Ultraschall-Intensivierte Festbett-Reaktoren

Wissenswertes

Ultraschallkavitation und Sonochemie

Die Einkopplung von Leistungsultraschall in Flüssigkeiten und Aufschlämmungen führt zu Akustische Kavitation. Akustische Kavitation bezeichnet das Phänomen der schnellen Bildung, des Wachstums und des implosiven Zusammenbruchs von dampfgefüllten Hohlräumen. Dies erzeugt sehr kurzlebige "Hot Spots" mit extremen Temperaturspitzen von bis zu 5000 K, sehr hohen Aufheiz-/Abkühlraten von über 10⁹Ks^-1und Drücke von 1000atm mit entsprechenden Differentialen – alle innerhalb einer Nanosekunde Lebensdauer.
Das Forschungsgebiet der Sonochemie untersucht die Wirkung von Ultraschall bei der Bildung akustischer Kavitation in Flüssigkeiten, die die chemische Aktivität in einer Lösung auslöst 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 Zusammenhang mit der heterogenen Chemie wird der Begriff Phase nicht nur zur Unterscheidung zwischen fest, flüssig und gasförmig verwendet, sondern er bezieht sich auch auf nicht mischbare Flüssigkeiten, z. B. Öl und Wasser.
Bei einer heterogenen Reaktion findet an einer Grenzfläche, z. B. an der Oberfläche eines festen Katalysators, eine chemische Veränderung eines oder mehrerer Reaktanten statt.
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration der Reaktanten, der Partikelgröße, der Temperatur, dem Katalysator und weiteren Faktoren.
Konzentration des Reaktanten: Im Allgemeinen erhöht eine Erhöhung der Konzentration eines Reaktanten die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der größeren Grenzfläche und des damit verbundenen größeren Phasentransfers zwischen den Reaktantenteilchen.
Partikelgröße: Handelt es sich bei einem der Reaktanten um ein festes Teilchen, so kann dieses nicht in der Geschwindigkeitsgleichung angezeigt werden, da die Geschwindigkeitsgleichung nur Konzentrationen angibt und Feststoffe keine Konzentration haben können, da sie sich in einer anderen Phase befinden. Die Partikelgröße des Feststoffs beeinflusst jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der für den Phasentransfer verfügbaren Oberfläche.
Reaktionstemperatur: Die Temperatur hängt mit der Geschwindigkeitskonstante über die Arrhenius-Gleichung zusammen: k = Ae^-Ea/RT
Ea ist die Aktivierungsenergie, R ist die universelle Gaskonstante und T ist die absolute Temperatur in Kelvin. A ist der Arrhenius-(Frequenz-)Faktor. e^-Ea/RT gibt die Anzahl der Teilchen unter der Kurve an, deren Energie größer als die Aktivierungsenergie Ea ist.
Katalysator: In den meisten Fällen laufen die Reaktionen mit einem Katalysator schneller ab, da 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.
Andere 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 in Form einer Lewis-Base (als Elektronenpaardonator) selektiv eine Bindung mit einem organischen Komplex eingeht oder die positive oder teilweise positive (+ve) Ladung eines Atoms oder einer Gruppe von Atomen angreift, um eine abgehende Gruppe zu ersetzen. Das positive oder teilweise positive Atom, das als Elektronenpaar-Akzeptor fungiert, wird als elektrophil bezeichnet. Die gesamte molekulare Einheit aus dem Elektrophil und der Abgangsgruppe wird in der Regel als Substrat bezeichnet.
Die nucleophile Substitution kann auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen – die S_n1 und S_n2-Reaktion. Welche Form des Reaktionsmechanismus – s_n1 oder S_n2 – stattfindet, hängt von der Struktur der chemischen Verbindungen, der Art des Nukleophils und dem Lösungsmittel ab.

Arten der Katalysatordeaktivierung

• Katalysatorvergiftung ist der Begriff für die starke Chemisorption von Spezies an katalytischen Stellen, die die Stellen für die katalytische Reaktion blockieren. Vergiftungen können reversibel oder irreversibel sein.
• Unter Fouling versteht man einen mechanischen Abbau des Katalysators, bei dem sich Spezies aus der flüssigen Phase auf der Katalysatoroberfläche und in den Katalysatorporen ablagern.
• Thermische Degradation und Sinterung führen zum Verlust der katalytischen Oberfläche, der Trägerfläche und der aktiven Phase-Träger-Reaktionen.
• Unter Dampfbildung versteht man eine chemische Abbauproduktion, bei der die Gasphase mit der Katalysatorphase reagiert und flüchtige Verbindungen erzeugt.
• Dampf-Feststoff- und Feststoff-Feststoff-Reaktionen führen zu einer chemischen Deaktivierung des Katalysators. Dampf, Träger oder Promotor reagieren mit dem Katalysator, so dass eine inaktive Phase entsteht.
• Die Attrition oder Zerkleinerung der Katalysatorteilchen führt zu einem Verlust von Katalysatormaterial durch mechanischen Abrieb. Die innere Oberfläche des Katalysators geht durch die mechanisch bedingte Zerkleinerung der Katalysatorteilchen verloren.