Forbedrede Fischer-Tropsch katalysatorer med sonikering
Forbedret syntese af Fischer-Tropsch-katalysatorer med ultralyd: Ultralydsbehandling af katalysatorpartikler bruges til flere formål. Ultralydssyntese hjælper med at skabe modificerede eller funktionaliserede nanopartikler, som har en høj katalytisk aktivitet. Brugte og forgiftede katalysatorer kan let og hurtigt genvindes ved en ultralydsoverfladebehandling, som fjerner inaktiverende tilsmudsning fra katalysatoren. Endelig resulterer ultralydsdeagglomerering og dispersion i en ensartet, mono-dispers fordeling af katalysatorpartikler for at sikre en høj aktiv partikeloverflade og masseoverførsel for optimal katalytisk konvertering.
Fordele ved ultralydskatalysatorforberedelse til Fischer-Tropsch-processer
Sonikering giver betydelige fordele i syntesen af Fischer-Tropsch-katalysatorer, primært på grund af deres evne til at fremkalde fin kontrol over katalysatorens morfologi og aktive site-distribution. Den højenergiske kavitation, der genereres af ultralydsbølger, sikrer hurtig blanding og effektiv de-agglomerering af forløbermaterialer, hvilket fører til en meget ensartet partikelstørrelsesfordeling og øget overfladeareal. Denne forbedrede homogenitet resulterer i større spredning af aktive komponenter, hvilket er afgørende for at maksimere antallet af tilgængelige reaktionssteder. Desuden fører den kontrollerede blandingskinetik ofte til dannelsen af meget stabile og porøse strukturer, hvilket forbedrer katalysatorens katalytiske ydeevne, selektivitet og langtidsstabilitet under barske reaktionsforhold.
Soniker UIP1500hdT med flow-celle til sonokemisk syntese af Fischer-Tropsch-katalysatorer
Ultralydsvirkninger på katalysatorer
Ultralyd med høj effekt er kendt for sin positive indflydelse på kemiske reaktioner. Når intense ultralydsbølger introduceres i et flydende medium, genereres akustisk kavitation. Ultralydskavitation producerer lokalt ekstreme forhold med meget høje temperaturer på op til 5.000K, tryk på ca. 2.000 atm og væskestråler på op til 280 m / s hastighed. Fænomenet akustisk kavitation og dets virkninger på kemiske processer er kendt under udtrykket sonokemi.
En almindelig anvendelse af ultralyd er fremstilling af heterogene katalysatorer: ultralydskavitationskræfterne aktiverer katalysatorens overfladeareal, da kavitationel erosion genererer upassiverede, meget reaktive overflader. Desuden forbedres masseoverførslen betydeligt af den turbulente væskestrøm. Den høje partikelkollision forårsaget af akustisk kavitation fjerner overfladeoxidbelægninger af pulverpartikler, hvilket resulterer i reaktivering af katalysatoroverfladen.
Syntese af palladium-doteret katalysator ved hjælp af sonikatoren UIP1000hdT
Undersøgelse og billede: ©Prekob et al., 2020
Ultralydsforberedelse af Fischer-Tropsch-katalysatorer
Fischer-Tropsch-processen indeholder flere kemiske reaktioner, der omdanner en blanding af kulilte og brint til flydende kulbrinter. Til Fischer-Tropsch-syntese kan en række katalysatorer bruges, men hyppigst anvendte er overgangsmetallerne kobolt, jern og ruthenium. Fischer-Tropsch-syntesen ved høj temperatur drives med jernkatalysator.
Da Fischer-Tropsch-katalysatorer er modtagelige for katalysatorforgiftning af svovlholdige forbindelser, er ultralydsreaktiveringen af stor betydning for at opretholde fuld katalytisk aktivitet og selektivitet.
- Udfældning eller krystallisation
- (Nano-) Partikler med velkontrolleret størrelse og form
- Modificerede og funktionaliserede overfladeegenskaber
- Syntese af doterede partikler eller kernepartikler
- Mesoporøs strukturering
Ultralydsyntese af kerne-skal-katalysatorer
Core-shell nanostrukturer er nanopartikler, der er indkapslet og beskyttet af en ydre skal, der isolerer nanopartiklerne og forhindrer deres migration og sammensmeltning under de katalytiske reaktioner
Pirola et al. (2010) har fremstillet silica-understøttede jernbaserede Fischer-Tropsch-katalysatorer med høj belastning af aktivt metal. I deres undersøgelse er det vist, at den ultralydassisterede imprægnering af silicastøtten forbedrer metalaflejringen og øger katalysatoraktiviteten. Resultaterne af Fischer-Tropsch-syntesen har indikeret katalysatorerne fremstillet ved ultralydbehandling som de mest effektive, især når ultralydsimprægnering udføres i argonatmosfære.
