Υπερήχους επηρεάζει την αντιδραστικότητα του καταλύτη κατά τη διάρκεια της κατάλυσης με ενισχυμένη μαζική μεταφορά και εισαγωγή ενέργειας. Σε ετερογενή κατάλυση, όπου ο καταλύτης είναι σε μία διαφορετική φάση στα αντιδρώντα, διασπορά υπερήχων αυξάνει το εμβαδόν επιφανείας που είναι διαθέσιμο στα αντιδραστήρια.

Ιστορικό σονοκατάλυσης

Κατάλυση είναι διαδικασία κατά την οποία το ποσοστό της α χημική αντίδραση αυξάνεται (Ή μειωμένη) με τη βοήθεια ενός καταλύτη. Η παραγωγή πολλών χημικών ουσιών περιλαμβάνει κατάλυση. Η επίδραση επί του ρυθμού αντίδρασης εξαρτάται από τη συχνότητα επαφής των αντιδρώντων στο στάδιο προσδιορισμού του ρυθμού. Σε γενικές γραμμές, οι καταλύτες αυξάνουν την ταχύτητα της αντίδρασης και μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης με την παροχή μιας εναλλακτικής οδού της αντίδρασης στο προϊόν αντίδρασης. Για το σκοπό αυτό οι καταλύτες αντιδρούν με ένα ή περισσότερα αντιδραστήρια για να σχηματίσει ενδιάμεσα τα οποία στη συνέχεια να δώσει το τελικό προϊόν. Το τελευταίο βήμα αναγεννά τον καταλύτη. Με μειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης, Περισσότερες μοριακές συγκρούσεις έχουν την ενέργεια που απαιτείται για να φτάσει τη μεταβατική κατάσταση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι καταλύτες χρησιμοποιούνται αλλαγή της επιλεκτικότητας μιας χημικής αντίδρασης.

ο διάγραμμα προς τα δεξιά απεικονίζει την επίδραση ενός καταλύτη σε μία χημική αντίδραση X + Y για να παράγει Ζ Ο καταλύτης παρέχει μια εναλλακτική οδό (πράσινο) με χαμηλότερη ενεργοποίηση Ενέργειας Εα.

Επιπτώσεις της Υπερήχους

Το ακουστικό μήκος κύματος σε υγρά κυμαίνεται από περίπου 110 έως 0,15 mm για συχνότητες μεταξύ 18kHz και 10MHz. Αυτό είναι σημαντικά πάνω από τις μοριακές διαστάσεις. Για το λόγο αυτό, δεν υπάρχει άμεση σύζευξη του ακουστικού πεδίου με μόρια χημικού είδους. Οι επιδράσεις της υπερήχων είναι σε μεγάλο βαθμό αποτέλεσμα της υπερηχητική σπηλαίωση σε υγρά. Ως εκ τούτου, υπερηχητικά επικουρείται κατάλυση απαιτεί τουλάχιστον ένα αντιδραστήριο για να είναι σε υγρή φάση. Υπερήχους συμβάλλει στην ετερογενή και ομογενή κατάλυση με πολλούς τρόπους. Μεμονωμένα αποτελέσματα μπορεί να προωθηθεί ή να μειωθεί προσαρμογή του υπερηχητικού εύρους και πίεση του υγρού.

Υπερήχων διασποράς και ανακατέματος

Οι χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αντιδραστήρια και καταλύτη περισσότερων από μία φάσεων (ετερογενής κατάλυση) περιορίζονται στο όριο φάσης, καθώς αυτό είναι το μόνο μέρος, όπου υπάρχει το αντιδραστήριο καθώς και ο καταλύτης. Η έκθεση των αντιδραστηρίων και του καταλύτη μεταξύ τους βασικό παράγοντα για πολλές χημικές αντιδράσεις πολλών φάσεων. Για το λόγο αυτό, η ειδική επιφάνεια του όριο φάσης γίνεται επιρροή για τη χημική ρυθμό της αντίδρασης.

