Sonikasiya ilə təkmilləşdirilmiş Fischer-Tropsch katalizatorları

Ultrasəslə Fischer-Tropsch katalizatorlarının təkmilləşdirilmiş sintezi: Katalizator hissəciklərinin ultrasəslə emalı müxtəlif məqsədlər üçün istifadə olunur. Ultrasəs sintezi yüksək katalitik aktivliyə malik modifikasiya edilmiş və ya funksionallaşdırılmış nanohissəciklərin yaradılmasına kömək edir. İşlənmiş və zəhərlənmiş katalizatorlar, katalizatorun aktivliyini azaldan çirklənməni aradan qaldıran ultrasəslə səth emalı vasitəsilə asanlıqla və sürətlə bərpa edilə bilər. Nəhayət, ultrasəslə deaqlomerasiya və dispersləşdirmə optimal katalitik çevrilmə üçün hissəciklərin böyük aktiv səth sahəsini və kütlə ötürülməsini təmin edən bərabər, monodispers katalizator hissəcikləri paylanması yaradır.

Fischer-Tropsch prosesləri üçün katalizatorların ultrasəslə hazırlanmasının üstünlükləri

Sonikasiya, əsasən katalizatorun morfologiyasına və aktiv mərkəzlərin paylanmasına dəqiq nəzarət etməyə imkan verdiyinə görə, Fischer-Tropsch katalizatorlarının sintezində əhəmiyyətli üstünlüklər təqdim edir. Ultrasəs dalğalarının yaratdığı yüksək enerjili kavitasiya sürətli qarışdırmanı və prekursor materiallarının effektiv deaqlomerasiyasını təmin edərək hissəcik ölçülərinin çox bərabər paylanmasına və səth sahəsinin artmasına səbəb olur. Homogenliyin bu şəkildə yaxşılaşması aktiv komponentlərin daha yaxşı dispersləşməsi ilə nəticələnir ki, bu da əlçatan reaksiya mərkəzlərinin sayını maksimuma çatdırmaq üçün mühüm əhəmiyyət daşıyır. Bundan əlavə, nəzarət olunan qarışdırma kinetikası çox vaxt yüksək dərəcədə sabit və məsaməli strukturların yaranmasına gətirib çıxarır və bununla da sərt reaksiya şəraitində katalizatorun katalitik səmərəliliyini, selektivliyini və uzunmüddətli sabitliyini yaxşılaşdırır.

Ultrasəsin katalizatorlara təsirləri

Yüksək güclü ultrasəs kimyəvi reaksiyalara müsbət təsiri ilə yaxşı tanınır. İntensiv ultrasəs dalğaları maye mühitə daxil edildikdə akustik kavitasiya yaranır. Ultrasəs kavitasiyası lokal olaraq 5.000K-ə qədər çox yüksək temperaturlar, təqribən 2.000atm təzyiqlər və sürəti 280m/s-ə qədər olan maye şırnaqları ilə ekstremal şərait yaradır. Akustik kavitasiya hadisəsi və onun kimyəvi proseslərə təsiri sonokimya termini ilə tanınır.
Ultrasəsin geniş yayılmış tətbiqlərindən biri heterogen katalizatorların hazırlanmasıdır: kavitasiya eroziyası passivləşməmiş, yüksək reaktivliyə malik səthlər yaratdığı üçün ultrasəs kavitasiyasının qüvvələri katalizatorun səth sahəsini aktivləşdirir. Bundan əlavə, turbulent maye axını kütlə ötürülməsini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Akustik kavitasiyanın yaratdığı güclü hissəcik toqquşmaları toz hissəciklərinin səthindəki oksid örtüklərini aradan qaldıraraq katalizator səthinin yenidən aktivləşməsinə səbəb olur.

Palladium qatqılı katalizatorun ultrasəslə sintezi. UIP1000hdT sonikatoru alladium ionlarını Pd nanohissəciklərinə qədər reduksiya etmək və onları azot qatqılı karbon nanoborularının (N-BCNT) səthinə çökdürmək üçün istifadə olunur.

Palladium qatqılı katalizatorun sintezi UIP1000hdT sonikatorundan istifadə etməklə
Tədqiqat və şəkil: ©Prekob et al., 2020

Fischer-Tropsch katalizatorlarının ultrasəslə hazırlanması

Fischer-Tropsch prosesi karbon monoksid və hidrogen qarışığını maye karbohidrogenlərə çevirən bir neçə kimyəvi reaksiyanı əhatə edir. Fischer-Tropsch sintezi üçün müxtəlif katalizatorlardan istifadə edilə bilər, lakin ən çox istifadə olunanlar keçid metalları olan kobalt, dəmir və ruteniumdur. Yüksək temperaturlu Fischer-Tropsch sintezi dəmir katalizatoru ilə aparılır.
Fischer-Tropsch katalizatorları kükürd tərkibli birləşmələrlə zəhərlənməyə həssas olduğundan, tam katalitik aktivliyi və selektivliyi qorumaq üçün ultrasəslə yenidən aktivləşdirmə böyük əhəmiyyət daşıyır.

