Sonocatalysis - asistida por ultrasonidos Catálisis

Ultrasonidos afecta a la reactividad del catalizador durante la catálisis por una mayor transferencia de masa y energía de entrada. En la catálisis heterogénea, donde el catalizador se encuentra en una fase diferente a los reactivos, la dispersión de ultrasonidos aumenta la superficie disponible para los reactivos.

Antecedentes de la Catálisis

La catálisis es un proceso en el que la velocidad de una reacción química es mayor (o disminución) por medio de un catalizador. La producción de muchos productos químicos implica la catálisis. La influencia de la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la etapa determinante de velocidad. En general, los catalizadores de aumentar la velocidad de reacción y reducir la energía de activación, proporcionando una vía alternativa a la reacción del producto de reacción. Para ello, los catalizadores de reaccionar con uno o más de los reactivos para formar productos intermedios que, posteriormente, dar el producto final. El último paso se regenera el catalizador. Por reducción de la energía de activación, Más choques moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. En algunos casos se utilizan catalizadores de cambio de la selectividad de una reacción química.

El diagrama a la derecha ilustra el efecto de un catalizador en una reacción química X + Y para producir Z. El catalizador proporciona una vía alternativa (verde) con una menor energía de activación Ea.

Efectos de los ultrasonidos

Longitud de onda acústica en los líquidos van desde aprox. 110 a 0,15 mm para frecuencias entre 18kHz y 10MHz. Esto es muy por encima de las dimensiones moleculares. Por esta razón, no hay conexión directa del campo acústico con las moléculas de una especie química. Los efectos de los ultrasonidos son en gran medida resultado de la cavitación ultrasónica en los líquidos. Por lo tanto, la catálisis asistida por ultrasonidos requiere al menos un reactivo para estar en fase líquida. Ultrasonidos contribuye a la catálisis heterogénea y homogénea de muchas maneras. Los efectos se pueden promover o reducir la adaptación de la amplitud de ultrasonidos y la presión del líquido.

Dispersión y emulsificación por ultrasonido

Reacciones químicas que involucran los reactivos y un catalizador de más de una fase (catálisis heterogénea) se limitan a la fase límite ya que este es el único lugar donde el reactivo, así como el catalizador están presentes. La exposición de los reactivos y el catalizador de uno al otro es un factor clave para muchos Multi-fase de las reacciones químicas. Por esta razón, la superficie específica de la frontera se convierte en fase de influencia del tipo de producto químico de la reacción.

Ultrasonidos es un medio muy eficaz para la la dispersión de sólidos y para la la emulsificación de líquidos. Al reducir la partícula / tamaño de las gotas, la superficie total de los aumentos de la fase de límites al mismo tiempo. El gráfico de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de las partículas y la superficie en el caso de las partículas esféricas o gotitas (Haga clic para agrandar!). Como la superficie límite de la fase aumenta también lo hace la velocidad de reacción química. Para muchos materiales cavitación ultrasónica puede hacer que las partículas y las gotas de tamaño muy fino - a menudo muy por debajo de 100 nanómetros de. Si la dispersión o emulsión se convierte, al menos temporalmente estable, la aplicación de ultrasonido puede ser necesaria sólo en una fase inicial de la reacción química. Un reactor de ultrasonidos en línea para la primera mezcla de los reactivos y el catalizador puede generar partículas de tamaño fino / gotas en muy poco tiempo y en las tasas de flujo alto. Se puede aplicar incluso a los medios de comunicación de alta viscosidad.

De transferencia de masa

Cuando los reactivos de reaccionar en una fase límite, los productos de la reacción química se acumulan en la superficie de contacto. Esto bloquea otras moléculas de los reactivos de la interacción en esta frontera de fase. Las fuerzas de cizalla mecánica causada por las corrientes en chorro y el resultado cavitacional transmisión acústica en el flujo turbulento y el transporte de material desde y hacia las superficies de las partículas o gotas. En el caso de las gotas, la alta cizalla puede dar lugar a la fusión y la posterior formación de las gotas de nuevo. Como la reacción química progresa con el tiempo, un baño de ultrasonidos repetidas, por ejemplo, en dos etapas o de recirculación, puede ser necesaria para maximizar la exposición de los reactivos de.

