sonokatalyse – Ultralydassisteret katalyse

Ultralydbehandling påvirker katalysatorens reaktivitet under katalyse ved forbedret masseoverførsel og energiinput. Ved heterogen katalyse, hvor katalysatoren er i en anden fase end reaktanterne, øger ultralydsdispersion det overfladeareal, der er tilgængeligt for reaktanterne.

Baggrund for sonokatalyse

Katalyse er en proces, hvor hastigheden af en kemisk reaktion øges (eller formindsket) ved hjælp af en katalysator. Produktionen af mange kemikalier involverer katalyse. Indflydelsen på reaktionshastigheden afhænger af hyppigheden af kontakt mellem reaktanterne i det hastighedsbestemmende trin. Generelt øger katalysatorer reaktionshastigheden og sænker aktiveringsenergien ved at give en alternativ reaktionsvej til reaktionsproduktet. Til dette reagerer katalysatorerne med en eller flere reaktanter og danner mellemprodukter, der efterfølgende giver det endelige produkt. Sidstnævnte trin regenererer katalysatoren. Ved Sænkning af aktiveringsenergienhar flere molekylære kollisioner den nødvendige energi til at nå overgangstilstanden. I nogle tilfælde anvendes katalysatorer, der ændrer selektiviteten af en kemisk reaktion.

Den diagram til højre illustrerer effekten af en katalysator i en kemisk reaktion X+Y til at producere Z. Katalysatoren giver en alternativ vej (grøn) med en lavere aktiveringsenergi Ea.

Virkninger af ultralydbehandling

Akustisk bølgelængde i væsker varierer fra ca. 110 til 0,15 mm for frekvenser mellem 18kHz og 10MHz. 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 vid udstrækning et resultat af ultralyd kavitation i væsker. Derfor kræver ultralydassisteret katalyse, at mindst ét reagens er i flydende fase. Ultralydbehandling bidrager til heterogen og homogen katalyse på mange måder. Individuelle effekter kan fremmes eller reduceres ved at tilpasse ultralydsamplituden og væsketrykket.

Ultralyd dispergering 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 såvel som katalysatoren er til stede. Reagensernes og katalysatorens eksponering for hinanden er en Nøglefaktor for mange kemiske reaktioner i flere faser. Af denne grund bliver det specifikke overfladeareal af fasegrænsen indflydelsesrigt for den kemiske reaktionshastighed.

Ultralydbehandling er et meget effektivt middel til dispersion af faste stoffer og for emulgering af væsker. Ved at reducere partikel-/dråbestørrelsen øges det samlede overfladeareal af fasegrænsen på samme tid. Grafikken til venstre viser sammenhængen mellem partikelstørrelse og overfladeareal i tilfælde af sfæriske partikler eller dråber (Klik for større visning!). Efterhånden som fasegrænseoverfladen øges, øges den kemiske reaktionshastighed også. For mange materialer kan ultralydskavitation gøre partikler og dråber af meget fin størrelse – ofte betydeligt under 100 nanometer. Hvis dispersionen eller emulsionen i det mindste midlertidigt bliver stabil, skal Ultralyd kan kun være påkrævet i en indledende fase af den kemiske reaktion. En inline ultralydsreaktor til den indledende blanding af reagenserne og katalysatoren kan generere fine partikler / dråber på meget kort tid og ved høje strømningshastigheder. Det kan anvendes selv på meget viskøse medier.

Masseoverførsel

emulsion Når reagenser reagerer ved en fasegrænse, akkumuleres produkterne fra den kemiske reaktion ved kontaktfladen. Dette blokerer andre reagensmolekyler fra at interagere ved denne fasegrænse. Mekaniske forskydningskræfter forårsaget af kavitationelle jetstrømme og akustisk streaming resulterer i turbulent strømning og materialetransport fra og til partikel- eller dråbeoverflader. I tilfælde af dråber kan den høje forskydning føre til sammensmeltning 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. to-trins eller recirkulation, for at maksimere eksponeringen af reagenserne.

