تحسين محفزات فيشر–تروبش بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

تحسين تخليق محفزات فيشر–تروبش بالموجات فوق الصوتية: تُستخدم معالجة جسيمات المحفز بالموجات فوق الصوتية لأغراض متعددة. يساعد التخليق بالموجات فوق الصوتية على إنشاء جسيمات نانوية معدّلة أو مضاف إليها مجموعات وظيفية، تتمتع بنشاط تحفيزي مرتفع. ويمكن استعادة المحفزات المستهلكة والمسمّمة بسهولة وسرعة من خلال معالجة سطحية بالموجات فوق الصوتية تزيل التلوث المتراكم الذي يعطّل المحفز. وأخيرًا، يؤدي تفكيك التكتلات والتشتيت بالموجات فوق الصوتية إلى توزيع منتظم وأحادي التشتت لجسيمات المحفز، لضمان مساحة سطح نشط كبيرة للجسيمات وانتقال الكتلة من أجل تحقيق التحويل التحفيزي الأمثل.

مزايا تحضير المحفزات بالموجات فوق الصوتية لعمليات فيشر–تروبش

توفر المعالجة بالموجات فوق الصوتية مزايا كبيرة في تخليق محفزات فيشر–تروبش، ويرجع ذلك أساسًا إلى قدرتها على إتاحة التحكم الدقيق في مورفولوجيا المحفز وتوزيع المواقع النشطة. ويضمن التجويف عالي الطاقة الناتج عن الموجات فوق الصوتية خلطًا سريعًا وتفكيكًا فعّالًا لتكتلات المواد الأولية، مما يؤدي إلى توزيع شديد الانتظام لأحجام الجسيمات وزيادة مساحة السطح. ويؤدي هذا التجانس المحسّن إلى زيادة تشتت المكونات النشطة، وهو أمر حاسم لزيادة عدد مواقع التفاعل التي يمكن الوصول إليها إلى أقصى حد. علاوة على ذلك، غالبًا ما تؤدي حركية الخلط المضبوطة إلى تكوّن بُنى عالية الثبات ومسامية، مما يحسّن الأداء التحفيزي والانتقائية والثبات طويل الأمد للمحفز في ظروف التفاعل القاسية.

تأثيرات الموجات فوق الصوتية على المحفزات

تُعرف الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بتأثيرها الإيجابي على التفاعلات الكيميائية. فعند إدخال موجات فوق صوتية شديدة إلى وسط سائل، يتولد التجويف الصوتي. وينتج التجويف بالموجات فوق الصوتية ظروفًا موضعية شديدة القسوة، مع درجات حرارة مرتفعة جدًا تصل إلى 5,000K، وضغوط تبلغ نحو 2,000atm، ونفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s. وتُعرف ظاهرة التجويف الصوتي وتأثيراتها على العمليات الكيميائية بمصطلح الكيمياء بالموجات فوق الصوتية.
من التطبيقات الشائعة للموجات فوق الصوتية تحضير المحفزات غير المتجانسة: تنشّط قوى التجويف بالموجات فوق الصوتية المساحة السطحية للمحفز، إذ يولّد التآكل الناتج عن التجويف أسطحًا غير مخمّلة وشديدة التفاعلية. علاوة على ذلك، يتحسّن انتقال الكتلة بدرجة كبيرة بفعل الجريان المضطرب للسائل. وتزيل التصادمات الشديدة بين الجسيمات، الناتجة عن التجويف الصوتي، الطلاءات السطحية من الأكاسيد عن جسيمات المسحوق، مما يؤدي إلى إعادة تنشيط سطح المحفز.
 

تخليق محفز مطعّم بالبلاديوم باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT
الدراسة والصورة: ©Prekob et al., 2020

تحضير محفزات فيشر–تروبش بالموجات فوق الصوتية

تتضمن عملية فيشر–تروبش عدة تفاعلات كيميائية تحوّل مزيجًا من أول أكسيد الكربون والهيدروجين إلى هيدروكربونات سائلة. ويمكن استخدام مجموعة متنوعة من المحفزات لتخليق فيشر–تروبش، لكن الأكثر استخدامًا هي الفلزات الانتقالية: الكوبالت والحديد والروثينيوم. ويُجرى تخليق فيشر–تروبش عند درجات الحرارة المرتفعة باستخدام محفز من الحديد.
ونظرًا إلى أن محفزات فيشر–تروبش عرضة للتسمم بالمركبات المحتوية على الكبريت، فإن إعادة التنشيط بالموجات فوق الصوتية ذات أهمية كبيرة للحفاظ على النشاط التحفيزي والانتقائية كاملين.

