Подобрени катализатори за синтеза на Фишер–Тропш чрез ултразвукова обработка

Подобрен синтез на катализатори за процеса на Фишер–Тропш с ултразвук: Ултразвуковата обработка на каталитични частици се използва за няколко цели. Ултразвуковият синтез спомага за създаването на модифицирани или функционализирани наночастици с висока каталитична активност. Отработените и отровените катализатори могат лесно и бързо да бъдат възстановени чрез ултразвукова обработка на повърхността, която премахва инактивиращите замърсявания от катализатора. Накрая, ултразвуковата деагломерация и диспергиране водят до равномерно, монодисперсно разпределение на каталитичните частици, което осигурява голяма активна повърхност на частиците и масопренос за оптимално каталитично превръщане.

Предимства на ултразвуковото получаване на катализатори за процесите на Фишер–Тропш

Ултразвуковата обработка предлага значителни предимства при синтеза на катализатори за процеса на Фишер–Тропш, главно поради способността ѝ да осигурява прецизен контрол върху морфологията на катализатора и разпределението на активните центрове. Високоенергийната кавитация, генерирана от ултразвуковите вълни, осигурява бързо смесване и ефективна деагломерация на прекурсорните материали, което води до изключително равномерно разпределение на размера на частиците и увеличена повърхностна площ. Тази подобрена хомогенност води до по-добро диспергиране на активните компоненти, което е от решаващо значение за максимизиране на броя на достъпните реакционни центрове. Освен това контролираната кинетика на смесване често води до образуването на много стабилни и порести структури, като по този начин подобрява каталитичната ефективност, селективността и дългосрочната стабилност на катализатора при тежки реакционни условия.

Ултразвукови въздействия върху катализаторите

Ултразвукът с висока мощност е добре известен с положителното си влияние върху химичните реакции. Когато интензивни ултразвукови вълни се въвеждат в течна среда, се генерира акустична кавитация. Ултразвуковата кавитация създава локално екстремни условия с много високи температури до 5 000K, налягания от приблизително 2 000atm и течни струи със скорост до 280m/s. Явлението акустична кавитация и неговите въздействия върху химичните процеси са известни с термина сонохимия.
Често приложение на ултразвука е получаването на хетерогенни катализатори: силите на ултразвуковата кавитация активират повърхността на катализатора, тъй като кавитационната ерозия създава непасивирани, силно реактивни повърхности. Освен това масопреносът се подобрява значително от турбулентното движение на течността. Интензивните сблъсъци между частиците, причинени от акустичната кавитация, премахват повърхностните оксидни покрития на праховите частици, което води до реактивиране на повърхността на катализатора.

Ултразвуков синтез на катализатор, легиран с паладий. Ултразвуковият апарат UIP1000hdT се използва за редуциране на йони на alladium до наночастици от Pd и отлагането им върху повърхността на въглеродни нанотръби, легирани с азот (N-BCNT).

Синтез на катализатор, легиран с паладий, с помощта на ултразвуковия апарат UIP1000hdT
Изследване и изображение: ©Prekob et al., 2020

Ултразвуково получаване на катализатори за процеса на Фишер–Тропш

Процесът на Фишер–Тропш включва няколко химични реакции, които превръщат смес от въглероден моноксид и водород в течни въглеводороди. За синтеза на Фишер–Тропш могат да се използват различни катализатори, но най-често се използват преходните метали кобалт, желязо и рутений. Високотемпературният синтез на Фишер–Тропш се извършва с железен катализатор.
Тъй като катализаторите за процеса на Фишер–Тропш са податливи на каталитично отравяне от серосъдържащи съединения, ултразвуковото реактивиране е от голямо значение за поддържането на пълна каталитична активност и селективност.

Предимства на ултразвуковия синтез на катализатори

Утаяване или кристализация
(Нано-) частици с добре контролиран размер и форма
Модифицирани и функционализирани повърхностни свойства
Синтез на легирани частици или частици със структура ядро–обвивка
Мезопоресто структуриране

Ултразвуков синтез на катализатори със структура ядро–обвивка

Наноструктурите ядро–обвивка представляват наночастици, капсулирани и защитени от външна обвивка, която изолира наночастиците и предотвратява тяхната миграция и сливане по време на каталитичните реакции

Pirola et al. (2010) са получили катализатори на основата на желязо за процеса на Фишер–Тропш, нанесени върху носител от силициев диоксид, с високо съдържание на активен метал. Тяхното изследване показва, че ултразвуково подпомогнатото импрегниране на носителя от силициев диоксид подобрява отлагането на метала и увеличава активността на катализатора. Резултатите от синтеза на Фишер–Тропш показват, че катализаторите, получени чрез ултразвукова обработка, са най-ефективни, особено когато ултразвуковото импрегниране се извършва в атмосфера от аргон.

В това видео ултразвуков хомогенизатор Hielscher UP200St с мощност 200 вата и сонотрод 7mm е монтиран към стандартен стъклен щуцер на дъното на стъклен реактор. Монтажът може да бъде хоризонтален, вертикален или във всяка друга посока. Към един реакторен съд могат да се монтират няколко ултразвукови сонди – например на различни височини. Често се предпочита монтаж отстрани или отдолу, тъй като той е по-подходящ при променливи нива на течността. Ултразвуковото разбъркване може да се комбинира с конвенционални бъркалки с горно задвижване.

