Nanocrystals

Thông qua tuyến sonochemical, SAPO-34 (sàng phân tử silicoaluminophosphate, một lớp zeoit) đã được tổng hợp thành công ở dạng nanocrstalline sử dụng TEAOH làm tác nhân chỉ đạo cấu trúc (SDA). Đối với sonication, ultrasonicator loại đầu dò Hielscher UP200S (24kHz, 200 watt) đã được sử dụng. Kích thước tinh thể trung bình của sản phẩm cuối cùng được chuẩn bị sonochemically là 50nm, đây là kích thước tinh thể nhỏ hơn đáng kể khi so sánh với kích thước của các tinh thể tổng hợp thủy nhiệt. Khi các tinh thể SAPO-34 được sonochemically trong điều kiện thủy nhiệt, diện tích bề mặt cao hơn đáng kể so với diện tích bề mặt tinh thể của các tinh thể SAPO-34 được tổng hợp thông thường thông qua kỹ thuật thủy nhiệt tĩnh với độ kết tinh gần như tương tự. Trong khi phương pháp thủy nhiệt thông thường mất ít nhất 24 h thời gian tổng hợp để có được SAPO-34 hoàn toàn tinh thể, thông qua tổng hợp thủy nhiệt được hỗ trợ sonochemically hoàn toàn tinh thể SAPO-34 werde thu được chỉ sau thời gian phản ứng 1,5 h. Do năng lượng siêu âm cường độ cao, kết tinh zeolite SAPO-34 được tăng cường bởi sự sụp đổ của bong bóng cavitation siêu âm. Sự nổ của bong bóng cavitation xảy ra trong ít hơn một nano giây dẫn đến cục bộ trong nhiệt độ tăng và giảm nhanh chóng, ngăn chặn tổ chức và kết tụ các hạt và dẫn đến kích thước tinh thể nhỏ hơn. Thực tế là các tinh thể SONO-SAPO-34 nhỏ có thể được điều chế bằng phương pháp sonochemical cho thấy mật độ hạt nhân cao trong giai đoạn đầu tổng hợp và tăng trưởng tinh thể chậm sau khi tạo hạt nhân. Những kết quả này cho thấy phương pháp độc đáo này là một kỹ thuật rất hữu ích để tổng hợp các nanocrystals SAPO-34 với năng suất cao ở quy mô sản xuất công nghiệp.
(xem Askari và Halladj; 2012)

Siêu âm Deagglomeration và phân tán của Zeolites

Khi zeoit được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, nghiên cứu hoặc khoa học vật liệu, zeolite khô chủ yếu được trộn vào pha lỏng. Zeolite phân tán đòi hỏi một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả, áp dụng đủ năng lượng để deagglomerate các hạt zeolite. Ultrasonicators được biết đến là chất phân tán mạnh mẽ và đáng tin cậy, do đó được sử dụng để phân tán các vật liệu khác nhau như ống nano, Graphene, khoáng chất và nhiều vật liệu khác đồng nhất thành một pha lỏng.
Một loại bột zeolite không được điều trị bằng siêu âm được kết tụ đáng kể với hình thái giống như vỏ. Ngược lại, một điều trị sonication của 5 phút (200 mL mẫu sonicated tại 320 W) dường như phá hủy hầu hết các hình dạng giống như vỏ, mà kết quả là một bột cuối cùng phân tán hơn. (xem Ramirez Medoza và cộng sự 2020)
Ví dụ, Ramirez Medoza et al. (2020) đã sử dụng ultrasonicator đầu dò Hielscher UP200S để kết tinh zeolite NaX (tức là zeolite X được tổng hợp ở dạng natri (NaX)) ở nhiệt độ thấp. Sonication trong giờ đầu tiên kết tinh dẫn đến giảm 20% thời gian phản ứng so với quá trình kết tinh tiêu chuẩn. Hơn nữa, họ đã chứng minh rằng sonication cũng có thể làm giảm mức độ kết tụ của bột cuối cùng bằng cách áp dụng siêu âm cường độ cao cho một thời gian sonication dài hơn.

Ultrasonicators hiệu suất cao cho tổng hợp Zeolite

Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của Ultrasonicators Hielscher được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, kết quả tái sản xuất cũng như thân thiện với người dùng. Ultrasonicators Hielscher là mạnh mẽ và đáng tin cậy, cho phép được cài đặt và hoạt động trong điều kiện nhiệm vụ nặng nề. Cài đặt hoạt động có thể dễ dàng truy cập và quay số thông qua menu trực quan, có thể được truy cập thông qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và điều khiển từ xa của trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng ròng, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn sửa đổi và so sánh các lần chạy sonication trước đó và tối ưu hóa quá trình tổng hợp và phân tán zeolite để đạt hiệu quả cao nhất.
Hệ thống Ultrasonics Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới cho các quá trình kết tinh và được chứng minh là đáng tin cậy để tổng hợp các dẫn xuất zeolites và zeolite chất lượng cao. Ultrasonicators công nghiệp Hielscher có thể dễ dàng chạy biên độ cao trong hoạt động liên tục (24/7/365). Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng được tạo ra liên tục với sonotrodes tiêu chuẩn (đầu dò siêu âm / sừng). Đối với biên độ thậm chí cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Do sự mạnh mẽ và bảo trì thấp của họ, ultrasonicators của chúng tôi thường được cài đặt cho các ứng dụng nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.
Bộ vi xử lý siêu âm Hielscher cho tổng hợp sonochemical, kết tinh và deagglomeration đã được cài đặt trên toàn thế giới trên quy mô thương mại. Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để thảo luận về quy trình sản xuất zeolite của bạn! Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ rất vui khi chia sẻ thêm thông tin về con đường tổng hợp sonochemical, hệ thống siêu âm và giá cả!
Với ưu điểm của phương pháp tổng hợp siêu âm, sản xuất zeolite của bạn sẽ vượt trội về hiệu quả, đơn giản và chi phí thấp khi so sánh với các quá trình tổng hợp zeolite khác!

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: