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 Katalyse

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 18kHz og 10MHz. Dette er betydeligt over molekylære dimensioner. Derfor 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 på mere end én fase (Heterogen katalyse) er begrænset til fase grænsen, da dette er det eneste sted, hvor reagensen samt katalysatoren er til stede. Eksponeringen af reagenserne og katalysatoren 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 det samlede overfladeareal af fase grænsen på samme tid. Grafikken til venstre viser korrelationen mellem partikelstørrelse og overfladeareal i tilfælde af sfæriske partikler eller dråber (Klik for større billede!). Som fase grænse overfladen stiger, så gør den kemiske reaktionshastighed. For mange materialer ultralyd kavitation kan 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 reagenserne reagerer ved en fase grænse, akkumuleres produkterne fra den kemiske reaktion ved kontaktoverfladen. Dette blokerer andre reagens molekyler i at interagere ved denne fase grænse. Mekaniske forskydningskræfter forårsaget af cavitational jetstreams og akustisk streaming resultere i turbulent flow og materiale transport fra og til partikel eller dråbe overflader. I tilfælde af dråber, kan den høje forskydning føre til sammensmeltning og efterfølgende dannelse af nye dråber. Som den kemiske reaktion skrider fremover tid, en gentagen sonikering, fx to-trins eller recirkulation, kan være nødvendigt at 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 says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable 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

Katalyse involverer ofte uønskede biprodukter, forureninger eller urenheder i reagenserne. Dette kan føre til nedbrydning og tilsmudsning på overfladen af solide katalysatorer. Fouling reducerer den eksponerede katalysator overflade og reducerer derfor dens effektivitet. Det behøver ikke fjernes enten under processen eller i genbrug intervaller ved hjælp af andre proceskemikalier. 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..