Ultrasonication utječe na katalizator reaktivnost tijekom kataliza po pojačan mase-transfer i unos energije. U heterogenim kataliza, gdje je katalizator nalazi u drugoj fazi na reaktanti, ultrazvučno disperzija povećava površina dostupna reaktanata.

Pozadina Sonokatalize

Kataliza je proces u kojem je stopa od kemijske reakcije se povećava (Ili smanjuje) pomoću katalizatora. Proizvodnju mnogih kemikalija uključuje katalizu. Uticaja na brzinu reakcije ovisi o učestalosti kontakt reaktanata u koraku stopa koje određuju. U principu, katalizatori povećati brzinu reakcije i smanjiti energija aktivacije pružajući alternativu reakcija put na proizvod reakcije. Za ovaj katalizatora reaguju sa jednim ili više reaktanata da formiraju intermedijeri da naknadno dati konačni proizvod. Potonji korak regeneriše katalizator. po spuštanje energija aktivacijeViše molekularne sudara imaju energije potrebne da se postigne tranziciju države. U nekim slučajevima katalizatori se koriste promjenu selektivnost od kemijske reakcije.

u dijagram na desno ilustrira učinak katalizatora u hemijskoj reakciji X + Y za proizvodnju Z. katalizatora osigurava alternativni put (zeleno) sa nižim aktiviranje Energy Ea.

Efekti Ultrasonication

Akustična valna dužina u tekućinama se kreću od cca. 110 do 0,15mm za frekvencije između 18kHz i 10MHz. Ovo je znatno iznad molekularnih dimenzija. Iz tog razloga ne postoji direktna spojnica akustičnog polja sa molekulama hemijske vrste. Efekti ultrazvuka su u velikom stepenu rezultat Ultrazvučna kavitacija u tečnosti. Stoga, ultrazvučno pomoć kataliza zahtijeva barem jedan reagens biti u tečne faze. Ultrasonication doprinosi heterogene i homogene katalize na mnogo načina. Individualni efekti mogu se promovirati ili smanjiti prilagođavanje ultrazvučni amplitude i pritisak tečnosti.

Ultrazvučni Disperzivni i Emulziranje

Hemijske reakcije koje uključuju reagense i katalizist više od jedne faze (heterogena katalizma) ograničene su na faznu granicu jer je ovo jedino mjesto, gdje su prisutni reagens kao i katalizist. Izlaganje reagenta i katalizista jedno drugom je ključni faktor za mnoge multi-fazni kemijske reakcije. Iz tog razloga, specifična površina od granice faze postaje uticajan za hemijsku stopu reakcije.

Ultrasonication je vrlo efikasno sredstvo za disperzija čvrstih čestica i za emulgovanja tečnosti. Smanjenjem veličine čestice/kapljice, u isto vrijeme se povećava i totalna površina fazne granice. Grafika lijevo prikazuje korelaciju između veličine čestica i površine u slučaju sfernih čestica ili kapljica (Kliknite za veći prikaz!). Kako se površina granice faze povećava, povećava se i stopa hemijske reakcije. Za mnoge materijale ultrazvučna kavitacija može napraviti čestice i kapljice od vrlo fine veličina – često znatno ispod 100 nanometara. Ako je disperzija ili emulzija postaje barem privremeno stabilan, primjena Ultrazvuk se može tražiti samo u početnoj fazi kemijske reakcije. Inline ultrazvučnog reaktora za početno miješanje reagensa i katalizatora mogu generirati fine čestice veličine / kapljice u vrlo kratkom vremenu i uz veliki protok. To se može primijeniti čak i visoko viskozne medije.

Masovna transfer

Kada reagenti reagiraju na faznu granicu, proizvodi hemijske reakcije se nakupljaju na kontaktnoj površini. Ovo blokira druge molekule reagenta od interakcije na ovoj granici faze. Mehaničke smicne sile uzrokovane kavitacionim mlaznim tokovima i akustičko strujanje rezultiraju turbulentnim protokom i materijalnim transportom od i do čestica ili kapljica površina. U slučaju kapljica, visoka smicalica može dovesti do koalescence i naknadnog formiranja novih kapljica. Kako hemijska reakcija vremenom napreduje, može se zahtijevati ponavljanje sonikacije, npr. maksimalno izlaganje reagensa.

unos energije

Ultrazvučna kavitacija je jedinstven način da se stavio energiju u hemijske reakcije. Kombinacija velike brzine tečnih avione, pod visokim pritiskom (>1000atm) i visoke temperature (>5000K), ogromne grijanje i hlađenje stope (>10⁹KS^-1) Javljaju se lokalno koncentriran u implosive kompresije cavitational mjehurića. Kenneth Suslick Kaže: “Kavitacija je izvanredna metoda koncentrisanje difuzne energije zvuka u hemijski umnoživ oblik.”

Povećanje reaktivnost

Cavitational erozije na površinama čestica stvara unpassivated, visoko reaktivna površina. Kratkotrajan visokim temperaturama i pritiscima doprinose molekularne razgradnje i povećanje reaktivnost mnogih kemijskih vrsta. Ultrazvučno zračenje se može koristiti u pripremi katalizatora, npr za proizvodnju agregata čestica fine veličine. Ovo stvara amorfna katalizatora čestice visoke specifične površine području. Zbog ovog agregata strukture, kao katalizatori može biti odvojen od reakcije proizvoda (i.e. filtriranjem).

Ultrazvučno čišćenje

Često katalizacija uključuje neželjene nužđene proizvode, kontaminacije ili nečistoće u reagentima. To može dovesti do degradacije i faulinga na površini čvrstih katalizista. Fauling smanjuje izloženu površinu katalizista i stoga smanjuje njegovu efikasnost. Ne treba ga ukloniti ni tokom procesa ni u intervalima recikliranja koristeći druge procesne hemikalije. Ultrasonikacija je efikasno sredstvo za čisti katalizatori ili pomoći procesu recikliranja katalizator. Ultrazvučno čišćenje je vjerojatno najčešći i poznata primjena ultrazvuka. Je povredom cavitational tečnih avione i šok valovi do 10⁴atm može stvoriti lokaliziranim sile smicanja, eroziju i površine pitting. Za čestice fine veličine, sudari velike brzine između čestica dovesti na površinu erozije, pa čak i brušenje i glodanje. Ovi sudari mogu izazvati lokalne temperature utjecaj prolazne od cca. 3000K. Suslick pokazali, da ultrasonication učinkovito uklanja površinski oksid premaza. Uklanjanje takvih pasivizirajući premaza dramatično poboljšava reakciju stope za široku paletu reakcije (Suslick 2008). Primjena ultrazvuka pomaže da se smanji problem Zaprljanost čvrste rasuti katalizator tijekom kataliza i doprinosi za čišćenje tijekom procesa recikliranja katalizator.

Primjeri Ultrazvučni katalizu

Postoje brojni primjeri za ultrazvučno pomagao katalizu i za ultrazvučno pripremu heterogenih katalizatora. Preporučujemo Sonokatalizza članak Kenneth Suslick za sveobuhvatnu uvod. Hielscher opskrbljuje ultrazvučnog reaktora za pripremu katalizatora ili kataliza, kao što je katalitičke transesterifikacije za proizvodnju methylesters (i.e. masne metilestera = biodizel).

Ultrazvučni Oprema za Sonocatalysis

Hielscher proizvodi ultrazvučni uređaji za upotrebu u bilo kojem nivou i za različite procese. Ovo uključuje Lab sonication u malim bočicama, kao i industrijskih reaktora i ćelije protok. Za početni test proces u laboratoriju skali UP400S (400 W) je vrlo pogodan. Može se koristiti za batch procese, kao i za inline sonication. Za testiranje i optimizacija procesa pred razmjera, mi preporučujemo da koristite UIP1000hd (1000 W), Jer jedinice je vrlo prilagodljiv i rezultati kon biti uvećana linearno na bilo većeg kapaciteta. Za proizvodnju pune skale nudimo ultrazvučnih uređaja do 10kW i 16kW ultrazvučne energije. Klasteri nekoliko takvih jedinica imaju veliku prerađivačke kapacitete.

Mi ćemo biti drago da podrži vaše testiranje procesa, optimizaciji i scale up. Razgovarajte s nama oko odgovarajuću opremu ili posjetite naš proces laboratorija.

Literatura o Sonocatalysis ultrazvučno Assisted katalizu

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Akustične kavitacije i njegov kemijski posljedice, u: Phil. Trans. Roy. Soc. A 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalizza” U Priručnik heterogenih katalizu, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., ur .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, str 2006-2017..