Sonokataliza – Ultrazvučno potpomognuta kataliza
Ultrasonication utječe na reaktivnost katalizatora tijekom katalize poboljšanim prijenosom mase i unosom energije. U heterogenoj katalizi, gdje je katalizator u drugoj fazi u odnosu na reaktante, ultrazvučna disperzija povećava površinu koja je dostupna reaktantima.
Pozadina sonokatalize
Kataliza je proces u kojem stopa a hemijska reakcija je pojačana (ili smanjen) pomoću katalizatora. Proizvodnja mnogih hemikalija uključuje katalizu. Utjecaj na brzinu reakcije ovisi o učestalosti kontakta reaktanata u koraku koji određuje brzinu. Općenito, katalizatori povećavaju brzinu reakcije i smanjuju aktivacijsku energiju tako što osiguravaju alternativni put reakcije do produkta reakcije. Za to katalizatori reagiraju s jednim ili više reaktanata kako bi se formirali međuprodukti koji naknadno daju konačni proizvod. Posljednji korak regenerira katalizator. By smanjenje energije aktivacije, više molekularnih sudara ima energiju potrebnu za postizanje prijelaznog stanja. U nekim slučajevima se koriste katalizatori koji mijenjaju selektivnost kemijske reakcije.
The dijagram desno ilustruje efekat katalizatora u hemijskoj reakciji X+Y za proizvodnju Z. Katalizator obezbeđuje alternativni put (zeleno) sa nižom energijom aktivacije Ea.
Efekti ultrazvuka
Akustična talasna dužina u tečnostima se kreće od pribl. 110 do 0,15 mm za frekvencije između 18 kHz i 10 MHz. Ovo je znatno iznad molekularnih dimenzija. Iz tog razloga ne postoji direktna sprega akustičkog polja sa molekulima hemijske vrste. Efekti ultrazvuka su u velikoj mjeri rezultat ultrazvučna kavitacija u tečnostima. Stoga, ultrazvučno potpomognuta kataliza zahtijeva da najmanje jedan reagens bude u tečnoj fazi. Ultrasonication doprinosi heterogenoj i homogenoj katalizi na mnogo načina. Pojedinačni efekti se mogu unaprijediti ili smanjiti prilagođavanjem ultrazvučne amplitude i pritiska tekućine.
Ultrazvučno dispergiranje i emulgiranje
Hemijske reakcije koje uključuju reagense i katalizator sa više od jedne faze (heterogena kataliza) ograničene su na granicu faza jer je to jedino mjesto gdje su prisutni i reagens kao i katalizator. Izlaganje reagensa i katalizatora jedno drugom je a ključni faktor za mnoge višefazne hemijske reakcije. Iz tog razloga, specifična površina granice faze postaje utjecajna na kemijsku brzinu reakcije.
Ultrazvuk je veoma efikasno sredstvo za disperzija čvrstih materija i za emulgiranje tečnosti. Smanjenjem veličine čestica/kapljica, ukupna površina granice faze se istovremeno povećava. Grafik s lijeve strane prikazuje korelaciju između veličine čestica i površine u slučaju sfernih čestica ili kapljica (Kliknite za veći prikaz!). Kako se površina granične faze povećava, povećava se i brzina kemijske reakcije. Za mnoge materijale ultrazvučna kavitacija može stvoriti čestice i kapljice vrlo fine veličine – često znatno ispod 100 nanometara. Ako disperzija ili emulzija postane barem privremeno stabilna, primjena ultrazvuk može biti potreban samo u početnoj fazi hemijske reakcije. Ugrađeni ultrazvučni reaktor za početno miješanje reagensa i katalizatora može generirati čestice/kapljice fine veličine u vrlo kratkom vremenu i pri visokim brzinama protoka. Može se primijeniti čak i na visoko viskozne medije.
Mass-Transfer
Kada reagensi reaguju na granici faze, proizvodi hemijske reakcije se akumuliraju na kontaktnoj površini. Ovo blokira druge molekule reagensa od interakcije na ovoj granici faze. Mehaničke posmične sile uzrokovane kavitacijskim mlaznim strujama i akustičnim strujanjem rezultiraju turbulentnim strujanjem i transportom materijala sa i na površine čestica ili kapljica. U slučaju kapljica, veliki smicanje može dovesti do koalescencije i naknadnog stvaranja novih kapljica. Kako hemijska reakcija napreduje tokom vremena, može biti potrebna ponovljena sonikacija, npr. dvostepena ili recirkulacijska maksimizirati izloženost reagensa.