Entrada de Energía

Cavitación por ultrasonido es una forma única de poner la energía en las reacciones químicas en la. Una combinación de chorros de líquido de alta velocidad, presión alta (> 1000atm) y las altas temperaturas (> 5000K), calefacción y refrigeración a enormes tasas (> 10⁹Ks^-1) Se producen localmente concentrada durante la compresión de implosión de las burbujas de cavitaria. Kenneth Suslick dice: "La cavitación es un método extraordinario de concentrar la energía difusa de sonido en una forma químicamente utilizable".

Aumento de la reactividad de

La erosión de cavitación en superficies de las partículas genera unpassivated, muy reactivas superficies. De corta duración las altas temperaturas y presiones de contribuir a la la descomposición molecular y aumentar la reactividad muchas de las especies químicas. De irradiación de ultrasonidos se pueden utilizar en la preparación de los catalizadores, por ejemplo, para producir agregados de finas partículas de tamaño. Esto produce catalizadores amorfos partículas de alta superficie específica área. Debido a esta estructura global, catalizadores, pueden ser separados de los productos de reacción (es decir, por filtración).

Limpieza ultrasónica

A menudo, la catálisis implica subproductos no deseados, contaminaciones o impurezas en los reactivos. Esto puede conducir a la degradación y la suciedad en la superficie de catalizadores sólidos. Las incrustaciones reduce la superficie del catalizador expuestos y por lo tanto reduce su eficacia. No necesita ser eliminado, ya sea durante el proceso de reciclaje o en intervalos de uso de productos químicos de proceso. Ultrasonidos es un medio eficaz para catalizadores de limpiar o ayudar en el proceso de reciclado de catalizador. Aplicación de limpieza por ultrasonidos es probablemente la más común y conocida de los ultrasonidos. El choque de cavitacional chorros líquidos y ondas de choque de hasta 10⁴ATM puede crear localizadas las fuerzas de cizallamiento, la erosión y la superficie de las picaduras. Para las partículas de tamaño fino, de alta velocidad entre las colisiones de partículas de plomo a la superficie de la erosión e incluso la trituración y molienda. Estas colisiones pueden causar impacto local de las temperaturas transitoria de aprox. 3000K. Suslick demostrado, que efectivamente ultrasonidos elimina capas de óxido de superficie. La eliminación de tales capas de pasivación mejora drásticamente la velocidad de reacción para una amplia variedad de reacciones (Suslick 2008). La aplicación de ultrasonidos, ayuda a reducir el problema de las incrustaciones de un sólido dispersas catalizador durante la catálisis y contribuye a la limpieza durante el proceso de reciclado del catalizador.

Ejemplos de ultrasonidos de Catálisis

Hay numerosos ejemplos de la catálisis y asistida por ultrasonidos para la preparación de ultrasonidos de catalizadores heterogéneos. Se recomienda el Sonocatalysis artículo de Kenneth Suslick para una introducción general. Hielscher suministro de reactores de ultrasonidos para la preparación de catalizadores o catálisis, tales como la transesterificación catalítica para la producción de methylesters (éster metílico grasos ie = biodiesel).

Equipos de ultrasonidos para Sonocatalysis

Hielscher fabrica dispositivos de ultrasonidos para el uso en cualquier escala y por un variedad de procesos de. Esto incluye sonicación de laboratorio en frascos pequeños, así como reactores industriales y las células de flujo. Para la prueba inicial del proceso en escala de laboratorio de la UP400S (400 vatios) es muy conveniente. Puede ser utilizado para procesos por lotes, así como para la sonicación en línea. Para la prueba de procesos y optimización antes de ampliar, se recomienda utilizar el UIP1000hd (1000 vatios), Ya que las unidades es muy adaptable y con los resultados de hacerse a escala lineal a las de mayor capacidad. Para la producción a gran escala que ofrecen los dispositivos ultrasónicos de hasta 10kW y 16kW energía ultrasónica. Las agrupaciones de serveral estas unidades ofrecen capacidades de procesamiento muy alto.

Estamos a su disposición para apoyar su proceso de pruebas, optimización y ampliar. Hable con nosotros sobre el equipo adecuado o visite nuestro proceso de laboratorio.