Sonocatalysis - assistida per ultrasons Catàlisi

Ultrasons afecta la reactivitat del catalitzador durant la catàlisi per una major transferència de massa i energia d'entrada. A la catàlisi heterogènia, on el catalitzador es troba en una fase diferent als reactius, la dispersió d'ultrasons augmenta la superfície disponible per als reactius.

Antecedents de la Catàlisi

La catàlisi és un procés en el qual la velocitat d'una reacció química és més gran (o disminució) per mitjà d'un catalitzador. La producció de molts productes químics implica la catàlisi. La influència de la velocitat de reacció depèn de la freqüència de contacte dels reactius en l'etapa determinant de velocitat. En general, els catalitzadors d'augmentar la velocitat de reacció i reduir l'energia d'activació, proporcionant una via alternativa a la reacció del producte de reacció. Per això, els catalitzadors de reaccionar amb un o més dels reactius per formar productes intermedis que, posteriorment, donar el producte final. L'últim pas es regenera el catalitzador. Per reducció de l'energia d'activació, Més xocs moleculars tenen l'energia necessària per assolir l'estat de transició. En alguns casos s'utilitzen catalitzadors de canvi de la selectivitat d'una reacció química.

L' diagrama a la dreta il • lustra l'efecte d'un catalitzador en una reacció química X + I per produir Z. El catalitzador proporciona una via alternativa (verd) amb una menor energia d'activació Ea.

Efectes dels ultrasons

Longitud d'ona acústica en els líquids van des aprox. 110-0,15 mm per a freqüències entre 18kHz i 10MHZ. Això és molt per sobre de les dimensions moleculars. Per aquesta raó, no hi ha connexió directa del camp acústic amb les molècules d'una espècie química. Els efectes dels ultrasons són en gran mesura resultat de la cavitació ultrasònica en els líquids. Per tant, la catàlisi assistida per ultrasons requereix almenys un reactiu per estar en fase líquida. Ultrasons contribueix a la catàlisi heterogènia i homogènia de moltes maneres. Els efectes es poden promoure o reduir l'adaptació de l'amplitud d'ultrasons i la pressió del líquid.

Dispersió i emulsificació per ultrasons

Reaccions químiques que involucren els reactius i un catalitzador de més d'una fase (catàlisi heterogènia) es limiten a la fase límit ja que aquest és l'únic lloc on el reactiu, així com el catalitzador són presents. L'exposició dels reactius i el catalitzador d'un a l'altre és un factor clau per a molts Multi-fase de les reaccions químiques. Per aquesta raó, la superfície específica de la frontera es converteix en fase d'influència del tipus de producte químic de la reacció.

Ultrasons és un mitjà molt eficaç per a la la dispersió de sòlids i per a la l'emulsificació de líquids. En reduir la partícula / mida de les gotes, la superfície total dels augments de la fase de límits al mateix temps. El gràfic de l'esquerra mostra la correlació entre la mida de les partícules i la superfície en el cas de les partícules esfèriques o gotetes (Faci clic per fer més gran!). Com la superfície límit de la fase augmenta també ho fa la velocitat de reacció química. Per a molts materials cavitació ultrasònica pot fer que les partícules i les gotes de mida molt fi - sovint molt per sota de 100 nanòmetres de. Si la dispersió o emulsió es converteix, almenys temporalment estable, l'aplicació de ultrasò pot ser necessària només en una fase inicial de la reacció química. Un reactor d'ultrasons en línia per a la primera mescla dels reactius i el catalitzador pot generar partícules de mida fi / gotes en molt poc temps i en les taxes de flux alt. Es pot aplicar fins i tot als mitjans de comunicació d'alta viscositat.

De transferència de massa

Quan els reactius de reaccionar en una fase límit, els productes de la reacció química s'acumulen en la superfície de contacte. Això bloqueja altres molècules dels reactius de la interacció en aquesta frontera de fase. Les forces de cisalla mecànica causada per les corrents en doll i el resultat cavitacional transmissió acústica al flux turbulent i el transport de material des de i cap a les superfícies de les partícules o gotes. En el cas de les gotes, l'alta cisalla pot donar lloc a la fusió i la posterior formació de les gotes de nou. Com que la reacció química progressa amb el temps, un bany d'ultrasons repetides, per exemple, en dues etapes o de recirculació, pot ser necessària per maximitzar l'exposició dels reactius de.

