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.

Vorteile der Katalysatorvorbereitung mit Ultraschall für Fischer-Tropsch-Verfahren

Die Beschallung bietet erhebliche Vorteile bei der Synthese von Fischer-Tropsch-Katalysatoren, vor allem aufgrund ihrer Fähigkeit, die Morphologie des Katalysators und die Verteilung der aktiven Stellen genau zu steuern. Die durch Ultraschallwellen erzeugte energiereiche Kavitation sorgt für eine schnelle Durchmischung und eine wirksame Desagglomeration der Ausgangsmaterialien, was zu einer sehr gleichmäßigen Partikelgrößenverteilung und einer größeren Oberfläche führt. Diese verbesserte Homogenität führt zu einer besseren Dispersion der aktiven Komponenten, was für die Maximierung der Anzahl der zugänglichen Reaktionsstellen entscheidend ist. Darüber hinaus führt die kontrollierte Mischkinetik häufig zur Bildung äußerst stabiler und poröser Strukturen, wodurch sich die katalytische Leistung, die Selektivität und die Langzeitstabilität des Katalysators unter rauen Reaktionsbedingungen verbessern.

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.
 

Synthese von Palladium-dotiertem Katalysator unter Verwendung des Sonicators UIP1000hdT
Studie und Bild: ©Prekob et al., 2020

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 hoher Beladung mit 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 passivierter 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 Passivierungsschichten, Verschmutzungen und Verunreinigungen von den Katalysatorpartikeln entfernt, die die katalytischen Reaktionsstellen blockieren. Die Beschallung einer verbrauchten Katalysatoraufschlämmung führt zu einer Strahlreinigung der Katalysatorpartikeloberfläche, wodurch Ablagerungen von der katalytisch aktiven Stelle entfernt werden. Nach der Beschallung ist die Katalysatoraktivität wieder so gut 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. Daher führt die Katalysatorrückgewinnung mit Ultraschall 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.
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Hochleistungssonicatoren für die sonochemische Synthese von Fischer-Tropsch-Katalysatoren

Hielscher-Sonicatoren sind in der Katalysatorsynthese aufgrund ihrer robusten Bauweise, Präzision und Skalierbarkeit sehr beliebt und bieten erhebliche Vorteile gegenüber allgemeinen Beschallungsanlagen. Diese Geräte liefern präzise steuerbare Ultraschallenergie mit hoher Intensität, die für eine gleichmäßige Dispersion von Vorläufermaterialien und die präzise Keimbildung und das Wachstum von Katalysatorpartikeln entscheidend ist. Die ausgeklügelten Steuersysteme ermöglichen es den Forschern, Parameter wie Leistungsabgabe und Pulsdauer genau zu regulieren, um reproduzierbare Versuchsergebnisse zu gewährleisten - ein wichtiger Faktor in der Materialwissenschaft. Darüber hinaus sind Hielscher-Sonicatoren für ihre Langlebigkeit und ihre Fähigkeit bekannt, verschiedene Maßstäbe zu handhaben, von kleinen Laborchargen bis hin zu Pilotanlagen, und ermöglichen so den effizienten Übergang vielversprechender Katalysatorformulierungen von der Forschung im Labormaßstab zur industriellen Anwendung. Deutsche Konstruktions- und Fertigungsstandards stellen sicher, dass Hielscher-Ultraschallgeräte zuverlässig im 24/7-Betrieb unter hoher Belastung betrieben werden können.

Die nachstehende Tabelle gibt Ihnen einen Hinweis auf die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Sonicators:

Literatur / Literaturhinweise