сонокатализа – Ултразвукова катализа

Ултразвукът влияе върху реактивността на катализатора по време на катализа чрез подобрен пренос на маса и влагане на енергия. При хетерогенна катализа, където катализаторът е в различна фаза от реагентите, ултразвуковата дисперсия увеличава повърхността, достъпна за реагентите.

Предистория на сонокатализата

Катализата е процес, при който скоростта на химическата реакция се увеличава (или намалена) с помощта на катализатор. Производството на много химикали включва катализа. Влиянието върху скоростта на реакцията зависи от честотата на контакт на реагентите в етапа на определяне на скоростта. Като цяло катализаторите увеличават скоростта на реакцията и намаляват енергията на активиране, като осигуряват алтернативен реакционен път към продукта на реакцията. За тази цел катализаторите реагират с един или повече реагенти, за да образуват междинни продукти, които впоследствие дават крайния продукт. Последната стъпка регенерира катализатора. От намаляване на енергията на активиране, повече молекулярни сблъсъци имат енергията, необходима за достигане на преходно състояние. В някои случаи се използват катализатори променят селективността на химическа реакция.

Проектът диаграма вдясно илюстрира ефекта на катализатора в химическа реакция X+Y за получаване на Z. Катализаторът осигурява алтернативен път (зелен) с по-ниска активация на енергията Ea.

Ефекти от ултразвука

Дължината на акустичната вълна в течности варира от приблизително 110 до 0,15 mm за честоти между 18kHz и 10MHz. Това е значително над молекулярните размери. Поради тази причина няма директно свързване на акустичното поле с молекули от химичен вид. Ефектите от ултразвука до голяма степен са резултат от ултразвукова кавитация в течности. Следователно, ултразвуковата катализа изисква поне един реагент да е в течна фаза. Ултразвукът допринася за хетерогенна и хомогенна катализа по много начини. Индивидуалните ефекти могат да бъдат насърчавани или намалени чрез адаптиране на ултразвуковата амплитуда и налягането на течността.

Ултразвуково диспергиране и емулгиране

Химичните реакции, включващи реагенти и катализатор от повече от една фаза (хетерогенна катализа), са ограничени до фазовата граница, тъй като това е единственото място, където има реагентът, както и катализаторът. Експозицията на реагентите и на катализатора един на друг е Ключов фактор за много многофазни химични реакции. Поради тази причина специфичната повърхност на фазовата граница оказва влияние върху химическата скорост на реакцията.

Ултразвукът е много ефективно средство за дисперсия на твърди вещества и за емулгиране на течности. Чрез намаляване на размера на частицата/капката общата повърхност на фазовата граница се увеличава едновременно. Графиката вляво показва корелацията между размера на частиците и повърхността в случай на сферични частици или капчици (Кликнете за по-голям изглед!). С увеличаването на повърхността на фазовата граница се увеличава и скоростта на химическата реакция. За много материали ултразвуковата кавитация може да направи частици и капчици много фин размер – често значително под 100 нанометра. Ако дисперсията или емулсията станат поне временно стабилни, прилагането на Ултразвукът може да се изисква само в начална фаза на химичната реакция. Вграденият ултразвуков реактор за първоначално смесване на реагентите и катализатора може да генерира частици/капчици с фин размер за много кратко време и при високи дебити. Може да се прилага дори върху силно вискозни среди.

Масов трансфер

Когато реагентите реагират на фазова граница, продуктите от химическата реакция се натрупват на контактната повърхност. Това блокира другите молекули на реагента да взаимодействат на тази фазова граница. Механичните сили на срязване, причинени от кавитационни струйни потоци и акустично течение, водят до турбулентен поток и транспорт на материал от и до повърхности на частици или капчици. В случай на капчици, високото срязване може да доведе до сливане и последващо образуване на нови капчици. Тъй като химическата реакция напредва с течение на времето, може да се наложи повтаряща се ултразвук, например двустепенна или рециркулация, за да Увеличете максимално експозицията на реагентите.

