Vylepšené Fischer-Tropschovy katalyzátory díky sonikaci

Zlepšená syntéza Fischer-Tropschových katalyzátorů pomocí ultrazvuku: Ultrazvukové zpracování částic katalyzátoru se používá k několika účelům. 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 z katalyzátoru odstraní deaktivující zanesení. A konečně ultrazvuková deaglomerace a disperze vede k rovnoměrné, monodisperzní distribuci částic katalyzátoru, která zajišťuje vysoký aktivní povrch částic a přenos hmoty pro optimální katalytickou konverzi.

Výhody ultrazvukové přípravy katalyzátorů pro Fischer-Tropschovy procesy

Sonikace nabízí při syntéze Fischer-Tropschových katalyzátorů významné výhody, především díky své schopnosti umožnit jemnou kontrolu nad morfologií katalyzátoru a distribucí aktivních center. Vysokoenergetická kavitace generovaná ultrazvukovými vlnami zajišťuje rychlé míchání a účinnou deaglomeraci prekurzorů, což vede k vysoce rovnoměrné distribuci velikosti částic a ke zvětšení povrchu. Tato zvýšená homogenita vede k lepší disperzi aktivních složek, což je zásadní pro maximalizaci počtu přístupných reakčních center. Kontrolovaná kinetika míchání navíc často vede ke vzniku vysoce stabilních a porézních struktur, čímž se zlepšuje katalytický výkon, selektivita a dlouhodobá stabilita katalyzátoru v náročných reakčních podmínkách.

Účinky ultrazvuku na katalyzátory

Výkonový ultrazvuk je dobře známý svým pozitivním vlivem na chemické reakce. Když jsou do kapalného média zavedeny intenzivní ultrazvukové vlny, vzniká akustická kavitace. Ultrazvuková kavitace vytváří lokálně extrémní podmínky s velmi vysokými teplotami až 5 000K, tlaky přibl. 2 000atm a proudy kapaliny o rychlosti až 280m/s. Jev akustické kavitace a jeho účinky na chemické procesy jsou známy pod pojmem sonochemie.
Běžnou aplikací ultrazvuku je příprava heterogenních katalyzátorů: kavitační síly ultrazvuku aktivují povrch katalyzátoru, protože kavitační eroze vytváří nepasivované, vysoce reaktivní povrchy. Turbulentní proudění kapaliny navíc výrazně zlepšuje přenos hmoty. Intenzivní srážky částic způsobené akustickou kavitací odstraňují povrchové oxidové vrstvy z práškových částic, což vede k reaktivaci povrchu katalyzátoru.

Ultrazvuková syntéza katalyzátoru dopovaného palladiem. Sonikátor UIP1000hdT se používá k redukci iontů alladium na nanočástice Pd a k jejich depozici na povrch uhlíkových nanotrubic dopovaných dusíkem (N-BCNT).

Syntéza katalyzátoru dopovaného palladiem pomocí sonikátoru UIP1000hdT
Studie a obrázek: ©Prekob et al., 2020

Ultrazvuková příprava Fischer-Tropschových katalyzátorů

Fischer-Tropschův proces zahrnuje několik chemických reakcí, které přeměňují směs oxidu uhelnatého a vodíku na kapalné uhlovodíky. Pro Fischer-Tropschovu syntézu lze použít různé katalyzátory, nejčastěji se však používají přechodné kovy kobalt, železo a ruthenium. Vysokoteplotní Fischer-Tropschova syntéza se provozuje se železným katalyzátorem.
Protože Fischer-Tropschovy katalyzátory jsou náchylné k otravě sloučeninami obsahujícími síru, má ultrazvuková reaktivace velký význam pro udržení plné katalytické aktivity a selektivity.

Výhody ultrazvukové syntézy katalyzátorů

Srážení nebo krystalizace
(Nano)částice s dobře kontrolovanou velikostí a tvarem
Modifikované a funkcionalizované povrchové vlastnosti
Syntéza dopovaných částic nebo částic typu jádro-obal
Mezoporézní strukturování

Ultrazvuková syntéza katalyzátorů typu jádro-obal

Nanostruktury typu jádro–obal jsou nanočástice zapouzdřené a chráněné vnějším obalem, který nanočástice izoluje a zabraňuje jejich migraci a koalescenci během katalytických reakcí.

Pirola et al. (2010) připravili Fischer-Tropschovy katalyzátory na bázi železa nesené na oxidu křemičitém s vysokým obsahem aktivního kovu. Jejich studie ukazuje, že ultrazvukem podporovaná impregnace nosiče z oxidu křemičitého zlepšuje depozici kovu a zvyšuje aktivitu katalyzátoru. Výsledky Fischer-Tropschovy syntézy ukázaly, že nejúčinnější jsou katalyzátory připravené pomocí ultrazvuku, zejména pokud se ultrazvuková impregnace provádí v argonové atmosféře.

V tomto videu je ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP200St o výkonu 200 wattů se sonotrodou o průměru 7mm připevněn ke standardnímu skleněnému zábrusu ve spodní části skleněného reaktoru. Montáž může být vodorovná, svislá nebo v jakémkoli jiném směru. Do jedné reaktorové nádoby lze namontovat více ultrazvukových sond – například v různých výškách. Často se upřednostňuje instalace z boku nebo ze dna, protože lépe funguje při proměnlivé hladině kapaliny. Ultrazvukové míchání lze kombinovat s běžnými hřídelovými míchadly s horním pohonem.

Ultrazvuková reaktivace katalyzátorů

Ultrazvuková povrchová úprava částic je rychlá a snadná metoda regenerace a reaktivace použitých a pasivovaných katalyzátorů. Regenerovatelnost katalyzátoru umožňuje jeho reaktivaci a opětovné použití, a je tak ekonomickým a ekologickým procesním krokem.
Ultrazvukové zpracování částic odstraňuje z částic katalyzátoru deaktivující pasivační vrstvy, zanesení a nečistoty, které blokují místa pro katalytickou reakci. Sonikace suspenze použitého katalyzátoru vede k proudovému omývání povrchu částic katalyzátoru, čímž se z katalyticky aktivního centra odstraňují usazeniny. Po sonikaci je aktivita katalyzátoru obnovena na stejnou účinnost jako u čerstvého katalyzátoru. Sonikace navíc rozbíjí aglomeráty a zajišťuje homogenní, rovnoměrnou distribuci monodisperzních částic, což zvětšuje povrch částic, a tím i aktivní katalytické centrum. Ultrazvuková obnova katalyzátoru tedy poskytuje regenerované katalyzátory s velkým aktivním povrchem pro lepší přenos hmoty.
Ultrazvuková regenerace katalyzátorů funguje u minerálních a kovových částic, (mezo)porézních částic a nanokompozitů.
Přečtěte si více o ultrazvukové regeneraci použitých katalyzátorů!

Vysoce výkonné sonikátory pro sonochemickou syntézu Fischer-Tropschových katalyzátorů

Sonikátory Hielscher jsou při syntéze katalyzátorů velmi oblíbené díky své robustní konstrukci, přesnosti a škálovatelnosti a nabízejí významné výhody oproti běžnému sonikačnímu vybavení. Tato zařízení poskytují přesně řiditelnou ultrazvukovou energii vysoké intenzity, která je klíčová pro dosažení rovnoměrné disperze prekurzorů a pro usnadnění přesné nukleace a růstu částic katalyzátoru. Sofistikované řídicí systémy umožňují výzkumníkům přesně regulovat parametry, jako je výstupní výkon a délka pulzů, a zajišťují tak reprodukovatelné experimentální výsledky – což je ve vědě o materiálech zásadní faktor. Sonikátory Hielscher jsou navíc známé svou odolností a schopností pracovat v různých měřítcích, od malých laboratorních vsázek až po provoz pilotních zařízení, což umožňuje efektivní přenos slibných formulací katalyzátorů z laboratorního výzkumu do průmyslové aplikace. Německé inženýrské a výrobní standardy zajišťují, že ultrazvuková zařízení Hielscher lze spolehlivě provozovat v nepřetržitém provozu 24/7 při vysokém zatížení.

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:

Objem vsázky	Průtok	Doporučená zařízení
1 až 500mL	10 až 200mL/min	UP100H
10 až 2000mL	20 až 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 až 20L	0,2 až 4L/min	UIP2000hdT
10 až 100L	2 až 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 až 100L/min	UIP16000
n.a.	větší	klastr UIP16000

Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!

Související témata

Fakta, která stojí za to vědět

Co je Fischer-Tropschova reakce?

Fischer-Tropschova reakce je katalytický chemický proces, který přeměňuje syntézní plyn, směs oxidu uhelnatého a vodíku, na uhlovodíky, jako jsou alkany, alkeny, vosky a kapalná paliva. Je to významná cesta k výrobě syntetických paliv a chemikálií z uhlí, zemního plynu, biomasy nebo syntézního plynu získaného z CO₂.

Co je Fischer-Tropschův katalyzátor?

Fischer-Tropschův katalyzátor je pevný katalytický materiál, který podporuje hydrogenaci a přeměnu oxidu uhelnatého s vodíkem na uhlovodíky prostřednictvím růstu řetězce. Nejrozšířenějšími aktivními kovy jsou železo, kobalt a ruthenium, často nesené na materiálech, jako je oxid hlinitý, oxid křemičitý, oxid titaničitý nebo uhlík, za účelem zlepšení povrchu, stability a selektivity.

Která průmyslová odvětví využívají Fischer-Tropschovy reakce?

Fischer-Tropschovy reakce se využívají v průmyslu syntetických paliv, v petrochemickém průmyslu, při přeměně plynu na kapaliny (gas-to-liquids), uhlí na kapaliny (coal-to-liquids) a biomasy na kapaliny (biomass-to-liquids) a ve vznikajících odvětvích power-to-liquids a zachycování a využití uhlíku. Mají zvláštní význam pro výrobu motorové nafty, leteckého paliva, maziv, vosků, olefinů a dalších uhlovodíkových surovin.

Jaké jsou aplikace Fischer-Tropschových katalyzátorů?

Fischer–Tropschova syntéza je kategorie katalytických procesů, které se uplatňují při výrobě paliv a chemikálií ze syntézního plynu (směsi CO a H₂), který lze
získat ze zemního plynu, uhlí nebo biomasy. Ve Fischer-Tropschově procesu se k výrobě uhlovodíků z velmi základních výchozích látek, vodíku a oxidu uhelnatého, používá katalyzátor obsahující přechodný kov; tyto výchozí látky 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.