Ultrazvuku ovlivňuje katalytické reaktivity při katalýze lepší přenos hmoty a energetické vstupy. V heterogenní katalýzy, kde katalyzátor je v jiné fázi reakčním složkám, ultrazvukové disperze zvyšuje plochu k dispozici reaktantů.

Pozadí sonocatalýzy

Katalýza je proces, při kterém je rychlost z a chemická reakce se zvýší (Nebo snížení) pomocí katalyzátoru. Výroba z mnoha chemických látek zahrnuje katalýzu. Vliv na reakční rychlost je závislá na frekvenci kontaktu reakčních složek v kroku určující rychlost. Obecně platí, že katalyzátory zvýšení reakční rychlosti a snížení aktivační energie tím, že poskytuje alternativní reakční cestu k reakčnímu produktu. Pro tento účel jsou katalyzátory reagují s jedním nebo více reaktanty za vzniku meziproduktů, které následně vzniku konečného produktu. Pozdější krok regeneruje katalyzátor. Podle snížení aktivační energieVíce molekulární kolize mají energii potřebnou k dosažení přechodový stav. V některých případech se používají katalyzátory změnit selektivitu chemické reakce.

Tá Diagramu na pravé straně ukazuje účinek katalyzátoru v chemické reakci X + Y pro výrobu Z. katalyzátor poskytuje alternativní cestu (zelená) s nižší aktivační energie Ea.

Účinky ultrazvuku

Akustická vlnová délka v kapalinách se pohybuje od cca 110 do 0,15 mm pro frekvence mezi 18kHz a 10MHz. To je výrazně nad molekulárními rozměry. Z tohoto důvodu neexistuje přímé spojení akustického pole s molekulami chemického druhu. Účinky ultrazvuku jsou do značné míry výsledkem ultrazvukové kavitace v kapalinách. Proto ultrazvukem asistované katalýza vyžaduje alespoň jedno činidlo, že je v kapalné fázi. Ultrazvuku přispívá k heterogenní a homogenní katalýze v mnoha ohledech. Individuální účinky mohou být povýšeni nebo snížena přizpůsobení amplituda ultrazvuku a tlaku kapaliny.

Ultrazvukové dispergátory a emulgátory

Chemické reakce zahrnující činidla a katalyzátor s více než jednou fází (heterogenní katalýza) jsou omezeny na hranici fáze, protože se jedná o jediné místo, kde je přítomno činidlo i katalyzátor. Expozice činidel a katalyzátoru je navzájem Klíčovým faktorem pro mnoho vícefázových chemických reakcí, Z tohoto důvodu je specifická povrchová plocha fázového rozhraní se stává vliv na chemickou rychlost reakce.

Ultrazvuku je velmi účinným prostředkem pro disperze pevných látek a pro emulgace kapalin. Snížením velikosti částic/kapiček se současně zvětšuje celková plocha hranice fáze. Obrázek vlevo znázorňuje korelaci mezi velikostí částic a povrchovou plochou v případě sférických částic nebo kapiček (Klikněte pro zvětšení!). Jak se zvyšuje okrajový povrch fáze, zvyšuje se i rychlost chemické reakce. Pro mnoho materiálů ultrazvukové kavitace může částice a kapičky Velmi malé rozměry – často výrazně nižší než 100 nanometrů, V případě, že disperze nebo emulze se stane alespoň dočasně stabilní, aplikace Ultrazvuk může být požadována pouze v počáteční fázi chemické reakce. Inline ultrazvukové reaktoru pro počáteční promísení reagencií a katalyzátoru může vytvářet jemné částice / kapičky ve velmi krátkém čase a s vysokou průtokovou rychlostí. Může být použita i pro vysoce viskózní média.

Mass-Přenos

Když činidla reagují na hranici fáze, produkty chemické reakce se hromadí na kontaktní ploše. To blokuje další molekuly činidla v interakci na této hranici fáze. Mechanické smykové síly způsobené kavitačními proudy proudu a akustickým prouděním vedou k turbulentnímu proudění a přenosu materiálu z a na povrchy částic nebo kapiček. V případě kapiček může vysoký smyk vést ke koželezině a následné tvorbě nových kapiček. Vzhledem k tomu, že chemická reakce postupuje v průběhu času, může být vyžadována opakovaná sonikace, např. maximalizovat expozici činidel,

Vstup energie

Ultrazvukové kavitace je jedinečný způsob, jak dát energii do chemických reakcí, Kombinace vysoké rychlosti proudů kapaliny, vysokého tlaku (>1000atm) a vysoké teploty (>5000K), obrovský vytápění a chlazení sazby (>10⁹KS^-1) Dochází lokálně zahustí při implozivní stlačování kavitačné bublin. Kenneth Suslick Říká: “Kavitace je mimořádná metoda koncentrace rozptýlené energie zvuku do chemicky použitelné formy.”

