Sonication kullanarak Zeolitlerin Sentezi ve İşlevselleştirilmesi
Nano-zeolitler ve zeolit türevleri içeren zeolitler, yüksek performanslı ultrasonication kullanılarak verimli ve güvenilir bir şekilde sentezlenebilir, işlevsel hale getirilebilir ve deagglomerated olabilir. Ultrasonik zeolit sentezi ve tedavisi, verimlilik, basitlik ve büyük üretime basit doğrusal ölçeklenebilirlik ile geleneksel hidrotermal sentezi üstündür. Ultrasonik sentezlenmiş zeolitler iyi kristallik, saflık yanı sıra gözeneklilik ve deagglomeration nedeniyle yüksek işlevsellik derecesi gösterir.
Zeolitlerin Ultrason Destekli Hazırlanması
Zeolitler emici ve katalitik özelliklere sahip mikro gözenekli kristal hidratlı alüminasilatlardır.
Yüksek performanslı ultrason uygulaması ultrasonik sentezlenmiş zeolit kristallerinin boyutunu ve morfolojisini etkiler ve kristalliklerini geliştirir. Ayrıca, kristalleşme süresi sonokimyasal bir sentez yolu kullanılarak büyük ölçüde azalır. Ultrasonik destekli zeolit sentez yolları çok sayıda zeolit tipi için test edilmiş ve geliştirilmiştir. Ultrasonik zeolit sentez mekanizması, artan kristal büyüme hızı ile sonuçlanan geliştirilmiş kütle transferine dayanmaktadır. Kristal büyüme hızındaki bu artış daha sonra çekirdeklenme oranının artmasına neden oldu. Ek olarak, sonication, zeolit oluşumu için gerekli olan çözünür türlerin konsantrasyonundaki bir artışla depolimerizasyon-polimerizasyon dengesini etkiler.
Genel olarak, çeşitli araştırma çalışmaları ve pilot ölçekli üretim kurulumları ultrasonik zeolit sentezini yüksek verimli zaman ve maliyet tasarrufu olarak kanıtlamıştır.
Geleneksel Sentez vs Zeolitlerin Ultrasonik Sentezi
Zeolit geleneksel olarak nasıl sentez edilir?
Geleneksel zeolit sentezi, birkaç saatten birkaç güne kadar reaksiyon süreleri gerektirebilen çok zaman alan bir hidrotermal süreçtir. Hidrotermal rota normalde zeolitlerin amorf veya çözünür Si ve Al kaynaklarından sentezlendiği bir toplu işlemdir. İlk yaşlanma aşamasında, reaktif jel bir yapı yönlendirici madde (SDA) tarafından oluşur ve alüminyum ve silika kaynakları düşük sıcaklıkta yaşlanır. Yaşlanmanın bu ilk adımı sırasında çekirdek olarak adlandırılır. Bu çekirdekler, aşağıdaki kristalleşme sürecinde zeolit kristallerinin büyüdüğü başlangıç malzemesidir. Kristalleşmenin başlatılmasıyla, jelin sıcaklığı yükseltilir. Bu hidrotermal sentez genellikle parti reaktörlerinde gerçekleştirilir. Bununla birlikte, toplu işlemler emek yoğun çalışmanın dezavantajı ile birlikte gelir.
Zeolit sonikasyon altında nasıl sentezleniyor?
Zeolit ultrasonik sentezi hafif koşullar altında homojen zeolit sentezlemek için hızlı prosedürdür. Örneğin, 50nm zeolit kristalleri oda sıcaklığında sonokimyasal rota ile sentezlendi. Konvansiyonel zeolit sentez reaksiyonu birkaç güne kadar sürebilirken, sonokimyasal yol sentez süresini birkaç saate indirir, böylece reaksiyon süresini önemli ölçüde azaltır.
