Vylepšené Fischer-Tropschovy katalyzátory se zvukovou nikací
Vylepšená syntéza Fischer-Tropschových katalyzátorů ultrazvukem: Ultrazvukové zpracování částic katalyzátoru se používá pro několik účelů. Ultrazvuková syntéza pomáhá vytvářet modifikované nebo funkcionalizované nanočástice, které mají vysokou katalytickou aktivitu. Použité a otrávené katalyzátory lze snadno a rychle obnovit ultrazvukovou povrchovou úpravou, která odstraní inaktivující znečištění z katalyzátoru. A konečně, ultrazvuková deaglomerace a disperze vede k rovnoměrné monodisperzní distribuci částic katalyzátoru, aby byl zajištěn vysoký aktivní povrch částic a přenos hmoty pro optimální katalytickou konverzi.
Výhody ultrazvukové přípravy katalyzátorů pro Fischer-Tropschovy procesy
Sonikace nabízí významné výhody při syntéze Fischerových-Tropschových katalyzátorů, a to především díky schopnosti jemné kontroly morfologie katalyzátoru a rozložení aktivních míst. Vysokoenergetická kavitace generovaná ultrazvukovými vlnami zajišťuje rychlé promíchání a účinnou deaglomeraci prekurzorových materiálů, což vede k vysoce rovnoměrnému rozložení velikosti částic a zvýšení plochy povrchu. Tato zvýšená homogenita má za následek větší rozptýlení aktivních složek, což je rozhodující pro maximalizaci počtu přístupných reakčních míst. Kromě toho řízená kinetika míchání často vede k tvorbě vysoce stabilních a porézních struktur, čímž se zlepšuje katalytický výkon, selektivita a dlouhodobá stabilita katalyzátoru v náročných reakčních podmínkách.
Sonikátor UIP1500hdT s průtokovou komorou pro sonochemickou syntézu Fischer-Tropschových katalyzátorů
Účinky ultrazvuku na katalyzátory
Ultrazvuk s vysokým výkonem je známý svým pozitivním vlivem na chemické reakce. Když jsou intenzivní ultrazvukové vlny zavedeny do kapalného média, vzniká akustická kavitace. Ultrazvuková kavitace vytváří lokálně extrémní podmínky s velmi vysokými teplotami až 5 000 K, tlaky cca. 2 000 atm a trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s. Fenomén akustické kavitace a její vliv na chemické procesy je znám pod pojmem sonochemie.
Běžnou aplikací ultrazvuku je příprava heterogenních katalyzátorů: ultrazvukové kavitační síly aktivují povrchovou plochu katalyzátoru, protože kavitační eroze vytváří nepasivované, vysoce reaktivní povrchy. Kromě toho je přenos hmoty výrazně vylepšen turbulentním prouděním kapaliny. Vysoká srážka částic způsobená akustickou kavitací odstraňuje povrchové oxidové povlaky práškových částic, což vede k reaktivaci povrchu katalyzátoru.
Syntéza katalyzátoru dopovaného palladiem pomocí sonikátoru UIP1000hdT
Studie a obrázek: ©Prekob et al., 2020
Ultrazvuková příprava Fischer-Tropschových katalyzátorů
Fischer-Tropschův proces obsahuje několik chemických reakcí, které přeměňují směs oxidu uhelnatého a vodíku na kapalné uhlovodíky. Pro Fischer-Tropschovu syntézu lze použít celou řadu katalyzátorů, ale nejčastěji se používají přechodné kovy kobalt, železo a ruthenium. Vysokoteplotní Fischer-Tropschova syntéza je provozována se železným katalyzátorem.
Vzhledem k tomu, že Fischer-Tropschovy katalyzátory jsou náchylné k otravě katalyzátorem sloučeninami obsahujícími síru, je ultrazvuková reaktivace velmi důležitá pro udržení plné katalytické aktivity a selektivity.
- Srážení nebo krystalizace
- (Nano-) Částice s dobře kontrolovanou velikostí a tvarem
- Modifikované a funkcionalizované vlastnosti povrchů
- Syntéza dopovaných částic nebo částic jádra
- Mezoporézní strukturování
Ultrazvuková syntéza katalyzátorů typu jádro-plášť
Nanostruktury jádro-obal jsou nanočástice zapouzdřené a chráněné vnějším obalem, který izoluje nanočástice a zabraňuje jejich migraci a koalescenci během katalytických reakcí
Pirola et al. (2010) připravili Fischer-Tropschovy katalyzátory na bázi železa na bázi oxidu křemičitého s vysokým zatížením aktivního kovu. V jejich studii je ukázáno, že ultrazvukem asistovaná impregnace křemičitého nosiče zlepšuje depozici kovu a zvyšuje aktivitu katalyzátoru. Výsledky Fischer-Tropschovy syntézy ukázaly, že katalyzátory připravené ultrazvukem jsou nejúčinnější, zejména když se ultrazvuková impregnace provádí v argonové atmosféře.
