سونوكاتاليسيس – الحفز بمساعدة الموجات فوق الصوتية
يؤثر Ultrasonication على تفاعل المحفز أثناء الحفز عن طريق تعزيز نقل الكتلة ومدخلات الطاقة. في الحفز غير المتجانس ، حيث يكون العامل الحفاز في طور مختلف عن المتفاعلات ، يزيد التشتت بالموجات فوق الصوتية من مساحة السطح المتاحة للمتفاعلات.
خلفية سونوكاتاليسيس
الحفز هو العملية التي يكون فيها معدل أ يتم زيادة التفاعل الكيميائي (أو نقصان) عن طريق محفز. إنتاج العديد من المواد الكيميائية ينطوي على الحفز. يعتمد التأثير على معدل التفاعل على تكرار ملامسة المواد المتفاعلة في خطوة تحديد المعدل. بوجه عام، تزيد العوامل الحفازة من معدل التفاعل وتقلل من طاقة التنشيط من خلال توفير مسار تفاعل بديل لناتج التفاعل. لهذا تتفاعل العوامل الحفازة مع واحد أو أكثر من المواد المتفاعلة لتكوين مواد وسيطة تعطي الناتج النهائي لاحقا. الخطوة الأخيرة تجدد المحفز. ب خفض طاقة التنشيط، فإن المزيد من التصادمات الجزيئية لديها الطاقة اللازمة للوصول إلى الحالة الانتقالية. في بعض الحالات ، يتم استخدام العوامل الحفازة لتغيير انتقائية التفاعل الكيميائي.
ال الرسم التخطيطي إلى اليمين يوضح تأثير عامل حفاز في تفاعل كيميائي X+Y لإنتاج Z. يوفر المحفز مسارا بديلا (أخضر) مع طاقة تنشيط منخفضة Ea.
آثار الموجات فوق الصوتية
يتراوح الطول الموجي الصوتي في السوائل من حوالي 110 إلى 0.15 مم للترددات بين 18 كيلو هرتز و 10 ميجاهرتز. هذا أعلى بكثير من الأبعاد الجزيئية. لهذا السبب ، لا يوجد اقتران مباشر للمجال الصوتي بجزيئات الأنواع الكيميائية. آثار الموجات فوق الصوتية هي إلى حد كبير نتيجة ل التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل. لذلك ، يتطلب التحفيز بمساعدة الموجات فوق الصوتية كاشفا واحدا على الأقل ليكون في الطور السائل. الموجات فوق الصوتية يساهم في التحفيز غير المتجانسة والمتجانسة من نواح كثيرة. يمكن تعزيز التأثيرات الفردية أو تقليلها بتكييف السعة فوق الصوتية وضغط السائل.
تشتيت واستحلاب بالموجات فوق الصوتية
تقتصر التفاعلات الكيميائية التي تتضمن كواشف ومحفزا لأكثر من طور واحد (الحفز غير المتجانس) على حدود الطور لأن هذا هو المكان الوحيد الذي يوجد فيه الكاشف وكذلك المحفز. تعرض الكواشف والمحفز لبعضهما البعض هو العامل الرئيسي للعديد من التفاعلات الكيميائية متعددة المراحل. لهذا السبب ، تصبح مساحة السطح المحددة لحدود الطور مؤثرة على معدل التفاعل الكيميائي.
الموجات فوق الصوتية هي وسيلة فعالة جدا ل تشتت المواد الصلبة ومن أجل استحلاب السوائل. من خلال تقليل حجم الجسيمات / القطيرات ، تزداد مساحة السطح الإجمالية لحدود الطور في نفس الوقت. يوضح الرسم الموجود على اليسار العلاقة بين حجم الجسيمات ومساحة السطح في حالة الجسيمات الكروية أو القطرات (انقر للحصول على عرض أكبر!). كلما زاد سطح حدود الطور زاد معدل التفاعل الكيميائي. بالنسبة للعديد من المواد ، يمكن أن يجعل التجويف بالموجات فوق الصوتية جزيئات وقطرات من حجم جيد جدا – في كثير من الأحيان أقل بكثير من 100 نانومتر. إذا أصبح التشتت أو المستحلب مستقرا مؤقتا على الأقل ، فإن تطبيق قد تكون هناك حاجة الموجات فوق الصوتية فقط في المرحلة الأولية من التفاعل الكيميائي. يمكن لمفاعل الموجات فوق الصوتية المضمن للخلط الأولي للكواشف والمحفز أن يولد جزيئات / قطرات دقيقة الحجم في وقت قصير جدا وبمعدلات تدفق عالية. يمكن تطبيقه حتى على الوسائط عالية اللزوجة.