Zeolit ultrasonik kristalizasyon toplu veya sürekli süreçler olarak gerçekleştirilebilir, bu da uygulamayı çevreye ve süreç hedeflerine kolayca uyarlanabilir hale getirir. Doğrusal ölçeklenebilirlik nedeniyle, ultrasonik zeolit sentezleri ilk toplu işlemden satır içi işleme güvenilir bir şekilde aktarılabilir. Ultrasonik işleme – toplu ve satır içi – üstün ekonomik verimlilik, kalite kontrol ve operasyonel esneklik sağlar.
- Önemli ölçüde hızlandırılmış kristalizasyon
- Artan çekirdeklenme
- Saf zeolit
- Homojen morfoloji
- Son derece fonksiyonel zeolit (mikroporosite)
- Düşük sıcaklık (örneğin oda sıcaklığı)
- Artan reaksiyon kinetiği
- Deagglomerated kristaller
- Toplu iş veya Satır İçi işlem
- Üstün maliyet verimliliği
Çeşitli Zeolit Türlerinin Sonokimyasal Sentez Yolları
Aşağıdaki bölümde, farklı zeolit türlerini sentezlemek için başarıyla kullanılan çeşitli sonokimyasal yolları tanıtıyoruz. Araştırma sonuçları ultrasonik zeolit sentezinin üstünlüğünün sürekli olarak altını çizer.
Li içeren Bikitaite Zeolit Ultrasonik Sentezi
Roy ve Das (2017), oda sıcaklığında 50nm lityum içeren zeolit Bikitaite kristallerini UIP1500hdT (20kHz, 1,5kW) ultrasonicator bir toplu kurulumda. Bikitaite zeolit'in oda sıcaklığında başarılı sonokimyasal oluşumu XRD ve IR analizi ile lityum içeren Bikitaite zeolit başarıyla sentezlenerek doğrulandı.
Sonokimyasal tedavi geleneksel hidrotermal işlemle birleştirildiğinde, geleneksel hidrotermal rota için tipik değerler olan 5 gün boyunca 300ºC'ye kıyasla çok daha düşük sıcaklıkta (100ºC) zeolit kristallerinin faz oluşumu elde edildi. Sonication kristalleşme süresi ve zeolit faz oluşumu üzerinde önemli etkileri gösterir. Ultrasonik olarak sentezlenen Bikitaite zeolit'in işlevselliğini değerlendirmek için hidrojen depolama kapasitesi araştırılmıştır. Zeolit'in artan Li içeriği ile depolama hacmi artar.
Sonokimyasal zeolit oluşumu: XRD ve IR analizi saf, nano-kristal Bikitaite zeolit oluşumunun 3 saat ultrasonication ve 72 h yaşlanma sonra başladığını göstermiştir. 250 W'da 6 saat sonication süresinden sonra belirgin zirvelere sahip nano boyutlu kristal Bikitaite zeolit elde edildi.
Avantajları: Lityum içeren zeolit Bikitaite'nin sonokimyasal sentez yolu, sadece saf nano kristallerin basit üretiminin avantajını sunmakla kalmaz, aynı zamanda hızlı ve uygun maliyetli bir teknik sunar. Ultrasonik ekipman ve gerekli enerji maliyetleri diğer süreçlere kıyasla çok düşüktür. Ayrıca, sentez sürecinin süresi çok kısadır, böylece sonokimyasal süreç temiz enerji uygulamaları için faydalı bir yöntem olarak kabul edilir.
(cf. Roy ve ark. 2017)
Ultrasonication altında Zeolit Mordenit Hazırlama
Ultrasonik ön işlem (MOR-U) uygulaması ile elde edilen mordenit, 10 × 5 μm2'lik intergrown peletlerin daha homojen bir morfolojisini gösterdi ve iğne benzeri veya lifli oluşum belirtisi göstermedi. Ultrason destekli prosedür, özellikle azot molekülleri için erişilebilen mikropore hacmi olmak üzere, dokusal özellikleri geliştirilmiş bir malzeme ile sonuçlandı. Ultrasonik olarak önceden tedavi edilmiş mordenit durumunda, değiştirilmiş kristal şekli ve daha homojen morfoloji gözlenmiştir.