Вложена енергия

Ултразвуковата кавитация е уникален начин за вкарайте енергията в химични реакции. Комбинация от високоскоростни течни струи, високо налягане (>1000 атм) и високи температури (>5000K), огромни скорости на нагряване и охлаждане (>10⁹Кс^-1) се появяват локално концентрирани по време на имплозивното компресиране на кавитационни мехурчета. Кенет Съслик Казва: “Кавитацията е изключителен метод за концентриране на дифузната енергия на звука в химически използваема форма.”

Повишаване на реактивността

Кавитационна ерозия по повърхностите на частиците генерира непасивирани, силно реактивни повърхности. Краткотрайните високи температури и налягания допринасят за молекулярно разлагане и повишаване на реактивността от много химически видове. Ултразвуковото облъчване може да се използва при приготвянето на катализатори, например за получаване на агрегати от фини частици. Това произвежда аморфни катализатори частици с висока специфична повърхност област. Поради тази агрегатна структура такива катализатори могат да бъдат отделени от продуктите на реакцията (т.е. чрез филтриране).

Ултразвуково почистване

Често катализата включва нежелани странични продукти, замърсявания или примеси в реагентите. Това може да доведе до разграждане и замърсяване на повърхността на твърдите катализатори. Замърсяването намалява откритата повърхност на катализатора и следователно намалява неговата ефективност. Не е необходимо да се отстранява нито по време на процеса, нито в интервали за рециклиране с други технологични химикали. Ултразвукът е ефективно средство за почистете катализаторите или подпомогнете процеса на рециклиране на катализатори. Ултразвуковото почистване е може би най-често срещаното и известно приложение на ултразвука. Сблъсък на кавитационни течни струи и ударни вълни до 10⁴ATM може да създаде локализирани сили на срязване, ерозия и повърхностно изямване. За частици с фин размер високоскоростните сблъсъци между частиците водят до повърхностна ерозия и дори Шлайфане и фрезоване. Тези сблъсъци могат да причинят локални преходни температури на удар от около 3000K. Suslick демонстрира, че ултразвукът ефективно премахва повърхностните оксидни покрития. Отстраняването на такива пасивиращи покрития драстично подобрява скоростта на реакция за голямо разнообразие от реакции (Suslick 2008). Прилагането на ултразвук помага за намаляване на проблема със замърсяването на твърд диспергиран катализатор по време на катализа и допринася за почистването по време на процеса на рециклиране на катализатора.

Примери за ултразвукова катализа

Има многобройни примери за ултразвукова катализа и за ултразвукова подготовка на хетерогенни катализатори. Препоръчваме сонокатализа статия от Кенет Съслик за изчерпателно въведение. Hielscher доставя ултразвукови реактори за приготвяне на катализатори или катализа, като каталитична трансестерификация за производството на метилестери (т.е. мастен метилестер = биодизел).

Ултразвуково оборудване за сонокатализа

Hielscher произвежда ултразвукови устройства за използване при всякакъв мащаб и за Разнообразие от процеси. Това включва Лабораторна ултразвук в малки флакони, както и промишлени реактори и проточни клетки. За първоначален процес на изпитване в лабораторен мащаб UP400S (400 вата) е много подходяща. Може да се използва както за партидни процеси, така и за вградена ултразвук. За тестване и оптимизация на процеса преди мащабиране препоръчваме да използвате UIP1000hd (1000 вата), тъй като тези единици са много адаптивни и резултатите могат да бъдат мащабирани линейно за всеки по-голям капацитет. За пълномащабно производство предлагаме ултразвукови апарати до 10kW и 16kW ултразвукова мощност. Клъстерите от няколко такива единици осигуряват много висок капацитет за обработка.

Ще се радваме да подкрепим вашето тестване, оптимизация и мащабиране на процеса. Говорете с нас за подходящо оборудване или Посетете нашата технологична лаборатория.

Литература за сонокатализа и ултразвукова катализа

Съслик, К. С.; Диденко, Й.; Фанг, М. М.; Хьон, Т.; Колбек, К. Дж.; Макнамара, У. Б. III; Мдлелени, М. М.; Уонг, М. (1999): Акустична кавитация и нейните химични последици, в: Phil. Соц. А, 1999, 357, 335-353.

Съслик, К. С.; Skrabalak, S. E. (2008): “сонокатализа” В Наръчник по хетерогенна катализа, том 4; Ертл, Г.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.