Katalizatorların ultrasəslə sintezinin üstünlükləri

Çökdürmə və ya kristallaşma
Ölçüsü və forması yaxşı idarə olunan (nano-) hissəciklər
Modifikasiya edilmiş və funksionallaşdırılmış səth xassələri
Qatqılı və ya nüvə–qabıq hissəciklərinin sintezi
Mezoməsaməli strukturlaşdırma

Nüvə–qabıq katalizatorlarının ultrasəslə sintezi

Nüvə–qabıq nanostrukturları nanohissəcikləri təcrid edən və katalitik reaksiyalar zamanı onların miqrasiyasının və birləşməsinin qarşısını alan xarici qabıqla əhatə olunmuş və qorunan nanohissəciklərdir

Pirola et al. (2010) yüksək aktiv metal yüklənməsinə malik, silisium dioksid daşıyıcılı, dəmir əsaslı Fischer-Tropsch katalizatorları hazırlamışlar. Onların tədqiqatında göstərilir ki, silisium dioksid daşıyıcısının ultrasəsin köməyi ilə hopdurulması metalın çökdürülməsini yaxşılaşdırır və katalizatorun aktivliyini artırır. Fischer-Tropsch sintezinin nəticələri ultrasəslə hazırlanmış katalizatorların ən səmərəli olduğunu göstərmişdir, xüsusilə də ultrasəslə hopdurulma arqon atmosferində aparıldıqda.

Bu videoda 7mm sonotrodla təchiz edilmiş 200 vatt gücündə Hielscher UP200St ultrasəs homogenizatoru şüşə reaktorun dibindəki standart şüşə birləşdiriciyə quraşdırılıb. Quraşdırma üfüqi, şaquli və ya istənilən başqa istiqamətdə aparıla bilər. Bir reaktor qabına bir neçə ultrasəs zondu, məsələn, müxtəlif hündürlüklərdə quraşdırıla bilər. Maye səviyyəsi dəyişdikdə daha yaxşı işlədiyi üçün çox vaxt yandan və ya dibdən quraşdırmaya üstünlük verilir. Ultrasəslə qarışdırmanı adi üst ötürücülü qarışdırıcılarla birləşdirə bilərsiniz.

Katalizatorların ultrasəslə yenidən aktivləşdirilməsi

Hissəcik səthinin ultrasəslə emalı işlənmiş və passivləşmiş katalizatorların regenerasiyası və yenidən aktivləşdirilməsi üçün sürətli və asan üsuldur. Katalizatorun regenerasiya oluna bilməsi onun yenidən aktivləşdirilməsinə və təkrar istifadəsinə imkan verir və beləliklə, iqtisadi və ekoloji cəhətdən əlverişli proses mərhələsi təşkil edir.
Hissəciklərin ultrasəslə emalı katalizator hissəciyindən katalitik reaksiya mərkəzlərini bloklayan və aktivliyi azaldan passivləşdirici təbəqələri, çirklənməni və qarışıqları aradan qaldırır. İşlənmiş katalizator suspenziyasının sonikasiyası katalizator hissəciyinin səthinin şırnaqlarla yuyulmasına səbəb olur və bununla da katalitik aktiv mərkəzdən çöküntüləri uzaqlaşdırır. Ultrasəslə emaldan sonra katalizatorun aktivliyi təzə katalizatorla eyni səmərəlilik səviyyəsinə bərpa olunur. Bundan əlavə, sonikasiya aqlomeratları parçalayır və monodispers hissəciklərin homogen, bərabər paylanmasını təmin edir ki, bu da hissəciklərin səth sahəsini və bununla da aktiv katalitik mərkəzin sahəsini artırır. Beləliklə, katalizatorların ultrasəslə bərpası kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırmaq üçün böyük aktiv səth sahəsinə malik regenerasiya edilmiş katalizatorlar verir.
Katalizatorların ultrasəslə regenerasiyası mineral və metal hissəcikləri, (mezo-)məsaməli hissəciklər və nanokompozitlər üçün tətbiq olunur.
İşlənmiş katalizatorların ultrasəslə regenerasiyası haqqında daha ətraflı oxuyun!