Entrada d'Energia

Cavitació per ultrasò és una forma única de posar l'energia en les reaccions químiques en la. Una combinació de raigs de líquid d'alta velocitat, pressió alta (> 1000atm) i les altes temperatures (> 5000K), calefacció i refrigeració a enormes taxes (> 10⁹Ks^-1) Es produeixen localment concentrada durant la compressió de implosió de les bombolles de cavitàries. Kenneth Suslick diu: "La cavitació és un mètode extraordinari de concentrar l'energia difusa de so en una forma químicament utilitzable".

Augment de la reactivitat de

L'erosió de cavitació en superfícies de les partícules genera unpassivated, molt reactives superfícies. De curta durada les altes temperatures i pressions de contribuir a la la descomposició molecular i augmentar la reactivitat moltes de les espècies químiques. D'irradiació d'ultrasons es poden utilitzar en la preparació dels catalitzadors, per exemple, per produir agregats de fines partícules de mida. Això produeix catalitzadors amorfs partícules d'alta superfície específica àrea. A causa d'aquesta estructura global, catalitzadors, poden ser separats dels productes de reacció (és a dir, per filtració).

Neteja ultrasònica

A sovint, la catàlisi implica subproductes no desitjats, contaminacions o impureses en els reactius. Això pot conduir a la degradació i la brutícia a la superfície de catalitzadors sòlids. Les incrustacions redueix la superfície del catalitzador exposats i per tant redueix la seva eficàcia. No necessita ser eliminat, ja sigui durant el procés de reciclatge o en intervals d'ús de productes químics de procés. Ultrasons és un mitjà eficaç per catalitzadors de netejar o ajudar en el procés de reciclatge de catalitzador. Aplicació de neteja per ultrasons és probablement la més comuna i coneguda dels ultrasons. El xoc de cavitacional dolls líquids i ones de xoc de fins a 10⁴ATM pot crear localitzades les forces de cisallament, l'erosió i la superfície de les picades. Per a les partícules de mida fi, d'alta velocitat entre les col.lisions de partícules de plom a la superfície de l'erosió i fins i tot la trituració i mòlta. Aquestes col.lisions poden causar impacte local de les temperatures transitòria d'aprox. 3000K. Suslick demostrat, que efectivament ultrasons elimina capes d'òxid de superfície. L'eliminació d'aquestes capes de passivació millora dràsticament la velocitat de reacció per a una àmplia varietat de reaccions (Suslick 2.008). L'aplicació d'ultrasons, ajuda a reduir el problema de les incrustacions d'un sòlid disperses catalitzador durant la catàlisi i contribueix a la neteja durant el procés de reciclatge del catalitzador.

Exemples d'ultrasons de Catàlisi

Hi ha nombrosos exemples de la catàlisi i assistida per ultrasons per a la preparació d'ultrasons de catalitzadors heterogenis. Es recomana el Sonocatalysis article de Kenneth Suslick per a una introducció general. Hielscher subministrament de reactors d'ultrasons per a la preparació de catalitzadors o catàlisi, com ara la transesterificació catalítica per a la producció de methylesters (èster metílic grassos ie = biodièsel).

Equips d'ultrasons per Sonocatalysis

Hielscher fabrica dispositius d'ultrasons per a la seva qualsevol escala i per un varietat de processos de. Això inclou sonicació de laboratori en flascons petits, així com reactors industrials i les cèl lules de flux. Per a la prova inicial del procés a escala de laboratori de la UP400S (400 watts) és molt convenient. Pot ser utilitzat per a processos per lots, així com per a la sonicació en línia. Per a la prova de processos i optimització abans d'ampliar, es recomana utilitzar el UIP1000hd (1000 watts), Ja que les unitats és molt adaptable i amb els resultats de fer-se a escala lineal a les de major capacitat. Per a la producció a gran escala que ofereixen els dispositius ultrasònics de fins a 10kW i 16kW energia ultrasònica. Les agrupacions de serveral aquestes unitats ofereixen capacitats de processament molt alt.

Estem a la seva disposició per donar suport al seu procés de proves, optimització i ampliar. Parli amb nosaltres sobre l'equip adequat o visiteu el nostre procés de laboratori.