تخليق محفزات ذات بنية لب–غلاف بالموجات فوق الصوتية

البُنى النانوية ذات بنية لب–غلاف هي جسيمات نانوية مغلّفة ومحمية بغلاف خارجي يعزل الجسيمات النانوية ويمنع هجرتها والتحامها أثناء التفاعلات التحفيزية

حضّر Pirola et al. (2010) محفزات فيشر–تروبش قائمة على الحديد ومدعومة على السيليكا، ذات تحميل مرتفع من الفلز النشط. وتُظهر دراستهم أن تشريب دعامة السيليكا بمساعدة الموجات فوق الصوتية يحسّن ترسيب الفلز ويزيد نشاط المحفز. وقد أشارت نتائج تخليق فيشر–تروبش إلى أن المحفزات المحضّرة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية هي الأكثر كفاءة، ولا سيما عندما يُجرى التشريب بالموجات فوق الصوتية في جو من الأرجون.

إعادة تنشيط المحفزات بالموجات فوق الصوتية

تُعد معالجة أسطح الجسيمات بالموجات فوق الصوتية طريقة سريعة وسهلة لتجديد المحفزات المستهلكة والمخمّلة وإعادة تنشيطها. وتتيح قابلية المحفز للتجديد إعادة تنشيطه واستخدامه، مما يجعل هذه الخطوة في العملية اقتصادية وصديقة للبيئة.
تزيل معالجة الجسيمات بالموجات فوق الصوتية طبقات التخميل المعطّلة والتلوث المتراكم والشوائب من جسيم المحفز، وهي مواد تسد مواقع التفاعل التحفيزي. وتؤدي معالجة معلّق محفز مستهلك بالموجات فوق الصوتية إلى غسل سطح جسيم المحفز بالنفاثات، مما يزيل الترسبات من الموقع النشط تحفيزيًا. وبعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، يُستعاد نشاط المحفز إلى مستوى فعالية المحفز الجديد نفسه. علاوة على ذلك، تفكك المعالجة بالموجات فوق الصوتية التكتلات وتوفر توزيعًا متجانسًا ومنتظمًا للجسيمات أحادية التشتت، مما يزيد مساحة سطح الجسيمات، وبالتالي مساحة الموقع التحفيزي النشط. ومن ثم، تنتج استعادة المحفزات بالموجات فوق الصوتية محفزات مجدّدة ذات مساحة سطح نشط كبيرة لتحسين انتقال الكتلة.
ينجح تجديد المحفزات بالموجات فوق الصوتية مع الجسيمات المعدنية والفلزية، والجسيمات المسامية، بما فيها متوسطة المسام، والمركّبات النانوية.
اقرأ المزيد عن تجديد المحفزات المستهلكة بالموجات فوق الصوتية!

أجهزة معالجة عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية للتخليق الكيميائي بالموجات فوق الصوتية لمحفزات فيشر–تروبش

تحظى أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بتفضيل كبير في تخليق المحفزات بفضل تصميمها المتين ودقتها وقابليتها للتوسع، وتوفر مزايا كبيرة مقارنة بمعدات المعالجة بالموجات فوق الصوتية العامة. وتوفر هذه الوحدات طاقة فوق صوتية عالية الشدة يمكن التحكم فيها بدقة، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق تشتيت منتظم للمواد الأولية وتيسير التنوي الدقيق ونمو جسيمات المحفز. وتتيح أنظمة التحكم المتطورة للباحثين ضبط معلمات مثل القدرة الخارجة ومدة النبضة بدقة، مما يضمن نتائج تجريبية قابلة للتكرار – وهو عامل أساسي في علم المواد. علاوة على ذلك، تُعرف أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بمتانتها وقدرتها على العمل على أحجام تشغيل مختلفة، تتراوح من دفعات مختبرية صغيرة إلى عمليات المنشآت التجريبية، مما يتيح الانتقال بكفاءة بتركيبات المحفزات الواعدة من الأبحاث على نطاق المختبر إلى التطبيق الصناعي. وتضمن معايير الهندسة والتصنيع الألمانية إمكانية تشغيل معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية بصورة موثوقة على مدار 24/7 تحت أحمال التشغيل الشاق.

يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

الأدبيات / المراجع

• Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
• Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
• Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
• Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.