Özetle, mevcut çalışma sentez jelinin ultrasonik önköğerinin elde edilen mordenitin çeşitli özelliklerini etkilediğini ve bunun sonucunda
- daha homojen kristal boyutu ve morfolojisi, istenmeyen lif ve iğne benzeri kristallerin yokluğu;
- daha az yapısal kusur;
- as-made mordenit numunesinde önemli mikropore erişilebilirliği (klasik karıştırma yöntemiyle hazırlanan malzemelerdeki tıkalı mikro gözeneklerle karşılaştırıldığında, post-sentetik işlemden önce);
- farklı Al organizasyonu, sözde Na + katyonlarının farklı konumlarıyla sonuçlanır (yapıldığı gibi malzemelerin sorption özelliklerini etkileyen en etkili faktör).
Sentez jelinin ultrasonik ön işlem ile yapısal kusurların azaltılması sentetik mordenitlerde "ideal olmayan" yapının ortak sorununu çözmenin mümkün bir yolu olabilir. Ek olarak, bu yapıdaki daha yüksek sorption kapasitesi, sentezden önce, zaman ve kaynak tüketen geleneksel postsentetik tedavi olmadan (aksine yapısal kusurların üretilmesine yol açan) kolay ve verimli bir ultrasonik yöntemle elde edilebilir. Ayrıca, silanol gruplarının daha az sayısı, hazırlanan mordenitin daha uzun katalitik ömrüne katkıda bulunabilir.
(cf. Kornas ve ark. 2021)
SAPO-34 Nanokristallerin Ultrasonik Sentezi
Sonokimyasal yol ile SAPO-34 (silikoaluminofosfat moleküler elekler, bir zeolit sınıfı) TEAOH'un yapı yönlendirme ajanı (SDA) olarak kullanılmasıyla nanokristal formda başarıyla sentezlendi. Sonication için, Hielscher prob tipi ultrasonicator UP200S (24kHz, 200 watt) kullanılmıştır. Sonokimyasal olarak hazırlanan nihai ürünün ortalama kristal boyutu, hidrotermal olarak sentezlenen kristallerin büyüklüğüne kıyasla önemli ölçüde daha küçük bir kristal boyutu olan 50nm'dir. SAPO-34 kristalleri hidrotermal koşullar altında sonokimyasal olarak olduğunda, yüzey alanı neredeyse aynı kristaliteye sahip statik hidrotermal teknikle geleneksel olarak sentezlenen SAPO-34 kristallerinin kristal yüzey alanından önemli ölçüde daha yüksektir. Konvansiyonel hidrotermal yöntem tam kristal SAPO-34 elde etmek için en az 24 saat sentez süresi alırken, sonokimya destekli hidrotermal sentez yoluyla sadece 1,5 saat reaksiyon süresinden sonra elde edilen sapo-34 kristalleri werde. Son derece yoğun ultrasonik enerji nedeniyle, zeolit SAPO-34 kristalizasyon ultrasonik kavitasyon kabarcıklarının çökmesi ile yoğunlaşmıştır. Kavitasyon kabarcıklarının patlaması, bir nanosaniyeden daha kısa bir sürede meydana gelir ve bu da parçacıkların organizasyonuna ve aglomerasına yol açan ve daha küçük kristal boyutlarına yol açan hızla yükselen ve düşen sıcaklıklarla sonuçlanır. Küçük SONO-SAPO-34 kristallerinin sonokimyasal yöntemle hazırlanabilmesi, sentezin erken aşamalarında yüksek bir çekirdek yoğunluğu ve çekirdeklenme sonrası yavaş kristal büyümesi olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, bu alışılmadık yöntemin SAPO-34 nanokristallerinin endüstriyel üretim ölçeğinde yüksek verimde sentezi için çok yararlı bir teknik olduğunu göstermektedir.