النقل الجماعي
عندما تتفاعل الكواشف عند حدود الطور ، تتراكم نواتج التفاعل الكيميائي على سطح التلامس. وهذا يمنع جزيئات الكاشف الأخرى من التفاعل عند حدود الطور هذه. تؤدي قوى القص الميكانيكية الناتجة عن التيارات النفاثة التجويفية والتدفق الصوتي إلى تدفق مضطرب ونقل المواد من وإلى أسطح الجسيمات أو القطرات. في حالة القطرات ، يمكن أن يؤدي القص العالي إلى التحام والتكوين اللاحق لقطرات جديدة. مع تقدم التفاعل الكيميائي بمرور الوقت ، قد تكون هناك حاجة إلى صوتنة متكررة ، على سبيل المثال مرحلتين أو إعادة تدوير ، تعظيم التعرض للكواشف.
مدخلات الطاقة
التجويف بالموجات فوق الصوتية هو وسيلة فريدة ل وضع الطاقة في التفاعلات الكيميائية. مزيج من النفاثات السائلة عالية السرعة ، الضغط العالي (>1000atm) ودرجات حرارة عالية (>5000 كلفن) ، معدلات تسخين وتبريد هائلة (>109كانساس-1) تتركز محليا أثناء الانضغاط الانفجاري للفقاعات التجويفية. كينيث سوسليك يقول: “التجويف هو طريقة غير عادية لتركيز الطاقة المنتشرة للصوت في شكل قابل للاستخدام كيميائيا.”
زيادة في التفاعل
تآكل التجويف على أسطح الجسيمات يولد أسطحا غير خاملة وشديدة التفاعل. تساهم درجات الحرارة والضغوط المرتفعة قصيرة الأجل في التحلل الجزيئي وزيادة التفاعل من العديد من الأنواع الكيميائية. يمكن استخدام التشعيع بالموجات فوق الصوتية في تحضير المحفزات ، على سبيل المثال لإنتاج مجاميع من الجسيمات الدقيقة الحجم. ينتج عن هذا محفزات غير متبلورة جزيئات ذات سطح محدد مرتفع منطقة. بسبب هذا الهيكل الكلي ، يمكن فصل هذه المحفزات عن منتجات التفاعل (أي عن طريق الترشيح).
التنظيف بالموجات فوق الصوتية
غالبا ما ينطوي التحفيز على منتجات ثانوية غير مرغوب فيها أو ملوثات أو شوائب في الكواشف. هذا يمكن أن يؤدي إلى تدهور وتلوث على سطح المحفزات الصلبة. يقلل القاذورات من سطح المحفز المكشوف وبالتالي يقلل من كفاءته. لا يلزم إزالته سواء أثناء العملية أو في فترات إعادة التدوير باستخدام مواد كيميائية أخرى للعملية. الموجات فوق الصوتية هي وسيلة فعالة ل تنظيف المحفزات أو المساعدة في عملية إعادة تدوير المحفز. التنظيف بالموجات فوق الصوتية هو على الأرجح التطبيق الأكثر شيوعا والمعروفة للموجات فوق الصوتية. اصطدام نفاثات السائل التجويفي وموجات الصدمة التي تصل إلى 104يمكن أن تخلق أجهزة الصراف الآلي قوى قص موضعية وتآكل وتنقر سطحي. بالنسبة للجسيمات ذات الحجم الدقيق ، تؤدي الاصطدامات عالية السرعة بين الجسيمات إلى تآكل السطح وحتى طحن وطحن. يمكن أن تتسبب هذه الاصطدامات في درجات حرارة تأثير عابرة محلية تبلغ حوالي 3000 كلفن. أظهر سوسليك, أن الموجات فوق الصوتية بشكل فعال يزيل طلاء أكسيد السطح. تؤدي إزالة هذه الطلاءات التخميلية إلى تحسين معدلات التفاعل بشكل كبير لمجموعة متنوعة من التفاعلات (سوسليك 2008). يساعد تطبيق الموجات فوق الصوتية على تقليل مشكلة تلوث المحفز المشتت الصلب أثناء الحفز ويساهم في التنظيف أثناء عملية إعادة تدوير المحفز.
