Sonocatalysis – Ultralydassisteret katalyse

Ultralydbehandling påvirker katalysatoren reaktiviteten under katalyse ved øget masse-overførsel og energitilførsel. I heterogen katalyse, hvor katalysatoren er i en anden fase til reaktanterne, ultrasonisk dispergering øger areal til rådighed for reaktanterne.

Baggrund for sonocatalysis

Katalyse er proces, hvor hastigheden af ​​en kemisk reaktion forøges (Eller nedsat) ved hjælp af en katalysator. Produktionen af ​​mange kemikalier indebærer katalyse. Indflydelsen på reaktionshastigheden afhænger af frekvensen af ​​kontakt af reaktanterne i det hastighedsbestemmende trin. Generelt katalysatorer forøge reaktionshastigheden og sænker aktiveringsenergien ved at tilvejebringe en alternativ reaktionsvej til reaktionsproduktet. Til dette katalysatorerne reagere med en eller flere reaktanter til dannelse af mellemprodukter, der efterfølgende giver slutproduktet. Sidstnævnte trin regenererer katalysatoren. Ved sænke aktiveringsenergien, Flere molekylære kollisioner har den nødvendige energi til at nå overgangen tilstand. I nogle tilfælde katalysatorer anvendes ændre selektiviteten af ​​en kemisk reaktion.

Det diagram til højre viser virkningen af ​​en katalysator i en kemisk reaktion X + Y at producere Z. Katalysatoren tilvejebringer en alternativ vej (grøn) med en lavere aktivering Energi Ea.

Effekter af Ultralydbehandling

Akustisk bølgelængde i væsker spænder fra ca. 110 til 0,15 mm for frekvenser mellem 18 kHz og 10 MHz. Dette er betydeligt over molekylære dimensioner. Af denne grund er der ingen direkte kobling af det akustiske felt med molekyler af en kemisk art. Virkningerne af ultralydbehandling er i høj grad et resultat af Ultrasonic kavitation i væsker. Derfor, ultralyd assisteret katalyse kræver mindst et reagens til at være i væskefase. Ultralydbehandling bidrager til heterogen og homogen katalyse på mange måder. Individuelle virkninger kan fremmes eller reduceres tilpasning af ultralyd amplitude og væsketryk.

Ultrasonic forstøvning og emulgering

Kemiske reaktioner, der involverer reagenser og en katalysator i mere end én fase (heterogen katalyse), er begrænset til fasegrænsen, da dette er det eneste sted, hvor reagenset samt katalysatoren er til stede. Eksponering af reagenser og katalysator for hinanden er en nøglefaktor for mange flerfasede kemiske reaktioner. Af denne grund er det specifikke overfladeareal af fasegrænsen bliver betydningsfuld for den kemiske reaktionshastighed.

Ultralydbehandling er et meget effektivt middel til faststofdispersion og for emulgering af væsker. Ved at reducere partikel-/dråbestørrelsen øges fasegrænsens samlede overfladeareal på samme tid. Grafikken til venstre viser sammenhængen mellem partikelstørrelse og overfladeareal i tilfælde af sfæriske partikler eller dråber (Klik for større billede!). Som fase grænse overflade stiger så gør den kemiske reaktionshastighed. For mange materialer kan ultralydkavitation gøre partikler og dråber af meget fin størrelse – ofte væsentligt under 100 nanometer. Hvis dispersionen eller emulsionen bliver i det mindste midlertidigt stabil, anvendelsen af ultralyd kan kun kræves ved en indledende fase af den kemiske reaktion. En inline ultralyd reaktor til indledende blanding af reagenserne og katalysatoren kan generere fine størrelse partikler / dråber i meget kort tid og ved høje strømningshastigheder. Det kan anvendes selv på meget tyktflydende medier.

