Tổng hợp và chức năng hóa Zeolites bằng cách sử dụng Sonication

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

Chuẩn bị siêu âm hỗ trợ của Zeolites

Zeolit là các aluminosilicat ngậm nước tinh thể vi xốp 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 tinh thể zeolite tổng hợp siêu âm và cải thiện độ kết tinh của chúng. Hơn nữa, thời gian kết tinh được giảm đáng kể bằng cách sử dụng con đường tổng hợp sonochemical. Các tuyến tổng hợp zeolite hỗ trợ siêu âm 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 tốc độ tăng trưởng tinh thể tăng lên. Sự gia tăng tốc độ tăng trưởng tinh thể này sau đó dẫn đến tốc độ tạo mầm tăng lên. Ngoài ra, sonication ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng khử trùng hợp thông qua sự gia tăng nồng độ của các loài hòa tan, 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 vs 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 đòi hỏi thời gian phản ứng từ vài giờ đến vài ngày. Con đường thủy nhiệt thường là một quá trình theo lô, trong đó zeolit 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 cấu tạo bởi một tác nhân định hướng cấu trúc (SDA) và các nguồn nhôm và silica được ủ ở nhiệt độ thấp. Trong bước đầu tiên của quá trình lão hóa này, cái gọi là hạt nhân được hình thành. Những hạt nhân này là nguyên liệu ban đầu mà từ đó trong quá trình kết tinh sau, các tinh thể zeolite phát triển. Với sự khởi đầu của sự kết tinh, nhiệt độ của gel được nâng lên. Quá trình tổng hợp thủy nhiệt này thường được thực hiện trong các lò phản ứng theo lô. Tuy nhiên, quy trình hàng loạt đi kèm với nhược điểm là hoạt động đòi hỏi nhiều lao động.

Làm thế nào là zeolite tổng hợp dưới sonication?

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 con đường sonochemical ở nhiệt độ phòng. Trong khi phản ứng tổng hợp zeolite thông thường a có thể mất đến vài ngày, con đường sonochemical làm giảm thời gian tổng hợp xuống còn vài giờ, do đó làm giảm đáng kể thời gian phản ứng.
Kết tinh siêu âm của zeolite có thể được thực hiện như các quá trình hàng loạt hoặc liên tục, mà làm cho các ứng dụng dễ dàng thích nghi với môi trường và quá trình mục tiêu. Do khả năng mở rộng tuyến tính, tổng hợp zeolite siêu âm có thể được chuyển đáng tin cậy từ quá trình hàng loạt ban đầu sang xử lý nội tuyến. Xử lý siêu âm – theo lô và nội tuyến – cho phép hiệu quả kinh tế vượt trội, kiểm soát chất lượng và tính linh hoạt trong hoạt động.

Các tuyến tổng hợp Sonochemical của các loại zeolite khác nhau

Trong phần sau, 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 luôn nhấn mạnh tính ưu việt của tổng hợp zeolite siêu âm.

Tổng hợp siêu âm Bikitaite Zeolite chứa Li

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 Bikitaite zeolite ở nhiệt độ phòng đã được xác nhận bằng cách tổng hợp thành công Bikitaite zeolite chứa liti 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 tinh thể zeolite đạt được ở nhiệt độ thấp hơn nhiều (100ºC) so với 300ºC trong 5 ngày, đó là các giá trị điển hình cho tuyến thủy nhiệt thông thường. Sonication cho thấy ảnh hưởng đáng kể đến thời gian kết tinh và sự hình thành pha của zeolite. Để đánh giá chức năng của Bikitaite zeolite tổng hợp siêu âm, khả năng lưu trữ hydro của nó đã được nghiên cứu. Khối lượng lưu trữ tăng lên khi tăng hàm lượng Li của zeolite.
Sự hình thành zeolite sonochemical: Phân tích XRD và IR cho thấy sự hình thành tinh khiết, tinh thể nano Bikitaite zeolite bắt đầu sau 3 giờ siêu âm và 72 giờ lão hóa. Bikitaite zeolite tinh thể có kích thước nano với các đỉnh nổi bật thu được sau thời gian sonication 6 giờ ở 250 W.
Lợi thế: Con đường tổng hợp sonochemical của zeolite chứa lithium Bikitaite không chỉ mang lại lợi thế của việc sản xuất đơn giản các tinh thể nano tinh khiết mà còn thể hiện một kỹ thuật nhanh chóng và hiệu quả về chi phí. Chi phí cho thiết bị siêu âm và năng lượng cần thiết rất thấp khi so sánh với các quy trình khác. Hơn nữa, thời gian của quá trình tổng hợp rất ngắn, do đó quá trình sonochemical được coi là một phương pháp có lợi cho các ứng dụng năng lượng sạch.
(xem Roy và cộng sự 2017)

