Poboljšani Fischer-Tropschovi katalizatori uz ultrazvučnu obradu

Poboljšana sinteza Fischer-Tropschovih katalizatora ultrazvukom: Ultrazvučna obrada čestica katalizatora koristi se u nekoliko svrha. Ultrazvučna sinteza pomaže u stvaranju modifikovanih ili funkcionalizovanih nanočestica visoke katalitičke aktivnosti. Istrošeni i otrovani katalizatori mogu se lako i brzo regenerisati ultrazvučnom obradom površine, kojom se s katalizatora uklanja inaktivirajuće nanošenje nečistoća. Naposljetku, ultrazvučna deaglomeracija i disperzija daju ujednačenu, monodisperznu raspodjelu čestica katalizatora, čime se osiguravaju velika aktivna površina čestica i prijenos mase za optimalnu katalitičku konverziju.

Prednosti ultrazvučne pripreme katalizatora za Fischer-Tropschove procese

Ultrazvučna obrada nudi značajne prednosti u sintezi Fischer-Tropschovih katalizatora, prvenstveno zbog mogućnosti finog upravljanja morfologijom katalizatora i raspodjelom aktivnih centara. Kavitacija visoke energije koju stvaraju ultrazvučni talasi osigurava brzo miješanje i djelotvornu deaglomeraciju prekursorskih materijala, što dovodi do vrlo ujednačene raspodjele veličine čestica i povećane površine. Ova poboljšana homogenost rezultira većom disperzijom aktivnih komponenti, što je ključno za maksimalan broj dostupnih reakcijskih mjesta. Osim toga, kontrolisana kinetika miješanja često dovodi do stvaranja vrlo stabilnih i poroznih struktura, čime se poboljšavaju katalitičke performanse, selektivnost i dugoročna stabilnost katalizatora u teškim reakcijskim uvjetima.

Ultrazvučni efekti na katalizatore

Ultrazvuk velike snage poznat je po svom pozitivnom utjecaju na hemijske reakcije. Kada se intenzivni ultrazvučni talasi uvedu u tečni medij, nastaje akustična kavitacija. Ultrazvučna kavitacija stvara lokalno ekstremne uvjete s vrlo visokim temperaturama do 5.000K, pritiscima od približno 2.000atm i tečnim mlazovima brzine do 280m/s. Pojava akustične kavitacije i njeni učinci na hemijske procese poznati su pod pojmom sonohemija.
Uobičajena primjena ultrazvuka je priprema heterogenih katalizatora: sile ultrazvučne kavitacije aktiviraju površinu katalizatora jer kavitacijska erozija stvara nepasivizirane, visoko reaktivne površine. Osim toga, prijenos mase značajno se poboljšava turbulentnim strujanjem tečnosti. Snažni sudari čestica uzrokovani akustičnom kavitacijom uklanjaju površinske oksidne slojeve s čestica praha, što rezultira reaktivacijom površine katalizatora.

Ultrazvučna sinteza katalizatora dopiranog paladijem. Sonikator UIP1000hdT koristi se za redukciju alladium iona u nanočestice Pd i njihovo nanošenje na površinu ugljikovih nanocijevi dopiranih dušikom (N-BCNT).

Sinteza katalizatora dopiranog paladijem korištenjem sonikatora UIP1000hdT
Studija i slika: ©Prekob et al., 2020

Ultrazvučna priprema Fischer-Tropschovih katalizatora

Fischer-Tropschov proces obuhvata nekoliko hemijskih reakcija kojima se mješavina ugljikovog monoksida i vodika pretvara u tečne ugljikovodike. Za Fischer-Tropschovu sintezu može se koristiti niz katalizatora, ali se najčešće koriste prijelazni metali kobalt, željezo i rutenij. Visokotemperaturna Fischer-Tropschova sinteza provodi se sa željeznim katalizatorom.
Budući da su Fischer-Tropschovi katalizatori podložni trovanju spojevima koji sadrže sumpor, ultrazvučna reaktivacija od velike je važnosti za očuvanje pune katalitičke aktivnosti i selektivnosti.

Prednosti ultrazvučne sinteze katalizatora

Taloženje ili kristalizacija
(Nano-)čestice s dobro kontrolisanom veličinom i oblikom
Modifikovana i funkcionalizovana površinska svojstva
Sinteza dopiranih čestica ili čestica jezgra–ljuska
Mezoporozno strukturiranje

Ultrazvučna sinteza katalizatora jezgra–ljuska

Nanostrukture jezgra–ljuska su nanočestice inkapsulirane i zaštićene vanjskom ljuskom koja izolira nanočestice i sprječava njihovu migraciju i koalescenciju tokom katalitičkih reakcija

Pirola et al. (2010) pripremili su Fischer-Tropschove katalizatore na bazi željeza na silicijskom nosaču s visokim udjelom aktivnog metala. Njihova studija pokazuje da ultrazvučno potpomognuta impregnacija silicijskog nosača poboljšava depoziciju metala i povećava aktivnost katalizatora. Rezultati Fischer-Tropschove sinteze pokazali su da su katalizatori pripremljeni ultrazvučnom obradom najdjelotvorniji, posebno kada se ultrazvučna impregnacija izvodi u atmosferi argona.