UIP2000hdT – 2kW výkonný sonikátor k přípravě katalyzátorů.
Reaktivace ultrazvukového katalyzátoru
Ultrazvuková úprava povrchu částic je rychlá a snadná metoda regenerace a reaktivace opotřebovaných a pasivovaných katalyzátorů. Regenerovatelnost katalyzátoru umožňuje jeho reaktivaci a opětovné použití, a představuje tak ekonomický a ekologický procesní krok.
Ultrazvukové ošetření částic odstraní z částic katalyzátoru inaktivující pasivační vrstvy, znečištění a nečistoty, které blokují místa pro katalytickou reakci. Sonické ošetření vyčerpané katalytické suspenze vede k tryskovému omytí povrchu částic katalyzátoru, čímž se odstraní usazeniny z katalyticky aktivního místa. Po ultrazvukovém ošetření se aktivita katalyzátoru obnoví na stejnou účinnost jako u čerstvého katalyzátoru. Sonikace navíc rozbíjí aglomeráty a zajišťuje homogenní, rovnoměrné rozložení monodisperzních částic, což zvyšuje plochu povrchu částic, a tím i aktivní katalytické místo. Obnova katalyzátoru ultrazvukem tedy vede k regeneraci katalyzátorů s velkým aktivním povrchem pro lepší přenos hmoty.
Ultrazvuková regenerace katalyzátoru funguje pro minerální a kovové částice, (mezo)porézní částice a nanokompozity.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Vysoce výkonné sonikátory pro sonochemickou syntézu Fischer-Tropschových katalyzátorů
Sonikátory Hielscher jsou velmi oblíbené při syntéze katalyzátorů díky své robustní konstrukci, přesnosti a rozšiřitelnosti, což nabízí významné výhody oproti obecným sonikačním zařízením. Tato zařízení poskytují přesně kontrolovatelnou a vysoce intenzivní ultrazvukovou energii, která je rozhodující pro dosažení rovnoměrné disperze prekurzorových materiálů a usnadnění přesné nukleace a růstu částic katalyzátoru. Sofistikované řídicí systémy umožňují výzkumným pracovníkům přesně regulovat parametry, jako je výstupní výkon a délka pulzu, což zajišťuje reprodukovatelné výsledky experimentů - což je v materiálové vědě zásadní faktor. Kromě toho jsou sonikátory Hielscher známé svou odolností a schopností zvládat různá měřítka, od malých laboratorních dávek až po pilotní provoz zařízení, čímž umožňují efektivní přechod slibných katalytických formulací z výzkumu na stůl do průmyslové aplikace. Německé technické a výrobní standardy zajišťují, že ultrazvukové zařízení Hielscher může být spolehlivě provozováno v nepřetržitém provozu při vysokém zatížení.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Fakta, která stojí za to vědět
Co je Fischerova-Tropschova reakce?
Fischerova-Tropschova reakce je katalytický chemický proces, při kterém se syntetický plyn, směs oxidu uhelnatého a vodíku, přeměňuje na uhlovodíky, jako jsou alkany, alkeny, vosky a kapalná paliva. Je to důležitý způsob výroby syntetických paliv a chemikálií z uhlí, zemního plynu, biomasy nebo syntézního plynu získaného z CO₂.
Co je Fischerův-Tropschův katalyzátor?
Fischerův-Tropschův katalyzátor je pevný katalytický materiál, který podporuje hydrogenaci a řetězovou přeměnu oxidu uhelnatého s vodíkem na uhlovodíky. Nejpoužívanějšími aktivními kovy jsou železo, kobalt a ruthenium, často na bázi materiálů, jako je oxid hlinitý, oxid křemičitý, titan nebo uhlík, aby se zlepšila plocha povrchu, stabilita a selektivita.
V jakých průmyslových odvětvích se používají Fischerovy-Tropschovy reakce?
Fischerovy-Tropschovy reakce se používají v průmyslu syntetických paliv, petrochemickém průmyslu, při výrobě plynu na kapaliny, při výrobě uhlí na kapaliny, při výrobě biomasy na kapaliny a v nově vznikajících odvětvích výroby elektřiny na kapaliny a využití zachycování uhlíku. Jsou důležité zejména pro výrobu nafty, leteckého paliva, maziv, vosků, olefinů a dalších uhlovodíkových surovin.
Jaké jsou aplikace Fischer-Tropschových katalyzátorů?
Fischerova-Tropschova syntéza je kategorie katalytických procesů, které se používají při výrobě paliv a chemikálií ze syntézního plynu (směs CO a H2), které mohou být
odvozené ze zemního plynu, uhlí nebo biomasy Fischerův-Tropschův proces, katalyzátor obsahující přechodné kovy, se používá k výrobě uhlovodíků z úplně základních výchozích materiálů vodíku a oxidu uhelnatého, které lze získat z různých zdrojů obsahujících uhlík, jako je uhlí, zemní plyn, biomasa a dokonce i odpad.
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.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.