Verbesserte Fischer-Tropsch-Katalysatoren mit Beschallung
Verbesserte Synthese von Fischer-Tropsch-Katalysatoren mit Ultraschall: Die Ultraschallbehandlung von Katalysatorpartikeln wird für verschiedene Zwecke eingesetzt. Die Ultraschallsynthese hilft, modifizierte oder funktionalisierte Nanopartikel zu erzeugen, die eine hohe katalytische Aktivität haben. Verbrauchte und vergiftete Katalysatoren können durch eine Ultraschall-Oberflächenbehandlung, die inaktivierende Verschmutzungen aus dem Katalysator entfernt, leicht und schnell wiedergewonnen werden. Schließlich führt die Ultraschall-Degglomeration und -Dispergierung zu einer gleichmäßigen, monodispersen Verteilung der Katalysatorpartikel, um eine hohe aktive Partikeloberfläche und einen Massenaustausch für eine optimale katalytische Umwandlung zu gewährleisten.
Ultraschall-Effekte auf den Katalysator
Hochleistungsultraschall ist bekannt für seinen positiven Einfluss auf chemische Reaktionen. Wenn intensive Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingebracht werden, wird eine 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 ist unter dem Begriff Sonochemie bekannt.
Eine häufige Anwendung von Ultraschall ist die Herstellung von heterogenen Katalysatoren: Die Ultraschall-Kavitationskräfte aktivieren die Oberfläche des Katalysators, da die Kavitationserosion unpassivierte, hochreaktive Oberflächen erzeugt. Darüber hinaus wird der Stofftransport durch die turbulente Flüssigkeitsströmung deutlich verbessert. Die durch akustische Kavitation hervorgerufene hohe Partikelkollision entfernt Oberflächenoxidbeschichtungen von Pulverpartikeln, was zur Reaktivierung der Katalysatoroberfläche führt.
Ultraschall-Präparation von Fischer-Tropsch-Katalysatoren
Das Fischer-Tropsch-Verfahren enthält mehrere chemische Reaktionen, die ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in flüssige Kohlenwasserstoffe umwandeln. 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 eine Katalysatorvergiftung durch schwefelhaltige Verbindungen sind, ist die Ultraschall-Reaktivierung von großer Bedeutung, um die volle katalytische Aktivität und Selektivität zu erhalten.
- Ausfällung oder Kristallisation
- (Nano-)Partikel mit gut kontrollierter Größe und Form
- Modifizierte und funktionalisierte Oberflächeneigenschaften
- Synthese von dotierten oder Kern-Schale-Teilchen
- Mesoporöse Strukturierung
Ultraschall-Synthese von Kern-Hülle-Katalysatoren
Kern-Schale-Nanostrukturen sind Nanopartikel, die von einer äußeren Hülle eingekapselt und geschützt sind, die die Nanopartikel isoliert und ihre Migration und Koaleszenz während der katalytischen Reaktionen verhindert.
Pirola et al. (2010) haben Fischer-Tropsch-Katalysatoren auf Eisenbasis mit hoher Beladung mit aktivem Metall auf Siliziumdioxid-Träger hergestellt. In ihrer Studie wird gezeigt, dass die ultraschallunterstützte Imprägnierung des Siliciumdioxidträgers 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 Ultraschall-Imprägnierung in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt wird.

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Reaktivierung des Ultraschall-Katalysators
Die Oberflächenbehandlung mit Ultraschallpartikeln ist eine schnelle und einfache Methode zur Regenerierung und Reaktivierung verbrauchter und vergifteter Katalysatoren. Die Regenerierbarkeit des Katalysators ermöglicht seine Reaktivierung und Wiederverwendung und ist damit ein wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Verfahrensschritt.
Die Ultraschallpartikelbehandlung entfernt inaktivierende Verschmutzungen und Verunreinigungen aus den Katalysatorpartikeln, die Stellen für die katalytische Reaktion blockieren. Durch die Ultraschallbehandlung wird das Katalysatorteilchen mit einem Oberflächenstrahl gewaschen und so Ablagerungen von der katalytisch aktiven Stelle entfernt. Nach der Ultraschallbehandlung wird die Aktivität des Katalysators wieder auf die gleiche Wirksamkeit wie bei frischem Katalysator zurückgeführt. Darüber hinaus bricht die Beschallung Agglomerate auf und sorgt für eine homogene, gleichmäßige Verteilung der monodispersen Partikel, wodurch die Partikeloberfläche und damit das aktive katalytische Zentrum vergrößert wird. Die Rückgewinnung von Ultraschall-Katalysatoren erfolgt daher in regenerierten Katalysatoren mit einer hohen aktiven Oberfläche für einen verbesserten Stoffaustausch.
Ultraschall-Katalysator-Regenerationsarbeiten für Mineral- und Metallpartikel, (meso-)poröse Partikel und Nanokomposite.
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 Ultraschallsysteme:
Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
---|---|---|
0,5 bis 1,5 ml | n.a. | VialTweeter |
1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Literatur
- 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.; Skrabalak, S. E. (2008): Sonocatalysis. In: Handbook of Heterogeneous Catalysis. 8, 2008, 2007–2017.
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998, 517-541.
- Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.
Wissenswertes
Anwendungen von Fischer-Tropsch-Katalysatoren
Die Fischer-Tropsch-Synthese ist eine Kategorie von katalytischen Verfahren, die bei der Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien aus Synthesegas (Mischung aus CO und H2), das können sein
Aus Erdgas, Kohle oder Biomasse wird im Fischer-Tropsch-Verfahren ein übergangsmetallhaltiger Katalysator verwendet, um aus den sehr elementaren Ausgangsstoffen Wasserstoff und Kohlenmonoxid Kohlenwasserstoffe herzustellen, die aus verschiedenen kohlenstoffhaltigen Ressourcen wie Kohle, Erdgas, Biomasse und sogar Abfall gewonnen werden können.