Fischer-Tropsch katalizatorlarının sonokimyəvi sintezi üçün yüksək məhsuldarlıqlı sonikatorlar

Hielscher sonikatorları möhkəm konstruksiyası, dəqiqliyi və miqyasının artırıla bilməsi sayəsində katalizator sintezində çox üstün tutulur və ümumi təyinatlı sonikasiya avadanlıqları ilə müqayisədə əhəmiyyətli üstünlüklər təqdim edir. Bu qurğular dəqiq idarə oluna bilən və yüksək intensivlikli ultrasəs enerjisi təmin edir ki, bu da prekursor materiallarının bərabər dispersləşməsinə nail olmaq və katalizator hissəciklərinin dəqiq nüvələnməsini və böyüməsini asanlaşdırmaq üçün mühüm əhəmiyyət daşıyır. Təkmil idarəetmə sistemləri tədqiqatçılara çıxış gücü və impuls müddəti kimi parametrləri dəqiq tənzimləməyə imkan verərək təkrarlana bilən eksperimental nəticələri təmin edir – bu, materialşünaslıqda həyati əhəmiyyət daşıyan amildir. Bundan əlavə, Hielscher sonikatorları davamlılığı və kiçik laboratoriya partiyalarından pilot qurğulardakı əməliyyatlara qədər müxtəlif miqyaslarda işləyə bilməsi ilə tanınır və bununla da perspektivli katalizator tərkiblərinin laboratoriya miqyaslı tədqiqatlardan sənaye tətbiqinə səmərəli keçidini mümkün edir. Alman mühəndislik və istehsal standartları Hielscher ultrasəs avadanlıqlarının ağır iş yükləri altında 24/7 rejimində etibarlı şəkildə işlədilməsini təmin edir.

Aşağıdakı cədvəl sonikatorlarımızın təxmini emal tutumu haqqında təsəvvür yaradır:

Partiyanın həcmi	Axın sərfi	Tövsiyə olunan cihazlar
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	UIP4000hdT
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	daha yüksək	cihazlar qrupu: UIP16000

Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!

Əlaqəli mövzular

Bilməyə dəyər faktlar

Fischer-Tropsch reaksiyası nədir?

Fischer-Tropsch reaksiyası karbon monoksid və hidrogen qarışığı olan sintez qazını alkanlar, alkenlər, mumlar və maye yanacaqlar kimi karbohidrogenlərə çevirən katalitik kimyəvi prosesdir. Bu, kömürdən, təbii qazdan, biokütlədən və ya CO₂-dən alınan sintez qazından sintetik yanacaqlar və kimyəvi maddələr istehsal etmək üçün mühüm yoldur.

Fischer-Tropsch katalizatoru nədir?

Fischer-Tropsch katalizatoru karbon monoksidin hidrogenlə hidrogenləşməsini və zəncirin böyüməsi ilə karbohidrogenlərə çevrilməsini təşviq edən bərk katalitik materialdır. Ən geniş istifadə olunan aktiv metallar dəmir, kobalt və ruteniumdur; səth sahəsini, sabitliyi və selektivliyi yaxşılaşdırmaq üçün bunlar çox vaxt alüminium oksid, silisium dioksid, titan dioksid və ya karbon kimi materiallar üzərinə yerləşdirilir.

Fischer-Tropsch reaksiyaları hansı sənaye sahələrində istifadə olunur?

Fischer-Tropsch reaksiyaları sintetik yanacaq sənayesində, neft-kimya sənayesində, qazdan maye məhsulların, kömürdən maye məhsulların, biokütlədən maye məhsulların istehsalında, eləcə də inkişaf etməkdə olan elektrik enerjisindən maye məhsulların istehsalı və karbonun tutulub istifadəsi sahələrində tətbiq olunur. Onlar xüsusilə dizel yanacağı, reaktiv mühərrik yanacağı, sürtkü materialları, mumlar, olefinlər və digər karbohidrogen xammallarının istehsalı üçün əhəmiyyətlidir.

Fischer-Tropsch katalizatorlarının tətbiq sahələri hansılardır?

Fischer–Tropsch sintezi yanacaq və kimyəvi maddələrin sintez qazı qarışığından (CO və H₂) istehsalında tətbiq olunan katalitik proseslər kateqoriyasıdır; bu qarışıq
təbii qazdan, kömürdən və ya biokütlədən alına bilər. Fischer-Tropsch prosesində hidrogen və karbon monoksid kimi ən sadə başlanğıc maddələrdən karbohidrogenlər istehsal etmək üçün keçid metalı tərkibli katalizatordan istifadə olunur; bu başlanğıc maddələr kömür, təbii qaz, biokütlə və hətta tullantılar kimi müxtəlif karbon tərkibli mənbələrdən alına bilər.

Ədəbiyyat / İstinadlar

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.