Zeolite Mordenite Chuẩn bị dưới Ultrasonication

Mordenite thu được với ứng 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. Quy trình hỗ trợ siêu âm dẫn đến một vật liệu có đặc tính kết cấu được cải thiện, đặc biệt là thể tích micropore có thể tiếp cận được đối với các phân tử nitơ ở dạng được tạo ra. Trong trường hợp mordenite được xử lý trước siêu âm, hình dạng tinh thể thay đổi và hình thái đồng nhất hơn đã được quan sát thấy.
Tóm lại, nghiên cứu hiện tại đã chứng minh rằng tiền xử lý siêu âm 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 khiếm khuyết cấu trúc hơn;
3. khả năng tiếp cận micropore đáng kể trong mẫu mordenite được tạo ra (so sánh với các micropores bị chặn trong các vật liệu được điều chế bằng phương pháp khuấy cổ điển, trước khi xử lý sau tổng hợp);
4. tổ chức Al khác nhau, được cho là dẫn đến các vị trí khác nhau của các cation Na + (yếu tố ảnh hưởng nhất đến tính chất hấp thụ của vật liệu chế tạo).

Việc giảm các khuyết tật cấu trúc bằng cách tiền xử lý 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 hấp thụ cao hơn trong cấu trúc này có thể đạt được bằng phương pháp siêu âm dễ dàng và hiệu quả được áp dụng trước khi tổng hợp, mà không cần điều trị hậu tổng hợp truyền thống tốn thời gian và tài nguyên (ngược lại, dẫn đến việc tạo ra các khuyết tật cấu trúc). Hơn nữa, số lượng 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) đã nghiên cứu ảnh hưởng của siêu âm bằng cách sử dụng máy siêu âm Hielscher UP200S trên zeolit H-mordite và H-bet. Họ đã đi đến kết luận rằng sonication là một kỹ thuật hiệu quả để sửa đổi H-mordite và H-Beta, làm cho zeolit thích hợp hơn cho việc sản xuất dimethyl ether (DME) thông qua mất nước metanol.

Tổng hợp siêu âm tinh thể nano SAPO-34

Thông qua con đường sonochemical, SAPO-34 (sàng phân tử silicoaluminophosphate, một lớp zeolit) đã được tổng hợp thành công ở dạng nanocrstalline bằng cách sử dụng TEAOH làm chất định hướng 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 điều chế sonochemical là 50nm, đó là kích thước tinh thể nhỏ hơn đáng kể khi so sánh với kích thước của tinh thể tổng hợp thủy nhiệt. Khi tinh thể SAPO-34 được sonochemical hóa học trong điều kiện thủy nhiệt, diện tích bề mặt cao hơn đáng kể so với diện tích bề mặt tinh thể của 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 giờ thời gian tổng hợp để thu được SAPO-34 kết tinh hoàn toàn, thông qua tổng hợp thủy nhiệt hỗ trợ sonochemical, tinh thể SAPO-34 hoàn toàn tinh thể thu được chỉ sau thời gian phản ứng 1,5 giờ. Do năng lượng siêu âm rất mạnh, kết tinh zeolite SAPO-34 được tăng cường bởi sự sụp đổ của bong bóng cavitation siêu âm. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực xảy ra trong vòng chưa đầy một nano giây dẫn đến nhiệt độ tăng và giảm cục bộ, ngăn cản sự tổ chức và kết tụ của 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 tạo mầm cao trong giai đoạn đầu tổng hợp và tăng trưởng tinh thể chậm sau khi tạo mầm. Những kết quả này cho thấy phương pháp độc đáo này là một kỹ thuật rất hữu ích để tổng hợp tinh thể nano 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 zeolit 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. Sự phân tán zeolite đòi hỏi một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả, áp dụng đủ năng lượng để khử kết tụ các hạt zeolite. Ultrasonicators nổi tiếng 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 vào 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, xử lý sonication 5 phút (mẫu 200 mL âm thanh ở 320 W) dường như phá hủy hầu hết các hình dạng giống như vỏ, dẫn đến bột cuối cùng phân tán hơn. (xem Ramirez Medoza và cộng sự 2020)
Ví dụ, Ramirez Medoza et al. (2020) đã sử dụng máy siêu âm đầu dò Hielscher UP200S để kết tinh NaX zeolit (tức là zeolit X 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 trong một thời gian sonication dài hơn.

Ultrasonicators hiệu suất cao cho tổng hợp Zeolite

Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của Hielscher ultrasonicators được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, kết quả tái tạo cũng như thân thiện với người dùng. Các 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 hoạt động sonication trước đó và để tối ưu hóa quá trình tổng hợp và phân tán zeolite để có hiệu quả cao nhất.
Hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới cho quá trình kết tinh và được chứng minh là đáng tin cậy cho việc tổng hợp zeolit chất lượng cao và dẫn xuất zeolite. Hielscher ultrasonicators công nghiệp 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 cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Do sự mạnh mẽ và bảo trì thấp, ultrasonicators của chúng tôi thường được cài đặt cho các ứng dụng nặng 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 vui mừng 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 cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: