Tecnologia d'ultrasons Hielscher

Sonocatalysis – La catàlisi assistida per ultrasons

Ultrasons afecta la reactivitat del catalitzador durant la catàlisi per una major transferència de massa i energia d'entrada. En la catàlisi heterogènia, on el catalitzador està en una fase diferent als reactius, la dispersió ultrasònica augmenta l'àrea superficial disponible per als reactius.

Antecedents de Catàlisi

La catàlisi és procés en el qual la velocitat d'una reacció química s'incrementa (O disminució) per mitjà d'un catalitzador. La producció de molts productes químics implica la catàlisi. La influència sobre la velocitat de reacció depèn de la freqüència de contacte dels reactius en el pas determinant de la velocitat. En general, els catalitzadors augmenten la velocitat de reacció i reduir l'energia d'activació, proporcionant una ruta de reacció alternativa al producte de reacció. Per a això, els catalitzadors reaccionen amb un o més reactius per formar intermedis que posteriorment donar el producte final. Aquest últim pas es regenera el catalitzador. per la reducció de l'energia d'activació, Les col·lisions més moleculars tenen l'energia necessària per aconseguir l'estat de transició. En alguns casos catalitzadors s'utilitzen canvi la selectivitat d'una reacció química.

Diagrama il·lustra l'efecte d'un catalitzador en una reacció química X + I per a produir Z El diagrama a la dreta il·lustra l'efecte d'un catalitzador en una reacció química X + I per produir Z. El catalitzador proporciona una via alternativa (verd) amb una menor activació Ea Energia.

Efectes de Ultrasons

La longitud d'ona acústica en líquids oscil. la entre 110 i 0,15 mm per freqüències entre 18 kHz i 10 MHz. Això és significativament per sobre de les dimensions moleculars. Per aquest motiu, no hi ha acoblament directe del camp acústic amb molècules d'una espècie química. Els efectes de l'ultrasonicación són en gran mesura un resultat de la cavitació ultrasònica en líquids. Per tant, la catàlisi assistida per ultrasons requereix almenys un reactiu per estar en fase líquida. Ultrasons contribueix a la catàlisi heterogènia i homogènia de moltes maneres. efectes individuals poden ser promoguts o redueixen l'adaptació de l'amplitud d'ultrasons i pressió del líquid.

Dispersió ultrasònica i Emulsionant

Les reaccions químiques que impliquen reactius i un catalitzador de més d'una fase (Catàlisi Heterogènia) es limiten al límit de fase, ja que és l'únic lloc, on el reactiu, així com el catalitzador són presents. L'exposició dels reactius i del catalitzador l'un a l'altre és un factor clau per a moltes reaccions químiques multifase. Per aquesta raó, la superfície específica del límit de la fase es torna influent per al tipus de química de reacció.

Gràfic mostra la correlació entre la mida de partícula i l'àrea superficialUltrasons és un mitjà molt eficaç per a la dispersió de sòlids i per al emulsificació de líquids. En reduir la mida de partícula/goteta, la superfície total del límit de fase augmenta al mateix temps. El gràfic de l'esquerra Mostra la correlació entre la mida de partícula i l'àrea superficial en cas de partícules esfèriques o gotetes (Feu clic per fer més gran!). A mesura que augmenta la superfície de límit de fase també ho fa la velocitat de reacció química. Per a molts materials cavitació ultrasònica pot fer que les partícules i gotetes de mida molt fi – sovint significativament per sota de 100 nanòmetres. Si la dispersió o emulsió es converteix en almenys temporalment estable, l'aplicació de ultrasons pot ser necessària només en una fase inicial de la reacció química. Un reactor ultrasònic en línia per a la barreja inicial dels reactius i el catalitzador es pot generar fines partícules de mida / gotetes en molt poc temps i amb cabals elevats. Es pot aplicar fins i tot a mitjans altament viscosos.

Transferència de massa

Quan els reactius reaccionen en un límit de fase, els productes de la reacció química s'acumulen a la superfície de contacte. Això bloqueja altres molècules de reactiu d'interactuar en aquest límit de fase. Forces de cisallament mecàniques causades per corrents de raig cavitacionales i resultat de streaming acústic en flux turbulent i transport de materials des de i cap a superfícies de partícula o goteta. En el cas de les gotes, l'alta cisalla pot conduir a la coalescència i la posterior formació de noves gotes. A mesura que la reacció química progressa amb el temps, una sonicació repetida, per exemple, dues etapes o recirculació, pot ser necessari per maximitzar l'exposició dels reactius.

entrada d'energia

cavitació ultrasònica és una manera única de posar l'energia en les reaccions químiques. Una combinació de raigs de líquid d'alta velocitat, d'alta pressió (>1000atm) i altes temperatures (>5000K), enormes velocitats d'escalfament i refredament (>109Kansas-1) Es produeixen concentrat localment durant la compressió implosiva de bombolles cavitacionales. Jaume says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable form."

Augment de la reactivitat

erosió de cavitació en les superfícies de partícules genera superfícies no pasivadas, altament reactius. altes temperatures i pressions de curta vida contribueixen a descomposició molecular i augmentar la reactivitat de moltes espècies químiques. irradiació ultrasònica pot ser utilitzat en la preparació de catalitzadors, per exemple, per produir agregats de partícules de mida fi. Això produeix catalitzadors amorfs partícules d'alta superfície específica zona. A causa d'aquesta estructura agregada, com catalitzadors es poden separar dels productes de reacció (és a dir, per filtració).

neteja ultrasònica

Sovint la catàlisi implica subproductes no desitjats, contaminacions o impureses en els reactius. Això pot conduir a la degradació i la contaminació en la superfície dels catalitzadors sòlids. L'emmantellament redueix la superfície del catalitzador exposat i per tant redueix la seva eficiència. No necessita ser eliminat durant el procés o en el reciclatge d'intervals amb altres productes químics de procés. Ultrasons és un mitjà eficaç per catalitzadors netes o ajudar en el procés de reciclatge de catalitzador. La neteja ultrasònica és probablement l'aplicació més comuna i coneguda dels ultrasons. L'impacte de dolls de líquids cavitacionales i ones de xoc de fins a 104atm pot crear forces de tall localitzades, l'erosió i picat de la superfície. Per a les partícules de mida fi, les col·lisions entre les partícules d'alta velocitat condueixen a l'erosió i la superfície plana trituració i mòlta. Aquestes col·lisions poden causar temperatures d'impacte transitoris locals d'aprox. 3000K. Suslick va demostrar, que ultrasonicación eficaçment lleva recobriments d'òxid superficials. L'eliminació d'aquests revestiments de passivació millora dràsticament les velocitats de reacció per a una àmplia varietat de reaccions (Suslick 2008). L'aplicació d'ultrasons ajuda a reduir el problema d'embrutiment d'un catalitzador sòlid dispers durant la catàlisi i contribueix a la neteja durant el procés de reciclatge del catalitzador.

Exemples de Catàlisi ultrasònic

Existeixen nombrosos exemples per a la catàlisi assistida per ultrasons i per a la preparació d'ultrasons de catalitzadors heterogenis. Es recomana l' Sonocatalysis article de Kenneth Suslick per a una introducció completa. Hielscher subministra reactors d'ultrasons per a la preparació de catalitzadors o catàlisi, tals com el transesterificació catalítica per a la producció d'èsters metílics (és a dir, èster metílic gras = biodièsel).

Equip ultrasònic per Sonocatalysis

Ultrasonic Reactor amb 7 processadors ultrasònics x 1 kW UIP1000hdHielscher fabrica dispositius d'ultrasons per a l'ús en qualsevol escala i per una varietat de processos. Això inclou sonicació laboratori en petits vials, així com reactors industrials i cèl·lules de flux. Per a la prova inicial en el procés de l'escala de laboratori UP400S (400 watts) és molt adequat. Es pot utilitzar per a processos per lots, així com per a la sonicació en línia. Per a la prova i optimització de processos abans de l'escala cap amunt, es recomana utilitzar el UIP1000hd (1000 watts), Com que aquestes unitats és molt adaptable i resultats amb ser escalat lineal per a qualsevol capacitat més gran. Per a la producció a gran escala, oferim dispositius ultrasònics de fins 10kW i 16kW potència ultrasònica. Els raïms de diverses d'aquestes unitats proporcionen capacitats molt altes de processament.

Estem a la seva disposició per donar suport al seu procés de proves, optimització i ampliar. Parlar amb nosaltres equip sobre adequat o visiteu la nostra laboratori procés.

Sol·licitar més informació!

Si us plau, ompli aquest formulari per demanar més informació sobre sonocatalysis i la catàlisi assistida per ultrasons.









Tingueu en compte que Política de privacitat.


La literatura sobre Catàlisi Sonocatalysis i assistida per ultrasons

Suslick, K. S.; Didenko, I.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): La cavitació acústica i les seves conseqüències químiques, Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S .; Skrabalak, S. I. (2008): "Sonocatalysis" En Handbook of heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, ​​J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017 ..