Verbesserte Fischer-Tropsch-Katalysatoren mit Sonikation

Verbesserte Synthese von Fischer-Tropsch-Katalysatoren mit Ultraschall: Die Ultraschallbehandlung von Katalysatorpartikeln wird für verschiedene Zwecke eingesetzt. Mit Hilfe der Ultraschallsynthese lassen sich modifizierte oder funktionalisierte Nanopartikel herstellen, die eine hohe katalytische Aktivität aufweisen. Verbrauchte und vergiftete Katalysatoren können durch eine Ultraschall-Oberflächenbehandlung, die inaktivierende Verschmutzungen vom Katalysator entfernt, leicht und schnell wiedergewonnen werden. Schließlich führt die Deagglomeration und Dispersion mit Ultraschall zu einer gleichmäßigen, monodispersen Verteilung der Katalysatorteilchen, um eine hohe aktive Teilchenoberfläche und einen hohen Stoffaustausch für eine optimale katalytische Umwandlung zu gewährleisten.

Ultraschallwirkungen auf Katalysatoren

Hochleistungsultraschall ist für seinen positiven Einfluss auf chemische Reaktionen bekannt. Wenn intensive Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingeleitet werden, wird akustische Kavitation erzeugt. Die Ultraschallkavitation erzeugt lokal extreme Bedingungen mit sehr hohen Temperaturen von bis zu 5.000K, Drücken von ca. 2.000atm und Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 280m/s Geschwindigkeit. Das Phänomen der akustischen Kavitation und seine Auswirkungen auf chemische Prozesse sind unter dem Begriff Sonochemie bekannt.
Eine häufige Anwendung des Ultraschalls ist die Vorbereitung heterogener Katalysatoren: Die Ultraschallkavitationskräfte aktivieren die Oberfläche des Katalysators, da die Kavitationserosion unpassivierte, hochreaktive Oberflächen erzeugt. Außerdem wird der Stofftransport durch die turbulente Flüssigkeitsströmung erheblich verbessert. Die durch die akustische Kavitation hervorgerufene hohe Partikelkollision entfernt Oberflächenoxidschichten von Pulverpartikeln, was zu einer Reaktivierung der Katalysatoroberfläche führt.

Vorbereitung von Fischer-Tropsch-Katalysatoren mit Ultraschall

Das Fischer-Tropsch-Verfahren umfasst mehrere chemische Reaktionen, bei denen ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Für die Fischer-Tropsch-Synthese kann eine Vielzahl von Katalysatoren verwendet werden, am häufigsten werden jedoch die Übergangsmetalle Kobalt, Eisen und Ruthenium eingesetzt. Die Hochtemperatur-Fischer-Tropsch-Synthese wird mit einem Eisenkatalysator betrieben.
Da Fischer-Tropsch-Katalysatoren anfällig für Katalysatorvergiftungen durch schwefelhaltige Verbindungen sind, ist die Reaktivierung mit Ultraschall von großer Bedeutung, um die volle katalytische Aktivität und Selektivität zu erhalten.

Ultraschall-Synthese von Kern-Schale-Katalysatoren

Bei Kern-Schale-Nanostrukturen handelt es sich um Nanopartikel, die von einer äußeren Schale eingekapselt und geschützt sind, die die Nanopartikel isoliert und ihre Migration und Koaleszenz während der katalytischen Reaktionen verhindert

Pirola et al. (2010) haben auf Siliziumdioxid basierende Fischer-Tropsch-Katalysatoren auf Eisenbasis mit einer hohen Beladung an aktivem Metall hergestellt. In ihrer Studie wird gezeigt, dass die ultraschallunterstützte Imprägnierung des Silikat-Trägers die Metallabscheidung verbessert und die Katalysatoraktivität erhöht. Die Ergebnisse der Fischer-Tropsch-Synthese haben gezeigt, dass die durch Ultraschall hergestellten Katalysatoren am effizientesten sind, insbesondere wenn die Ultraschallimprägnierung in Argonatmosphäre durchgeführt wird.

Katalysator-Reaktivierung mit Ultraschall

Die Oberflächenbehandlung mit Ultraschallpartikeln ist ein schnelles und einfaches Verfahren zur Regenerierung und Reaktivierung verbrauchter und vergifteter Katalysatoren. Die Regenerierbarkeit des Katalysators ermöglicht seine Reaktivierung und Wiederverwendung und ist damit ein wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Prozessschritt.
Durch die Ultraschallbehandlung der Partikel werden inaktivierende Ablagerungen und Verunreinigungen von den Katalysatorpartikeln entfernt, die die katalytische Reaktion blockieren. Durch die Ultraschallbehandlung wird das Katalysatorteilchen mit einem Oberflächenstrahl gewaschen, wodurch Ablagerungen an der katalytisch aktiven Stelle entfernt werden. Nach der Ultraschallbehandlung erreicht die Katalysatoraktivität wieder die gleiche Wirksamkeit wie bei frischem Katalysator. Darüber hinaus werden durch die Beschallung Agglomerate aufgebrochen und eine homogene, gleichmäßige Verteilung monodisperser Teilchen erreicht, was die Teilchenoberfläche und damit die aktive katalytische Stelle vergrößert. Die Rückgewinnung des Katalysators mit Ultraschall führt daher zu regenerierten Katalysatoren mit einer großen aktiven Oberfläche für einen verbesserten Stofftransport.
Die Regeneration von Katalysatoren mit Ultraschall funktioniert bei Mineral- und Metallpartikeln, (meso-)porösen Partikeln und Nanokompositen.

Hochleistungs-Ultraschallsysteme für die Sonochemie

Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Unsere Kunden sind von der herausragenden Robustheit und Zuverlässigkeit der Hielscher Ultraschallsysteme überzeugt. Die Installation in Bereichen mit hoher Beanspruchung, anspruchsvollen Umgebungen und 24/7-Betrieb sorgt für eine effiziente und wirtschaftliche Verarbeitung. Die Intensivierung des Ultraschallprozesses verkürzt die Prozesszeit und erzielt bessere Ergebnisse, d.h. höhere Qualität, höhere Ausbeute, innovative Produkte.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: