sonokatalýza – Ultrazvukem asistovaná katalýza
Ultrazvuku ovlivňuje reaktivitu katalyzátoru během katalýzy zvýšeným přenosem hmoty a vstupem energie. V heterogenní katalýze, kde je katalyzátor v jiné fázi než reaktanty, ultrazvuková disperze zvyšuje povrchovou plochu dostupnou pro reaktanty.
Pozadí sonokatalýzy
Katalýza je proces, při kterém se zvyšuje rychlost a chemická reakce je zvýšena (nebo snížena) pomocí katalyzátoru. Výroba mnoha chemikálií zahrnuje katalýzu. Vliv na reakční rychlost závisí na frekvenci kontaktu reaktantů v kroku určujícím rychlost. Obecně platí, že katalyzátory zvyšují reakční rychlost a snižují aktivační energii tím, že poskytují alternativní reakční cestu k reakčnímu produktu. Za tímto účelem katalyzátory reagují s jedním nebo více reaktanty za vzniku meziproduktů, které následně poskytují konečný produkt. Druhý krok regeneruje katalyzátor. Vedle snížení aktivační energie, více molekulárních srážek má energii potřebnou k dosažení přechodového stavu. V některých případech se používají katalyzátory, které mění selektivitu chemické reakce.
Ten diagram vpravo znázorňuje účinek katalyzátoru při chemické reakci X+Y za vzniku Z. Katalyzátor poskytuje alternativní cestu (zelená) s nižší aktivační energií Ea.
Účinky ultrazvuku
Akustická vlnová délka v kapalinách se pohybuje od cca. 110 až 0,15 mm pro frekvence mezi 18 kHz a 10 MHz. To je výrazně nad molekulárními rozměry. Z tohoto důvodu nedochází k přímému spojení akustického pole s molekulami chemického druhu. Účinky ultrazvuku jsou do značné míry výsledkem Ultrazvuková kavitace v kapalinách. Proto ultrazvukem asistovaná katalýza vyžaduje, aby alespoň jedno činidlo bylo v kapalné fázi. Ultrazvuku přispívá k heterogenní a homogenní katalýze v mnoha ohledech. Jednotlivé efekty mohou být podporovány nebo sníženy přizpůsobením ultrazvukové amplitudy a tlaku kapaliny.
Ultrazvuková dispergace a emulgace
Chemické reakce zahrnující činidla a katalyzátor více než jedné fáze (heterogenní katalýza) jsou omezeny na fázové rozhraní, protože je to jediné místo, kde je činidlo i katalyzátor přítomny. Vzájemná expozice činidel a katalyzátoru je Klíčový faktor pro mnoho vícefázových chemických reakcí. Z tohoto důvodu se měrný povrch fázového rozhraní stává vlivným pro chemickou rychlost reakce.
Ultrazvuku je velmi účinným prostředkem pro disperze pevných látek a pro emulgace kapalin. Snížením velikosti částic/kapek se současně zvětšuje celková plocha fázového rozhraní. Obrázek vlevo ukazuje korelaci mezi velikostí částic a povrchem v případě kulových částic nebo kapek (Klikněte pro zvětšení!). Jak se zvětšuje plocha fázového rozhraní, zvyšuje se i rychlost chemické reakce. U mnoha materiálů může ultrazvuková kavitace vytvářet částice a kapičky velmi pěkná velikost – často výrazně pod 100 nanometrů. Pokud se disperze nebo emulze alespoň dočasně stabilizuje, použije se ultrazvuk může být vyžadován pouze v počáteční fázi chemické reakce. Inline ultrazvukový reaktor pro počáteční smíchání činidel a katalyzátoru může generovat jemné částice/kapičky ve velmi krátkém čase a při vysokých průtocích. Může být aplikován i na vysoce viskózní média.
Přenos hmoty
Když činidla reagují na fázovém rozhraní, produkty chemické reakce se hromadí na kontaktní ploše. To blokuje interakci ostatních molekul činidla na této fázové hranici. Mechanické smykové síly způsobené kavitačním prouděním a akustickým prouděním mají za následek turbulentní proudění a transport materiálu z a na povrchy částic nebo kapek. V případě kapek může vysoký střih vést ke koalescenci a následné tvorbě nových kapiček. Vzhledem k tomu, že chemická reakce postupuje v průběhu času, může být vyžadována opakovaná sonikace, např. dvoustupňová nebo recirkulace, aby se Maximalizujte expozici reagencií.
Vstupní spotřeba energie
Ultrazvuková kavitace je jedinečný způsob, jak Vložte energii do chemických reakcí. Kombinace vysokorychlostních kapalinových trysek, vysokotlakých (>1000 atm) a vysoké teploty (>5000 K), enormní rychlosti ohřevu a chlazení (>109ks-1) se vyskytují lokálně koncentrované během implozivní komprese kavitačních bublin. Kenneth Suslick říká: “Kavitace je mimořádná metoda koncentrace difúzní energie zvuku do chemicky využitelné formy.”
Zvýšení reaktivity
Kavitační eroze na povrchu částic Vytváří nepasivované, vysoce reaktivní povrchy. Krátkodobé vysoké teploty a tlaky přispívají k molekulární rozklad a zvýšení reaktivity mnoha chemických druhů. Ultrazvukové ozařování lze použít při přípravě katalyzátorů, např. k výrobě agregátů jemných částic. Tím vznikají amorfní katalyzátory částice s vysokým specifickým povrchem oblast. Díky této agregované struktuře mohou být takové katalyzátory odděleny od reakčních produktů (tj. filtrací).
Ultrazvukové čištění
Katalýza často zahrnuje nežádoucí vedlejší produkty, kontaminace nebo nečistoty v činidlech. To může vést k degradaci a znečištění povrchu pevných katalyzátorů. Zanášení snižuje obnažený povrch katalyzátoru a tím snižuje jeho účinnost. Není nutné jej odstraňovat ani během procesu, ani v intervalech recyklace pomocí jiných procesních chemikálií. Ultrazvuku je účinným prostředkem k Čištění katalyzátorů nebo podpora procesu recyklace katalyzátorů. Ultrazvukové čištění je pravděpodobně nejběžnější a nejznámější aplikací ultrazvuku. Dopad kavitačních kapalinových proudů a rázových vln až 104ATM může vytvářet lokální smykové síly, erozi a důlkovou korozi. U částic jemné velikosti vedou vysokorychlostní srážky mezi částicemi k erozi povrchu a dokonce k broušení a frézování. Tyto kolize mohou způsobit místní přechodné nárazové teploty cca. 3000K. Suslick prokázal, že ultrazvuku účinně odstraňuje povrchové oxidové povlaky. Odstranění těchto pasivačních povlaků dramaticky zlepšuje reakční rychlosti pro širokou škálu reakcí (Šuslick 2008). Použití ultrazvuku pomáhá snížit problém se znečištěním pevného dispergovaného katalyzátoru během katalýzy a přispívá k čištění během procesu recyklace katalyzátoru.
Příklady ultrazvukové katalýzy
Existuje mnoho příkladů pro ultrazvukem asistovanou katalýzu a pro ultrazvukovou přípravu heterogenních katalyzátorů. Doporučujeme sonokatalýza článek od Kennetha Suslicka pro obsáhlý úvod. Hielscher dodává ultrazvukové reaktory pro přípravu katalyzátorů nebo katalýzu, 
jako je například katalytická transesterifikace pro výrobu methylesterů (tj. mastného methylesteru = bionafty).
Ultrazvukové zařízení pro sonokatalýzu
Hielscher vyrábí ultrazvuková zařízení pro použití na libovolné měřítko a pro a Rozmanitost procesů. To zahrnuje Laboratorní sonikace v malých lahvičkách, stejně jako Průmyslové reaktory a průtočné články. Pro počáteční procesní test v laboratorním měřítku UP400S (400 wattů) je velmi vhodný. Může být použit pro dávkové procesy, stejně jako pro inline sonikaci. Pro testování a optimalizaci procesů před rozšířením doporučujeme použít UIP1000hd (1000 wattů), protože tato jednotka je velmi přizpůsobivá a výsledky lze škálovat lineárně na jakoukoli větší kapacitu. Pro celosériovou výrobu nabízíme ultrazvukové přístroje až do 10kW a 16kW ultrazvuková síla. Clustery několika takových jednotek poskytují velmi vysoké zpracovatelské kapacity.
Rádi vás podpoříme při testování, optimalizaci a rozšiřování vašich procesů. Promluvte si s námi o vhodném vybavení nebo Navštivte naši procesní laboratoř.
Literatura o sonokatalýze a ultrazvukem asistované katalýze
Šušlick, K. S.; Didenko, Y.; Tesák, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdlelení, M. M.; Wong, M. (1999): Akustická kavitace a její chemické důsledky, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Šušlick, K. S.; Škrabalák, S. E. (2008): “sonokatalýza” In Příručka heterogenní katalýzy, sv. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.