Masse-Transfer

Når reagenser reagerer ved en fasegrænse, ophobes produkterne fra den kemiske reaktion ved kontaktfladen. Dette blokerer andre reagensmolekyler fra at interagere på denne fase grænse. Mekaniske forskydningskræfter forårsaget af kavitationsstrålestrømme og akustisk streaming resulterer i turbulent flow og materialetransport fra og til partikel- eller dråbeoverflader. I tilfælde af dråber, kan den høje forskydning føre til sammens kuling og efterfølgende dannelse af nye dråber. Efterhånden som den kemiske reaktion skrider frem over tid, kan det være nødvendigt med en gentagen sonikering, f.eks. maksimere eksponering af reagenserne.

energitilførsel

Ultrasonic kavitation er en unik måde at sætte energi i kemiske reaktioner. En kombination af høj hastighed flydende jetfly, højt tryk (>1000atm) og høje temperaturer (>5000K), enorme opvarmning og afkølingshastigheder (>10⁹ks^-1) Opstår lokalt koncentreret under implosiv kompression af kavitationskræfter bobler. Kenneth Suslick Siger: “Kavitation er en ekstraordinær metode til at koncentrere den diffuse energi af lyd i en kemisk brugbar form.”

Stigning i reaktivitet

Cavitational erosion på partikeloverflader genererer passiverede, meget reaktive overflader. Kortvarig høje temperaturer og tryk bidrager til molekylær nedbrydning og forøge reaktiviteten af mange kemiske arter. Ultralydsbestråling kan anvendes til fremstilling af katalysatorer, fx at producere aggregater af fine partikler af. Dette frembringer amorfe katalysatorer partikler med stor specifik overflade areal. På grund af denne aggregatstruktur, kan sådanne katalysatorer adskilles fra reaktionsprodukterne (dvs. ved filtrering).

Rengøring med ultralyd

Ofte katalyse indebærer uønskede biprodukter, forureninger eller urenheder i reagenserne. Dette kan føre til nedbrydning og begroning på overfladen af faste katalysatorer. Begroning reducerer den eksponerede katalysatoroverflade og reducerer derfor dens effektivitet. Det behøver ikke at blive fjernet hverken under processen eller i genanvendelse intervaller ved hjælp af andre proces kemikalier. Ultralydbehandling er et effektivt middel til at rene katalysatorer eller bistå genbrugsprocessen katalysator. Ultrasonic rengøring er nok den mest almindelige og kendte anvendelse af ultralyd. Indfald af kavitationskræfter væskestråler og chokbølger på op til 10⁴atm kan oprette lokaliserede forskydningskræfter, erosion og overflade grubetæring. For fine partikler, high speed interpartikulære kollisioner føre til overfladen erosion og endda slibning og fræsning. Disse kollisioner kan forårsage lokale forbigående effekt temperaturer på ca.. 3000K. Suslick demonstrerede, at ultralydbehandling effektivt fjerner overflade oxidbelægninger. Fjernelse af sådanne passiverende overtræk dramatisk forbedrer reaktionshastigheder for en bred vifte af reaktioner (Suslick 2008). Anvendelsen af ​​ultralyd hjælper med at sænke tilgroning problemet med en fast dispergeret katalysator under katalyse og bidrager til rengøring i løbet af katalysatorrecirkuleringsfremgangsmåden.

Eksempler på Ultrasonic Catalysis

Der er talrige eksempler på ultralyd assisteret katalyse og for ultralyd fremstilling af heterogene katalysatorer. Vi anbefaler Sonocatalysis artikel af Kenneth Suslick for en omfattende introduktion. Hielscher leverer ultralyd reaktorer til fremstilling af katalysatorer eller katalyse, såsom katalytisk omestring til fremstilling af methylestere (dvs. fede methylester = biodiesel).

Ultralyd til Sonocatalysis

Hielscher fremstiller ultralyds udstyr til brug ved enhver skala og for en række processer. Dette omfatter lab sonikering i små hætteglas samt industrielle reaktorer og flow-celler. Til indledende proces test i laboratorieskala den UP400S (400 watt) er meget velegnet. Det kan bruges til batch-processer samt til inline sonication. For proces test og optimering før skala op, anbefaler vi at bruge UIP1000hd (1000 watt), Da dette enheder er meget smidig og resultater con skaleres lineært til noget større kapacitet. Til produktion i fuld skala, vi tilbyder ultralyds-enheder på op til 10kW og 16kW ultralyd magt. Klynger af flere sådanne enheder giver meget høje forarbejdningskapacitet.

Vi vil være glade for at støtte din proces test, optimering og skalere op. Tal med os om passende udstyr eller besøge vores proces laboratorium.

Litteratur om Sonocatalysis og ultralyd Assisted Katalyse

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Akustisk Kavitation og dets kemiske Consequences, i Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” I Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., red .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017..