(cf. Askari ve Halladj; 2012)
Ultrasonik Deagglomeration ve Zeolitlerin Dağılımı
Zeolitler endüstriyel uygulamalarda, araştırmalarda veya malzeme bilimlerinde kullanıldığında, kuru zeolit çoğunlukla sıvı bir faza karıştırılır. Zeolit dispersiyon, zeolit parçacıklarını deagglomerate etmek için yeterli enerjiyi uygulayan güvenilir ve etkili bir dispersiyon tekniği gerektirir. Ultrasonicators iyi güçlü ve güvenilir dağıtıcılar olarak bilinir, bu nedenle nanotüpler, grafen, mineraller ve diğer birçok malzeme gibi çeşitli malzemeleri homojen bir şekilde sıvı bir faz içine dağıtmak için kullanılır.
Ultrason ile tedavi edilmeyen bir zeolit tozu, kabuk benzeri morfoloji ile önemli ölçüde birleştirilmiştir. Buna karşılık, 5 dakikalık bir sonication tedavisi (320 W'ta sonicated 200 mL örnek) kabuk benzeri şekillerin çoğunu yok gibi görünüyor, bu da daha dağınık bir son tozla sonuçlanır. (cf. Ramirez Medoza vd. 2020)
Örneğin, Ramirez Medoza ve arkadaşları (2020) Hielscher prob ultrasonicator kullandı UP200S NaX zeolitini (yani sodyum formunda (NaX) sentezlenen zeolit X'i düşük sıcaklıkta kristalize etmek. Kristalleşmenin ilk saatinde sonication, standart bir kristalizasyon işlemine kıyasla reaksiyon süresinin% 20 azalmasına neden oldu. Ayrıca, sonication'ın daha uzun bir sonikasyon süresi için yüksek yoğunluklu ultrason uygulayarak son tozun aglomera derecesini de azaltabileceğini gösterdiler.
Zeolit Sentezi için Yüksek Performanslı Ultrasonicators
Hielscher ultrasonicators sofistike donanım ve akıllı yazılım güvenilir çalışma, tekrarlanabilir sonuçlar yanı sıra kullanıcı dostu garanti etmek için tasarlanmıştır. Hielscher ultrasonicators sağlam ve güvenilir, hangi kurulur ve ağır hizmet koşulları altında çalıştırılmasına izin verir. Operasyonel ayarlara, dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı uzaktan kumandası ile erişilebilen sezgisel menü aracılığıyla kolayca erişilebilir ve çevrilebilir. Bu nedenle, net enerji, toplam enerji, genlik, zaman, basınç ve sıcaklık gibi tüm işlem koşulları otomatik olarak yerleşik bir SD karta kaydedilir. Bu, önceki sonication çalıştırmalarını gözden geçirmenizi ve karşılaştırmanızı ve zeolit sentezini ve dispersiyon sürecini en yüksek verimlilikle optimize etmenizi sağlar.
Hielscher Ultrasonics sistemleri kristalizasyon işlemleri için dünya çapında kullanılır ve yüksek kaliteli zeolitler ve zeolit türevlerinin sentezi için güvenilir olduğu kanıtlanmıştır. Hielscher endüstriyel ultrasonicators kolayca sürekli çalışma yüksek genlikleri çalıştırabilirsiniz (24/7/365). 200μm'ye kadar genlikler, standart sonotrodlar (ultrasonik problar / boynuzlar) ile kolayca sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodes mevcuttur. Sağlamlıkları ve düşük bakımları nedeniyle, ultrasonicator'larımız genellikle ağır hizmet uygulamaları ve zorlu ortamlarda kurulur.
Sonokimyasal sentezler, kristalizasyon ve deagglomeration için Hielscher ultrasonik işlemciler zaten ticari ölçekte dünya çapında kuruludur. Zeolit üretim sürecinizi tartışmak için hemen bize ulaşın! Deneyimli personelimiz sonokimyasal sentez yolu, ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmak için mutlu olacaktır!
Ultrasonik sentez yönteminin avantajı ile, zeolit üretiminiz diğer zeolit sentez süreçlerine kıyasla verimlilik, basitlik ve düşük maliyette mükemmel olacaktır!
Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir:
|Numune Hacmi||Akış Oranı||Önerilen Cihaz|
|1 - 500mL||10 - 200mL/min||UP100H|
|10 - 2000mL||20 - 400mL/min||UP200Ht, UP400St|
|0,1 - 20L||0,2 - 4L/min||UIP2000hdT|
|10 - 100L||2 - 10L/min||Uıp4000hdt|
|n.a.||10 - 100L/min||UIP16000|
|n.a.||daha büyük||grubu UIP16000|
Bizimle iletişime geçin! / Bize sor!
Edebiyat / Referanslar
- Roy, Priyanka; Das, Nandini (2017): Ultrasonic assisted synthesis of Bikitaite zeolite: A potential material for hydrogen storage application. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 36, 2017, 466-473.
- Sanaa M. Solyman, Noha A.K. Aboul-Gheit, Fathia M. Tawfik, M. Sadek, Hanan A. Ahmed (2013):
Performance of ultrasonic-treated nano-zeolites employed in the preparation of dimethyl ether. Egyptian Journal of Petroleum, Volume 22, Issue 1, 2013. 91-99.
- Heidy Ramirez Mendoza, Jeroen Jordens, Mafalda Valdez Lancinha Pereira, Cécile Lutz, Tom Van Gerven (2020): Effects of ultrasonic irradiation on crystallization kinetics, morphological and structural properties of zeolite FAU. Ultrasonics Sonochemistry Volume 64, 2020.
- Askari, S.; Halladj, R. (2012): Ultrasonic pretreatment for hydrothermal synthesis of SAPO-34 nanocrystals. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 19, Issue 3, 2012. 554-559.
Bilinmesi Gereken Gerçekler
Zeolitler
Zeolitler alüminasilikat sınıfıdır, yani AlO2 ve SiO2olarak bilinen mikro gözenekli katı maddeler kategorisinde “moleküler elekler". Zeolitler esas olarak silika, alüminyum, oksijen ve titanyum, kalay, çinko ve diğer metal molekülleri gibi metallerden oluşur. Moleküler elek terimi, öncelikle bir boyut dışlama sürecine dayanarak molekülleri seçici olarak sıralamak için zeolitlerin belirli özelliğinden kaynaklanır. Moleküler eleklerin seçiciliği gözenek boyutları ile tanımlanır. Gözenek boyutuna bağımlılıkta, moleküler elekler makro gözenekli, mezoporöz ve mikro gözenekli olarak kategorize edilir. Zeolitler gözenek boyutları gibi mikro gözenekli malzemeler sınıfına girerler. <2 nm.
Due to their porous structure, zeolites have the ability accommodate a wide variety of cations, such as Na+, K+, Ca2 ' den fazlaMg2 ' den fazla ve diğerleri. Bu pozitif iyonlar oldukça gevşek tutulur ve bir temas çözümünde başkalarıyla kolayca değiştirilebilir. Daha yaygın mineral zeolitlerden bazıları analsim, chabazite, clinoptilolit, heulandite, natrolite, phillipsite ve stilbite'dir. Bir zeolit mineral formülüne bir örnek: Na2Al2VE3O 10·2H2O, natrolite formülü. Bu katyon değiş tokuşu zeolitler farklı asitliğe sahiptir ve birkaç asit katalizini katalize eder.
Seçicilikleri ve gözeneklilik türevli özellikleri nedeniyle, zeolitler genellikle katalizörler, sorbentler, iyon eşanjörleri, atık su arıtma çözeltileri veya antibakteriyel ajanlar olarak kullanılır.
Örneğin Faujasite zeolit (FAU), 0.8 nm'lik gözeneklerle birbirine bağlanan 1.3nm çapında boşluklara sahip bir çerçeve ile karakterize edilen belirli bir zeolit formudur. Faujasit tipi zeolit (FAU), sıvı katalitik çatlama (FCC) gibi endüstriyel süreçler için katalizör ve gaz akışlarındaki uçucu organik bileşikler için adsorbent olarak kullanılır.