Ultraschall-Intensivierte Festbett-Reaktoren

Wissenswertes

Ultraschallkavitation und Sonochemie

Die Kopplung von Leistungsultraschall in Flüssigkeiten und Schlämme führt zu Akustische Kavitation. Akustische Kavitation bezieht sich auf das Phänomen der schnellen Bildung, des Wachstums und des implosiven Zusammenbruchs von dampfgefüllten Hohlräumen. Dadurch entstehen sehr kurzlebige "Hot Spots" mit extremen Temperaturspitzen von bis zu 5000K, sehr hohen Heiz-/Kühlraten von über 10⁹Ks^-1und Drücke von 1000 atm mit entsprechenden Differenzen – Und das alles innerhalb einer Lebensdauer von Nanosekunden.
Das Forschungsfeld Sonochemie Untersucht die Wirkung von Ultraschall bei der Bildung von akustischer Kavitation in Flüssigkeiten, die die chemische Aktivität in einer Lösung initiiert und/oder verstärkt.

Heterogene katalytische Reaktionen

In der Chemie bezieht sich die heterogene Katalyse auf die Art der katalytischen Reaktion, bei der sich die Phasen des Katalysators und der Reaktanten voneinander unterscheiden. Im Kontext der heterogenen Chemie wird Phase nicht nur zur Unterscheidung zwischen fest, flüssig und gasförmig verwendet, sondern bezieht sich auch auf nicht mischbare Flüssigkeiten, z.B. Öl und Wasser.
Während einer heterogenen Reaktion erfahren ein oder mehrere Reaktanten eine chemische Veränderung an einer Grenzfläche, z.B. auf der Oberfläche eines festen Katalysators.
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration der Reaktanten, der Partikelgröße, der Temperatur, dem Katalysator und weiteren Faktoren.
Konzentration der Reaktanten: Im Allgemeinen erhöht eine Erhöhung der Konzentration eines Reaktanten die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der größeren Grenzfläche und damit eines größeren Phasentransfers zwischen den Reaktantenpartikeln.
Teilchengröße: Wenn einer der Reaktanten ein Feststoffpartikel ist, kann er nicht in der Geschwindigkeitsgleichung angezeigt werden, da die Geschwindigkeitsgleichung nur Konzentrationen anzeigt und Feststoffe keine Konzentration haben können, da sie sich in einer anderen Phase befinden. Die Partikelgröße des Feststoffs beeinflusst jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der verfügbaren Oberfläche für den Phasentransfer.
Reaktionstemperatur: Die Temperatur bezieht sich über die Arrhenius-Gleichung auf die Geschwindigkeitskonstante: k = Ae^-EA/RT
Dabei ist Ea die Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante und T die absolute Temperatur in Kelvin. A ist der Arrhenius-Faktor (Frequenz). e^-EA/RT gibt die Anzahl der Teilchen unter der Kurve an, deren Energie größer ist als die Aktivierungsenergie, Ea.
Katalysator: In den meisten Fällen laufen Reaktionen mit einem Katalysator schneller ab, weil sie weniger Aktivierungsenergie benötigen. Heterogene Katalysatoren bieten eine Matrizenoberfläche, an der die Reaktion stattfindet, während homogene Katalysatoren Zwischenprodukte bilden, die den Katalysator in einem nachfolgenden Schritt des Mechanismus freisetzen.
Weitere Faktoren: Andere Faktoren wie Licht können bestimmte Reaktionen beeinflussen (Photochemie).

Nukleophile Substitution

Die nukleophile Substitution ist eine grundlegende Klasse von Reaktionen in der organischen (und anorganischen) Chemie, bei der ein Nukleophil selektiv in Form einer Lewis-Base (als Elektronenpaardonator) mit einem organischen Komplex bindet oder die positive oder teilweise positive (+ve)Ladung eines Atoms oder einer Gruppe von Atomen angreift, um eine verlassende Gruppe zu ersetzen. Das positive oder teilweise positive Atom, das der Elektronenpaarakzeptor ist, wird als Elektrophil bezeichnet. Die gesamte molekulare Einheit aus dem Elektrophil und der Abgangsgruppe wird üblicherweise als Substrat bezeichnet.
Die nukleophile Substitution kann auf zwei verschiedenen Wegen beobachtet werden – das S_n1 und S_n2 Reaktion. Welche Form des Reaktionsmechanismus – s_n1 oder S_n2 – stattfindet, ist abhängig von der Struktur der chemischen Verbindungen, der Art des Nukleophils und dem Lösungsmittel.

Arten der Katalysatordeaktivierung

• Katalysatorvergiftung ist die Bezeichnung für die starke Chemisorption von Spezies an katalytischen Stellen, die Stellen für katalytische Reaktionen blockieren. Vergiftungen können reversibel oder irreversibel sein.
• Fouling bezieht sich auf eine mechanische Degradation des Katalysators, bei der sich Spezies aus der flüssigen Phase auf der katalytischen Oberfläche und in den Poren des Katalysators ablagern.
• Thermische Degradation und Sintern führen zum Verlust der katalytischen Oberfläche, der Stützfläche und der aktiven Phasenunterstützungsreaktionen.
• Unter Dampfbildung versteht man eine chemische Abbauform, bei der die Gasphase mit der Katalysatorphase unter Bildung flüchtiger Verbindungen reagiert.
• Dampf-Feststoff- und Fest-Feststoff-Reaktionen führen zur chemischen Deaktivierung des Katalysators. Dampf, Träger oder Promotor reagiert mit dem Katalysator, so dass eine inaktive Phase entsteht.
• Der Abrieb oder die Zerkleinerung der Katalysatorpartikel führt zum Verlust von katalytischem Material durch mechanischen Abrieb. Die innere Oberfläche des Katalysators geht durch mechanisch induzierte Zerkleinerung des Katalysatorpartikels verloren.