أمثلة على الحفز بالموجات فوق الصوتية
هناك العديد من الأمثلة على التحفيز بمساعدة الموجات فوق الصوتية ولإعداد المحفزات غير المتجانسة بالموجات فوق الصوتية. نوصي ب سونوكاتاليسيس مقال بقلم كينيث سوسليك للحصول على مقدمة شاملة. Hielscher لوازم مفاعلات الموجات فوق الصوتية لإعداد المحفزات أو الحفز، 
مثل الأسترة التحفيزية لإنتاج ميثيل استرات (أي ميثيل إستر دهني = ديزل حيوي).
معدات الموجات فوق الصوتية لسونوكاتاليسيس
Hielscher بتصنيع أجهزة الموجات فوق الصوتية للاستخدام في أي مقياس ومنتديات مجموعة متنوعة من العمليات. وهذا يشمل صوتنة المختبر في قوارير صغيرة وكذلك المفاعلات الصناعية وخلايا التدفق. لاختبار العملية الأولية في نطاق المختبر UP400S (400 واط) مناسب جدا. يمكن استخدامه لعمليات الدفعات وكذلك للصوتنة المضمنة. لاختبار العملية وتحسينها قبل التوسع ، نوصي باستخدام UIP1000hd (1000 واط)، حيث أن هذه الوحدات قابلة للتكيف للغاية ويتم تحجيم النتائج خطيا إلى أي سعة أكبر. للإنتاج على نطاق واسع نحن نقدم أجهزة الموجات فوق الصوتية تصل إلى 10 كيلو واط و 16 كيلو واط قوة الموجات فوق الصوتية. توفر مجموعات العديد من هذه الوحدات قدرات معالجة عالية جدا.
سنكون سعداء لدعم اختبار العملية وتحسينها وتوسيع نطاقها. تحدث إلينا حول المعدات المناسبة أو قم بزيارة مختبر العمليات لدينا.
الأدب على Sonocatalysis والحفز بمساعدة الموجات فوق الصوتية
سوسليك ، ك. س. ؛ ديدينكو ، ي. فانغ ، م. م. ؛ هيون ، ت. ؛ كولبيك ، ك. ج. ؛ ماكنمارا ، دبليو بي الثالث ؛ مدليني ، م. م. وونغ ، م. (1999): التجويف الصوتي وعواقبه الكيميائية ، في: Phil. Trans. روي. شركه نفط الجنوب. أ ، 1999 ، 357 ، 335-353.
سوسليك ، ك. س. ؛ سكرابالاك ، س. إ. (2008): “سونوكاتاليسيس” في كتيب الحفز غير المتجانس، المجلد 4؛ إرتل ، ج. ؛ كنزينغر ، ه. شث ، ف. ؛ ويتكامب ، ج. ، محرران ؛ Wiley-VCH: Weinheim ، 2008 ، ص 2006-2017.
Literatur über die Sonokatalyse und die ultraschallgestützte Katalyse
سوسليك ، ك. س. ؛ ديدينكو ، ي. فانغ ، م. م. ؛ هيون ، ت. ؛ كولبيك ، ك. ج. ؛ ماكنمارا ، دبليو بي الثالث ؛ مدليني ، م. م. وونغ ، م. (1999): التجويف الصوتي وعواقبه الكيميائية ، في: Phil. Trans. روي. شركه نفط الجنوب. أ ، 1999 ، 357 ، 335-353.
سوسليك ، ك. س. ؛ سكرابالاك ، س. إ. (2008): “سونوكاتاليسيس” في كتيب التحفيز غير المتجانس ، المجلد 4 ؛ إرتل ، ج. Knözinger ، H. Schüth ، F. ؛ ويتكامب ، ج. ، محرران. Wiley-VCH: Weinheim ، 2008 ، ص 2006-2017.