Ултразвуково реактивиране на катализатори

Ултразвуковата обработка на повърхността на частиците е бърз и лесен метод за регенериране и реактивиране на отработени и пасивирани катализатори. Възможността за регенериране на катализатора позволява неговото реактивиране и повторно използване и по този начин представлява икономичен и екологичен етап от процеса.
Ултразвуковата обработка на частиците премахва инактивиращите пасивиращи слоеве, замърсяванията и примесите от каталитичната частица, които блокират центровете за каталитична реакция. Ултразвуковата обработка на суспензия от отработен катализатор води до струйно промиване на повърхността на каталитичните частици, като по този начин премахва отлаганията от каталитично активните центрове. След ултразвуковата обработка активността на катализатора се възстановява до същата ефективност като тази на нов катализатор. Освен това ултразвуковата обработка разрушава агломератите и осигурява хомогенно, равномерно разпределение на монодисперсни частици, което увеличава повърхностната площ на частиците и съответно площта на активните каталитични центрове. Следователно ултразвуковото възстановяване на катализаторите води до регенерирани катализатори с голяма активна повърхност за подобрен масопренос.
Ултразвуковото регенериране на катализатори е приложимо за минерални и метални частици, (мезо-)порести частици и нанокомпозити.
Прочетете повече за ултразвуковото регенериране на отработени катализатори!

Високоефективни ултразвукови апарати за сонохимичния синтез на катализатори за процеса на Фишер–Тропш

Ултразвуковите апарати на Hielscher са силно предпочитани при синтеза на катализатори поради своята здрава конструкция, прецизност и възможност за мащабиране, като предлагат значителни предимства пред оборудването за ултразвукова обработка с общо предназначение. Тези устройства осигуряват прецизно контролируема ултразвукова енергия с висок интензитет, което е от решаващо значение за постигане на равномерно диспергиране на прекурсорните материали и за подпомагане на прецизното зародишообразуване и растеж на каталитичните частици. Усъвършенстваните системи за управление позволяват на изследователите точно да регулират параметри като изходната мощност и продължителността на импулса, осигурявайки възпроизводими експериментални резултати – жизненоважен фактор в материалознанието. Освен това ултразвуковите апарати на Hielscher са известни със своята издръжливост и способност да работят в различни мащаби, от малки лабораторни партиди до експлоатация в пилотни инсталации, като по този начин позволяват ефективния преход на перспективни каталитични състави от лабораторни изследвания към промишлено приложение. Германските инженерни и производствени стандарти гарантират, че ултразвуковото оборудване на Hielscher може да работи надеждно в режим 24/7 при тежки натоварвания.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Обем на партидата	Дебит	Препоръчителни устройства
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000
n.a.	по-голям	група от UIP16000

Свържете се с нас! / Попитайте ни!

Свързани теми

Полезни факти

Какво представлява реакцията на Фишер–Тропш?

Реакцията на Фишер–Тропш е каталитичен химичен процес, който превръща синтез-газа, смес от въглероден моноксид и водород, във въглеводороди като алкани, алкени, восъци и течни горива. Тя е важен път за производство на синтетични горива и химикали от въглища, природен газ, биомаса или синтез-газ, получен от CO₂.

Какво представлява катализаторът за процеса на Фишер–Тропш?

Катализаторът за процеса на Фишер–Тропш е твърд каталитичен материал, който подпомага хидрогенирането и превръщането на въглероден моноксид с водород във въглеводороди чрез нарастване на веригата. Най-широко използваните активни метали са желязо, кобалт и рутений, често нанесени върху носители като алуминиев оксид, силициев диоксид, титанов диоксид или въглерод за подобряване на повърхностната площ, стабилността и селективността.

Кои отрасли използват реакциите на Фишер–Тропш?

Реакциите на Фишер–Тропш се използват в промишлеността за синтетични горива, нефтохимическата промишленост, производството на течни продукти от газ, производството на течни продукти от въглища, производството на течни продукти от биомаса и развиващите се сектори за производство на течни продукти чрез електроенергия и за улавяне и оползотворяване на въглерод. Те са особено значими за производството на дизелово гориво, гориво за реактивни двигатели, смазочни материали, восъци, олефини и други въглеводородни суровини.

Какви са приложенията на катализаторите за процеса на Фишер–Тропш?

Синтезът на Фишер–Тропш е категория каталитични процеси, които се прилагат при производството на горива и химикали от синтез-газ (смес от CO и H₂), който може да бъде
получен от природен газ, въглища или биомаса. В процеса на Фишер–Тропш се използва катализатор, съдържащ преходен метал, за получаване на въглеводороди от най-основните изходни материали водород и въглероден моноксид, които могат да бъдат получени от различни въглеродсъдържащи ресурси като въглища, природен газ, биомаса и дори отпадъци.

Литература / Източници

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.