Energitilførsel

Ultralydskavitation er en unik måde at Sæt energi i kemiske reaktioner. En kombination af højhastigheds væskestråler, højt tryk (>1000 atm) og høje temperaturer (>5000K), enorme opvarmnings- og kølehastigheder (>10⁹Ks^-1) forekommer lokalt koncentreret under implosiv kompression af kavitationsbobler. Kenneth Suslick Siger: “Kavitation er en ekstraordinær metode til at koncentrere lydens diffuse energi til en kemisk anvendelig form.”

Stigning i reaktivitet

Kavitationel erosion på partikeloverflader genererer upassiverede, meget reaktive overflader. Kortvarige høje temperaturer og tryk bidrager til molekylær nedbrydning og øge reaktiviteten af mange kemiske arter. Ultralydsbestråling kan bruges til fremstilling af katalysatorer, f.eks. til fremstilling af aggregater af fine partikler. Dette producerer amorfe katalysatorer partikler med høj specifik overflade område. På grund af denne aggregatstruktur kan sådanne katalysatorer adskilles fra reaktionsprodukterne (dvs. ved filtrering).

Ultralyd rengøring

Ofte involverer katalyse uønskede biprodukter, forureninger eller urenheder i reagenserne. Dette kan føre til nedbrydning og tilsmudsning på overfladen af faste katalysatorer. Tilsmudsning reducerer den eksponerede katalysatoroverflade og reducerer derfor dens effektivitet. Det behøver ikke at blive fjernet hverken under processen eller i genbrugsintervaller ved hjælp af andre proceskemikalier. Ultralydbehandling er et effektivt middel til at katalysatorer eller hjælpe med genanvendelsesprocessen for katalysatorer. Ultralydsrensning er sandsynligvis den mest almindelige og kendte anvendelse af ultralyd. Påvirkning af kavitationelle væskestråler og chokbølger på op til 10⁴ATM kan skabe lokaliserede forskydningskræfter, erosion og grubetæring på overfladen. For partikler af fin størrelse fører kollisioner mellem partikler med høj hastighed til overfladeerosion og endda Slibning og fræsning. Disse kollisioner kan forårsage lokale forbigående kollisionstemperaturer på ca. 3000K. Suslick demonstrerede, at ultralydbehandling effektivt fjerner overfladeoxidbelægninger. Fjernelse af sådanne passiverende belægninger forbedrer reaktionshastighederne dramatisk for en lang række reaktioner (Lækker 2008). Anvendelsen af ultralyd hjælper med at reducere tilsmudsningsproblemet med en fast dispergeret katalysator under katalyse og bidrager til rengøringen under katalysatorgenbrugsprocessen.

Eksempler på ultralydskatalyse

Der er talrige eksempler på ultralydassisteret katalyse og til ultralydsfremstilling af heterogene katalysatorer. Vi anbefaler sonokatalyse artikel af Kenneth Suslick for en omfattende introduktion. Hielscher leverer ultralydsreaktorer til fremstilling af katalysatorer eller katalyse, Biodiesel pumpe såsom katalytisk transesterificering til fremstilling af methylestere (dvs. fedtmethylester = biodiesel).

Ultralydsudstyr til sonokatalyse

Hielscher fremstiller ultralydsapparater til brug på enhver skala og for en forskellige processer. Dette omfatter Laboratorie sonikering i små hætteglas samt industrielle reaktorer og flowceller. Til indledende procestest i laboratorieskala er UP400S (400 watt) er meget velegnet. Det kan bruges til batchprocesser såvel som til inline sonikering. Til procestest og optimering før opskalering anbefaler vi at bruge UIP1000hd (1000 watt), da disse enheder er meget tilpasningsdygtige, og resultaterne kan skaleres lineært til enhver større kapacitet. Til produktion i fuld skala tilbyder vi ultralydsenheder på op til 10kW og 16kW ultralyd magt. Klynger af flere sådanne enheder giver meget høj behandlingskapacitet.