Υπερήχους είναι ένα πολύ αποτελεσματικό μέσο για την διασπορά στερεών και για το γαλακτωματοποίηση των υγρών. Μειώνοντας το μέγεθος σωματιδίων/σταγονιδίων, η συνολική επιφάνεια του ορίου φάσης αυξάνεται ταυτόχρονα. Το γραφικό στα αριστερά δείχνει τη συσχέτιση μεταξύ του μεγέθους των σωματιδίων και της επιφάνειας σε περίπτωση σφαιρικών σωματιδίων ή σταγονιδίων (Κάντε κλικ για μεγέθυνση!). Καθώς η επιφάνεια του ορίου φάσης αυξάνεται, το ίδιο κάνει και ο ρυθμός χημικής αντίδρασης. Για πολλά υλικά υπερήχων σπηλαίωση μπορεί να κάνει σωματίδια και σταγονίδια πολύ λεπτό μέγεθος – συχνά σημαντικά κάτω από 100 νανόμετρα. Εάν η διασπορά ή το γαλάκτωμα γίνεται τουλάχιστον προσωρινά σταθερή, η εφαρμογή του υπέρηχοι μπορεί να απαιτείται μόνο σε μία αρχική φάση της χημικής αντίδρασης. Μια inline υπερήχων αντιδραστήρα για την αρχική ανάμιξη των αντιδραστηρίων και του καταλύτη μπορεί να δημιουργήσει λεπτών σωματιδίων μεγέθους / σταγονιδίων σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και σε υψηλούς ρυθμούς ροής. Μπορεί να εφαρμοστεί ακόμη και σε μέσα με μεγάλο ιξώδες.

Μαζική μεταφορά

Όταν τα αντιδραστήρια αντιδρούν σε ένα όριο φάσης, τα προϊόντα της χημικής αντίδρασης συσσωρεύονται στην επιφάνεια επαφής. Αυτό εμποδίζει άλλα μόρια αντιδραστηρίου από την αλληλεπίδραση σε αυτό το όριο φάσης. Μηχανικές δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από ρεύματα αεριωθούμενων σπηλαίωσης και ακουστική ροή έχουν ως αποτέλεσμα την ταραχώδη ροή και τη μεταφορά υλικών από και προς τις επιφάνειες σωματιδίων ή σταγονιδίων. Στην περίπτωση των σταγονιδίων, η υψηλή διάτμηση μπορεί να οδηγήσει στη συνένωση και τον επακόλουθο σχηματισμό νέων σταγονιδίων. Καθώς η χημική αντίδραση εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να απαιτηθεί επαναλαμβανόμενη υπερήχηση, π.χ. μεγιστοποιήσει την έκθεση των αντιδραστηρίων.

Ενέργεια εισόδου

Υπερήχων σπηλαίωσης είναι ένας μοναδικός τρόπος για να θέσει ενέργεια σε χημικές αντιδράσεις. Ένας συνδυασμός υγρού υψηλής ταχύτητας πίδακες, υψηλή πίεση (>1000atm) και υψηλές θερμοκρασίες (>5000K), τεράστια ποσοστά θέρμανσης και ψύξης (>10⁹ks^-1) Συμβαίνουν τοπικά συμπυκνώθηκε κατά τη διάρκεια της implosive συμπίεση του cavitational φυσαλίδων. Κένεθ Σούλικ Λέει: “Η δημιουργία κοιλότητας είναι μια εξαιρετική μέθοδος συγκέντρωσης της διάχυτης ενέργειας του ήχου σε μια χημικά χρησιμοποιήσιμη μορφή.”

Αύξηση αντιδραστικότητα

Cavitational διάβρωση στις επιφάνειες των σωματιδίων δημιουργεί unpassivated, ιδιαίτερα αντιδραστικά επιφάνειες. Βραχύβια υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις να συμβάλει στην μοριακή αποσύνθεση και να αυξήσει την αντιδραστικότητα πολλών χημικών ειδών. Ακτινοβολία υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή των καταλυτών, π.χ. να παραχθούν συσσωματώματα των λεπτών σωματιδίων μεγέθους. Αυτό παράγει άμορφη καταλύτες σωματίδια υψηλού ειδικού επιφάνειας περιοχή. Λόγω αυτής της δομής συσσωματώματος, τέτοιοι καταλύτες μπορεί να διαχωρισθεί από τα προϊόντα της αντίδρασης (δηλ με διήθηση).