U ovom videu ultrazvučni homogenizator Hielscher UP200St snage 200 vati sa sonotrodom od 7mm montiran je na standardni stakleni priključak na dnu staklenog reaktora. Montaža može biti horizontalna, vertikalna ili u bilo kojem drugom smjeru. Na jednu reaktorsku posudu može se montirati više ultrazvučnih sondi – naprimjer, na različitim visinama. Često se prednost daje ugradnji sa strane ili odozdo jer bolje funkcionira pri promjenjivim nivoima tečnosti. Ultrazvučno miješanje možete kombinirati s konvencionalnim miješalicama s gornjim pogonom.

Ultrazvučna reaktivacija katalizatora

Ultrazvučna obrada površine čestica brza je i jednostavna metoda za regeneraciju i reaktivaciju istrošenih i pasiviziranih katalizatora. Mogućnost regeneracije katalizatora omogućava njegovu reaktivaciju i ponovnu upotrebu, pa je stoga ekonomičan i ekološki prihvatljiv korak procesa.
Ultrazvučna obrada čestica uklanja inaktivirajuće pasivizirajuće slojeve, nečistoće i naslage s čestica katalizatora, koji blokiraju mjesta katalitičke reakcije. Ultrazvučna obrada suspenzije istrošenog katalizatora rezultira mlaznim ispiranjem površine čestica katalizatora, čime se uklanjaju naslage s katalitički aktivnog mjesta. Nakon ultrazvučne obrade aktivnost katalizatora vraća se na istu djelotvornost kao kod svježeg katalizatora. Osim toga, ultrazvučna obrada razbija aglomerate i osigurava homogenu, ujednačenu raspodjelu monodisperznih čestica, što povećava površinu čestica, a time i aktivno katalitičko mjesto. Stoga ultrazvučna regeneracija katalizatora daje regenerisane katalizatore s velikom aktivnom površinom za poboljšan prijenos mase.
Ultrazvučna regeneracija katalizatora djeluje na mineralne i metalne čestice, (mezo)porozne čestice i nanokompozite.
Saznajte više o ultrazvučnoj regeneraciji istrošenih katalizatora!

Visokoučinkoviti sonikatori za sonohemijsku sintezu Fischer-Tropschovih katalizatora

Hielscher sonikatori vrlo su cijenjeni u sintezi katalizatora zbog robusne konstrukcije, preciznosti i skalabilnosti, čime nude značajne prednosti u odnosu na opću opremu za ultrazvučnu obradu. Ovi uređaji pružaju precizno podesivu ultrazvučnu energiju visokog intenziteta, što je ključno za postizanje ujednačene disperzije prekursorskih materijala i omogućavanje precizne nukleacije i rasta čestica katalizatora. Sofisticirani sistemi upravljanja omogućavaju istraživačima da tačno regulišu parametre kao što su izlazna snaga i trajanje impulsa, osiguravajući ponovljive eksperimentalne rezultate – ključni faktor u nauci o materijalima. Osim toga, Hielscher sonikatori poznati su po svojoj izdržljivosti i sposobnosti rada u različitim razmjerama, od malih laboratorijskih šarži do pogona pilot-postrojenja, čime se omogućava djelotvoran prijelaz obećavajućih formulacija katalizatora iz istraživanja na laboratorijskoj skali u industrijsku primjenu. Njemački inženjerski i proizvodni standardi osiguravaju da se Hielscher ultrazvučna oprema može pouzdano koristiti u radu 24/7 pod velikim opterećenjima.

Tabela u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših sonikatora:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	klaster uređaja UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Povezane teme

Vrijedi znati

Šta je Fischer-Tropschova reakcija?

Fischer-Tropschova reakcija je katalitički hemijski proces kojim se sintezni plin, mješavina ugljikovog monoksida i vodika, pretvara u ugljikovodike kao što su alkani, alkeni, voskovi i tečna goriva. To je važan put za proizvodnju sintetskih goriva i hemikalija iz uglja, prirodnog plina, biomase ili sinteznog plina dobivenog iz CO₂.

Šta je Fischer-Tropschov katalizator?

Fischer-Tropschov katalizator je čvrsti katalitički materijal koji potiče hidrogenaciju i konverziju ugljikovog monoksida s vodikom u ugljikovodike uz rast lanca. Najčešće korišteni aktivni metali su željezo, kobalt i rutenij, često nanijeti na materijale kao što su aluminijev oksid, silicijev dioksid, titanijev dioksid ili ugljik radi poboljšanja površine, stabilnosti i selektivnosti.

Koje industrije koriste Fischer-Tropschove reakcije?

Fischer-Tropschove reakcije koriste se u industriji sintetskih goriva, petrohemijskoj industriji, proizvodnji tečnih goriva iz plina, proizvodnji tečnih goriva iz uglja, proizvodnji tečnih goriva iz biomase te u sektorima koji se razvijaju, poput proizvodnje tečnih goriva iz električne energije i iskorištavanja uhvaćenog ugljika. Posebno su značajne za proizvodnju dizela, mlaznog goriva, maziva, voskova, olefina i drugih ugljikovodičnih sirovina.

Koje su primjene Fischer-Tropschovih katalizatora?

Fischer–Tropschova sinteza je kategorija katalitičkih procesa koji se primjenjuju u proizvodnji goriva i hemikalija iz sinteznog plina (mješavina CO i H₂), koji se može
dobiti iz prirodnog plina, uglja ili biomase. U Fischer-Tropschovom procesu koristi se katalizator koji sadrži prijelazni metal za proizvodnju ugljikovodika iz osnovnih polaznih materijala, vodika i ugljikovog monoksida, koji se mogu dobiti iz različitih resursa koji sadrže ugljik, kao što su ugljen, prirodni plin, biomasa, pa čak i otpad.

Literatura / reference

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.