Unos energije
Ultrazvučna kavitacija je jedinstven način da ulažu energiju u hemijske reakcije. Kombinacija mlaznica tečnosti velike brzine, visokog pritiska (>1000atm) i visoke temperature (>5000K), enormne brzine grijanja i hlađenja (>109Ks-1) nastaju lokalno koncentrisane tokom implozivne kompresije kavitacionih mjehurića. Kenneth Suslick kaže: “Kavitacija je izvanredna metoda koncentriranja difuzne energije zvuka u hemijski upotrebljiv oblik.”
Povećanje reaktivnosti
Kavitacijska erozija na površinama čestica stvara nepasivirane, visoko reaktivne površine. Kratkotrajne visoke temperature i pritisci doprinose molekularne razgradnje i povećavaju reaktivnost mnogih hemijskih vrsta. Ultrazvučno zračenje se može koristiti u pripremi katalizatora, npr. za proizvodnju agregata sitnih čestica. Time nastaju amorfni katalizatori čestice visoke specifične površine području. Zbog ove strukture agregata, takvi katalizatori se mogu odvojiti od produkta reakcije (tj. filtracijom).
Ultrazvučno čišćenje
Često kataliza uključuje neželjene nusproizvode, kontaminacije ili nečistoće u reagensima. To može dovesti do degradacije i prljanja na površini čvrstih katalizatora. Prljanje smanjuje izloženu površinu katalizatora i stoga smanjuje njegovu efikasnost. Ne treba ga uklanjati ni tokom procesa ni u intervalima recikliranja upotrebom drugih procesnih hemikalija. Ultrasonication je efikasan način da očistiti katalizatore ili pomoći u procesu recikliranja katalizatora. Ultrazvučno čišćenje je vjerovatno najčešća i poznata primjena ultrazvuka. Udar kavitacionih mlaza tečnosti i udarnih talasa do 104atm može stvoriti lokalizirane posmične sile, eroziju i površinske rupice. Za čestice fine veličine, velike brzine sudara između čestica dovode do površinske erozije i ujednačavanja mljevenje i mljevenje. Ovi sudari mogu uzrokovati lokalne prolazne udarne temperature od cca. 3000K. Suslick je pokazao da je ultrazvuk efikasan uklanja površinske oksidne premaze. Uklanjanje takvih pasivizirajućih premaza dramatično poboljšava stope reakcije za širok raspon reakcija (Suslick 2008). Primjena ultrazvuka pomaže u smanjenju problema prljanja čvrstog dispergovanog katalizatora tokom katalize i doprinosi čišćenju tokom procesa recikliranja katalizatora.
Primjeri ultrazvučne katalize
Brojni su primjeri za ultrazvučno potpomognutu katalizu i za ultrazvučnu pripremu heterogenih katalizatora. Preporučujemo Sonokataliza članak Kenneth Suslick za sveobuhvatan uvod. Hielscher isporučuje ultrazvučne reaktore za pripremu katalizatora ili katalize, 
kao što je katalitička transesterifikacija za proizvodnju metilestera (tj. masni metilester = biodizel).
Ultrazvučna oprema za sonokatalizu
Hielscher proizvodi ultrazvučne uređaje za upotrebu u bilo kojoj skali i za a raznovrsnost procesa. Ovo uključuje lab sonication u malim bočicama kao i industrijski reaktori i protočne ćelije. Za početno ispitivanje procesa u laboratorijskoj skali UP400S (400 vati) je veoma pogodan. Može se koristiti za grupne procese, kao i za inline sonikaciju. Za testiranje i optimizaciju procesa prije povećanja, preporučujemo korištenje UIP1000hd (1000 vati), jer je ova jedinica vrlo prilagodljiva i rezultati se mogu linearno skalirati na bilo koji veći kapacitet. Za punu proizvodnju nudimo ultrazvučne uređaje do 10kW i 16kW ultrazvučna snaga. Grupe od nekoliko takvih jedinica pružaju vrlo visoke kapacitete obrade.
Bit će nam drago podržati vaše testiranje, optimizaciju i proširenje procesa. Razgovaraj sa nama o odgovarajućoj opremi ili posjetite našu procesnu laboratoriju.
Literatura o sonokatalizi i ultrazvučno potpomognutoj katalizi
Suslick, KS; Didenko, Y.; Fang, MM; Hyeon, T.; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akustična kavitacija i njene hemijske posledice, u: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonokataliza” U Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., ur.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, str. 2006-2017.