UIP2000hdT – 2kW kraftfuld sonikator til at fremstille katalysatorer.
Genaktivering af ultralydskatalysator
Ultralydpartikeloverfladebehandling er en hurtig og nem metode til at regenerere og reaktivere brugte og passiverede katalysatorer. Katalysatorens regenererbarhed giver mulighed for reaktivering og genbrug og er dermed et økonomisk og miljøvenligt procestrin.
Ultralydspartikelbehandling fjerner inaktiverende passiveringslag, begroninger og urenheder fra katalysatorpartiklen, som blokerer steder for katalytisk reaktion. Sonikering af en brugt katalysatoropslæmning resulterer i jetvask af katalysatorpartikeloverfladen og fjerner derved aflejringer fra det katalytisk aktive sted. Efter ultralydbehandling er katalysatoraktiviteten genoprettet til samme effektivitet som frisk katalysator. Desuden bryder sonikering agglomerater og giver en homogen, ensartet fordeling af monodispergerede partikler, hvilket øger partikeloverfladen og dermed det aktive katalytiske sted. Derfor giver ultralydskatalysatorgenvinding i regenererede katalysatorer med et højt aktivt overfladeareal for forbedret masseoverførsel.
Ultralydskatalysatorregenerering fungerer for mineral- og metalpartikler, (meso-)porøse partikler og nanokompositter.
Read more about ultrasonic regeneration of spent catalysts!
Højtydende sonikatorer til sonokemisk syntese af Fischer-Tropsch-katalysatorer
Hielscher-sonikatorer er meget foretrukne i katalysatorsyntese på grund af deres robuste design, præcision og skalerbarhed, hvilket giver betydelige fordele i forhold til generelt sonikeringsudstyr. Disse enheder giver præcist kontrollerbar og højintensiv ultralydsenergi, hvilket er afgørende for at opnå ensartet spredning af forløbermaterialer og lette præcis nukleation og vækst af katalysatorpartikler. De sofistikerede kontrolsystemer giver forskere mulighed for nøjagtigt at regulere parametre som effekt og pulsvarighed, hvilket sikrer reproducerbare eksperimentelle resultater - en vigtig faktor inden for materialevidenskab. Desuden er Hielschers sonikatorer kendt for deres holdbarhed og evne til at håndtere forskellige skalaer, lige fra små laboratoriepartier til pilotanlæg, hvilket muliggør en effektiv overgang af lovende katalysatorformuleringer fra forskning i bænkskala til industriel anvendelse. Tyske ingeniør- og produktionsstandarder sikrer, at Hielschers ultralydsudstyr kan betjenes pålideligt i 24/7-drift under tunge belastninger.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores sonikere:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Fakta, der er værd at vide
Hvad er Fischer-Tropsch-reaktionen?
Fischer-Tropsch-reaktionen er en katalytisk kemisk proces, der omdanner syntesegas, en blanding af kulilte og brint, til kulbrinter som alkaner, alkener, voks og flydende brændstoffer. Det er en vigtig vej til at producere syntetiske brændstoffer og kemikalier fra kul, naturgas, biomasse eller CO₂-afledt syntesegas.
Hvad er en Fischer-Tropsch-katalysator?
En Fischer-Tropsch-katalysator er et fast katalytisk materiale, der fremmer hydrogenering og kædeomdannelse af kulilte med brint til kulbrinter. De mest anvendte aktive metaller er jern, kobolt og ruthenium, ofte understøttet af materialer som aluminiumoxid, silica, titania eller kulstof for at forbedre overfladearealet, stabiliteten og selektiviteten.
Hvilke industrier bruger Fischer-Tropsch-reaktioner?
Fischer-Tropsch-reaktioner bruges i den syntetiske brændstofindustri, den petrokemiske industri, gas-til-væske-produktion, kul-til-væske-produktion, biomasse-til-væske-produktion og nye sektorer, der bruger strøm-til-væske og kulstofopsamling. De er især relevante for produktion af diesel, jetbrændstof, smøremidler, voks, olefiner og andre kulbrintebaserede råmaterialer.
Hvad er anvendelsesmulighederne for Fischer-Tropsch-katalysatorer?
Fischer-Tropsch-syntesen er en kategori af katalytiske processer, der anvendes til fremstilling af brændstoffer og kemikalier fra syntesegas (blanding af CO og H2), som kan
afledt af naturgas, kul eller biomasse Fischer-Tropsch-processen, en overgangsmetalholdig katalysator bruges til at producere kulbrinter fra de helt basale udgangsmaterialer brint og kulilte, som kan udledes af forskellige kulstofholdige ressourcer såsom kul, naturgas, biomasse og endda affald.
Litteratur / Referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.