Zvýšení reaktivity

Kavitačné eroze na povrchu částic generuje unpassivated, vysoce reaktivní povrchy, Krátkotrvající vysoké teploty a tlaky přispívají k molekulární rozklad a zvýšení reaktivity z mnoha chemických látek. Ultrazvukový ozáření mohou být použity pro přípravu katalyzátorů, např. k výrobě agregátů částic jemné velikosti. To vytváří amorfní katalyzátory částice vysoké specifické ploše plocha. Vzhledem k této celkové struktury, takové katalyzátory mohou být odděleny od reakčních produktů (tj. Filtrací).

Čištění ultrazvukem

Katalýza často zahrnuje nežádoucí by-produkty, kontaminace nebo nečistoty v činidlech. To může vést k degradaci a zanášení na povrchu pevných katalyzátorů. Zanášení snižuje povrch exponovaného katalyzátoru, a tím snižuje jeho účinnost. Není třeba jej odstraňovat ani během procesu, ani v recyklačních intervalech za použití jiných procesních chemikálií. Ultrazvuku je účinným prostředkem čisté katalyzátory nebo pomoci katalyzátoru procesu recyklace, Ultrazvukové čištění je pravděpodobně nejobvyklejší a známé aplikace ultrazvukem. Dopadající kavitačné proudů kapaliny a rázových vln až 10⁴ATM může vytvořit lokalizované smykové síly, eroze a povrchové důlkovou korozi. Pro jemné částice, kolize vysokorychlostní inter-částic vedou k povrchu erozi a dokonce broušení a frézování, Tyto kolize mohou způsobit lokální přechodné teploty dopad přibližně. 3000K. Suslick prokázáno, že účinně ultrazvuku odstraňuje povlaky oxidu povrchové, Odstranění těchto pasivačních povlaků výrazně zlepšuje reakční rychlosti pro širokou škálu reakcí (Suslick 2008). Použití ultrazvukem pomáhá snižovat problém zanášení pevné disperzní katalyzátoru při katalýze a přispívá k čištění během procesu recyklace katalyzátoru.

Příklady Ultrasonic Catalysis

Existují četné příklady ultrazvukem asistované katalýze a pro ultrazvukové přípravu heterogenních katalyzátorů. Doporučujeme Sonokatalýza článek Kenneth Suslick pro komplexní úvod. Hielscher dodává ultrazvukové reaktory pro přípravu katalyzátorů nebo katalyzátorů, Jako katalytická transesterifikace pro výrobu methylesterů (tj. mastných metylester = bionafta),

Ultrazvukové zařízení pro Sonocatalysis

Hielscher vyrábí ultrazvukové zařízení pro použití při jakýkoli měřítko pro a Různé procesy, To zahrnuje lab použití ultrazvuku v malých lahvičkách, jakož i průmyslové reaktory a průtokové buňky, Při prvním testu procesů v laboratorním měřítku UP400S (400 W) je velmi vhodná. Lze jej použít pro dávkové procesy, jakož i pro inline ultrazvuku. Pro testování procesů a optimalizace před navýšit, doporučujeme použít UIP1000hd (1000 W), Protože jednotky je velmi adaptabilní a výsledky con být zmenšen lineární k žádné větší kapacitou. Pro výrobu plného rozsahu nabízíme ultrazvukové přístroje až do výše 10 kW a 16kW ultrazvukové energie. Shluky několika takových jednotek poskytují velmi vysokou zpracovatelských kapacit.

Budeme rádi na podporu svého procesu testování, optimalizaci a rozšířit. Mluvte s námi o vhodné zařízení nebo navštivte naše procesu laboratoř,

Literatura na Sonocatalysis a ultrazvukem asistované Catalysis

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Akustické kavitace a její chemické důsledky, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S .; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalýza” Handbook of heterogenní katalýzy, sv. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, str 2006-2017..