Υπερήχων καθαρισμού

Συχνά η κατάλυση περιλαμβάνει ανεπιθύμητα υποπροϊόντα, μολύνσεις ή ακαθαρσίες στα αντιδραστήρια. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υποβάθμιση και ρύπανση στην επιφάνεια των στερεών καταλυτών. Η ρύπανση μειώνει την εκτεθειμένη επιφάνεια καταλύτη και επομένως μειώνει την αποδοτικότητά της. Δεν χρειάζεται να αφαιρεθεί ούτε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ούτε σε διαστήματα ανακύκλωσης χρησιμοποιώντας άλλες χημικές ουσίες διεργασίας. Ultrasonication είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για να καθαρό καταλύτες ή να βοηθήσει τη διαδικασία ανακύκλωσης καταλύτη. Υπερήχων καθαρισμού είναι ίσως η πιο κοινή και γνωστή εφαρμογή των υπερήχων. Η πρόσκρουση των cavitational υγρού πιδάκων και κρουστικά κύματα μέχρι 10⁴atm μπορεί να δημιουργήσει εντοπισμένες δυνάμεις διατμήσεως, διάβρωση και επιφάνεια σκασίματα. Για σωματίδια λεπτό μέγεθος, συγκρούσεις υψηλής ταχύτητας μεταξύ των σωματιδίων να οδηγήσει σε διάβρωση της επιφανείας και ακόμα άλεση και άλεση. Αυτές οι συγκρούσεις μπορούν να προκαλέσουν τοπικές παροδικές θερμοκρασίες επιπτώσεις της περ. 3000K. Suslick αποδεικνύεται, ότι η υπερηχητική αποτελεσματικά αφαιρεί επικαλύψεις οξειδίου επιφάνεια. Η αφαίρεση τέτοιων επικαλύψεων παθητικοποίησης βελτιώνει δραματικά ρυθμούς αντίδρασης για μια ευρεία ποικιλία αντιδράσεων (Σούσλικ 2008). Η εφαρμογή των υπερήχων βοηθά στη μείωση του προβλήματος ρυπάνσεως ενός στερεού διασκορπισμένων καταλύτη κατά τη διάρκεια της κατάλυσης και συμβάλλει στον καθαρισμό κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανακύκλωσης καταλύτη.

Παραδείγματα Υπερήχων Κατάλυσης

Υπάρχουν πολυάριθμα παραδείγματα για ultrasonically επικουρείται κατάλυση και για την υπερηχητική παρασκευή ετερογενών καταλυτών. Σας προτείνουμε το Ηχοανάλυση άρθρο του Kenneth Suslick για μια περιεκτική εισαγωγή. Hielscher προμήθειες υπερήχων αντιδραστήρες για την παρασκευή καταλυτών ή κατάλυσης, Όπως καταλυτική μετεστεροποίηση για την παραγωγή μεθυλεστέρων (δηλ λιπαρού μεθυλεστέρας = βιοντίζελ).

Υπερηχογραφικός εξοπλισμός για Sonocatalysis

Hielscher κατασκευάζει συσκευές υπερήχων για τη χρήση σε οποιαδήποτε κλίμακα και για ένα ποικιλία διεργασιών. Αυτό περιλαμβάνει εργαστήριο επεξεργασίας με υπερήχους σε μικρά φιαλίδια, καθώς και βιομηχανική αντιδραστήρες και τα κύτταρα ροής. Για την αρχική δοκιμή διεργασία στο εργαστήριο κλίμακα η UP400S (400 Watt) είναι πολύ κατάλληλο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαδικασίες κατά παρτίδες όσο και για inline υπερήχων. Για τον έλεγχο της διαδικασίας και τη βελτιστοποίηση πριν κλιμάκωση, σας συνιστούμε να χρησιμοποιείτε το UIP1000hd (1000 watt), Καθώς αυτές οι μονάδες είναι πολύ ευπροσάρμοστο και οδηγεί con να κλιμακωθεί γραμμικά σε οποιαδήποτε μεγαλύτερη χωρητικότητα. Για την παραγωγή πλήρους κλίμακας προσφέρουμε συσκευές υπερήχων έως 10kW και 16kW υπερήχων δύναμη. Συστάδες αρκετές τέτοιες μονάδες παρέχουν πολύ υψηλές χωρητικότητες επεξεργασίας.

Θα χαρούμε για τη στήριξη του ελέγχου των διαδικασιών σας, βελτιστοποίηση και κλιμάκωση. Μίλησέ μας περίπου κατάλληλο εξοπλισμό ή επισκεφθείτε την εργαστηριακή διαδικασία μας.

Βιβλία για το Sonocatalysis και με υπερήχους Υποβοηθούμενη Κατάλυσης

Suslick, KS; Didenko, Υ .; Fang, ΜΜ. Hyeon, Τ .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III. Mdleleni, ΜΜ; Wong, Μ. (1999): Η ακουστική σπηλαίωση και οι χημικές συνέπειές της, στο: Phil. Trans. Ρόι. Soc. Α, 1999, 357, 335-353.

Suslick, Κ S.? Skrabalak, S. Ε (2008): “Ηχοανάλυση” Στο Handbook της ετερογενούς κατάλυσης, νοί. 4? Ertl, G .; Knzinger, Η .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, σελ 2006-2017..