sonocatalysis – Υπερήχων υποβοηθούμενη κατάλυση

Υπερήχους επηρεάζει την αντιδραστικότητα του καταλύτη κατά τη διάρκεια της κατάλυσης με ενισχυμένη μεταφορά μάζας και εισροή ενέργειας. Σε ετερογενή κατάλυση, όπου ο καταλύτης βρίσκεται σε διαφορετική φάση από τα αντιδρώντα, η υπερηχητική διασπορά αυξάνει την επιφάνεια που διατίθεται στα αντιδρώντα.

Ιστορικό της Sonocatalysis

Η κατάλυση είναι διαδικασία κατά την οποία ο ρυθμός ενός Η χημική αντίδραση αυξάνεται (ή μειωμένη) μέσω καταλύτη. Η παραγωγή πολλών χημικών ουσιών περιλαμβάνει κατάλυση. Η επίδραση στον ρυθμό αντίδρασης εξαρτάται από τη συχνότητα επαφής των αντιδρώντων στο στάδιο προσδιορισμού του ρυθμού. Γενικά, οι καταλύτες αυξάνουν τον ρυθμό αντίδρασης και μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης παρέχοντας μια εναλλακτική οδό αντίδρασης στο προϊόν αντίδρασης. Για το σκοπό αυτό, οι καταλύτες αντιδρούν με ένα ή περισσότερα αντιδρώντα για να σχηματίσουν ενδιάμεσα προϊόντα που στη συνέχεια δίνουν το τελικό προϊόν. Το τελευταίο βήμα αναγεννά τον καταλύτη. Διά μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης, περισσότερες μοριακές συγκρούσεις έχουν την ενέργεια που απαιτείται για να φτάσουν στην κατάσταση μετάβασης. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι καταλύτες που χρησιμοποιούνται αλλάζουν την εκλεκτικότητα μιας χημικής αντίδρασης.

Ο διάγραμμα στα δεξιά απεικονίζεται η επίδραση ενός καταλύτη σε μια χημική αντίδραση X+Y για την παραγωγή Z. Ο καταλύτης παρέχει μια εναλλακτική οδό (πράσινο) με χαμηλότερη ενεργοποίηση Energy Ea.

Επιδράσεις της υπερήχων

Το ακουστικό μήκος κύματος στα 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 ενός χημικού είδους. Τα αποτελέσματα της υπερήχων είναι σε μεγάλο βαθμό αποτέλεσμα της υπερήχων σπηλαίωση σε υγρά. Ως εκ τούτου, υπερήχων υποβοηθούμενη κατάλυση απαιτεί τουλάχιστον ένα αντιδραστήριο να είναι σε υγρή φάση. Υπερήχους συμβάλλει στην ετερογενή και ομοιογενή κατάλυση με πολλούς τρόπους. Μεμονωμένες επιδράσεις μπορούν να προωθηθούν ή να μειωθούν προσαρμόζοντας το πλάτος υπερήχων και την πίεση υγρού.

Υπερήχων διασπορά και γαλακτωματοποίηση

Οι χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αντιδραστήρια και καταλύτη άνω της μιας φάσης (ετερογενής κατάλυση) περιορίζονται στο όριο φάσης, καθώς αυτό είναι το μόνο μέρος όπου υπάρχουν το αντιδραστήριο καθώς και ο καταλύτης. Η έκθεση των αντιδραστηρίων και του καταλύτη μεταξύ τους είναι Βασικός παράγοντας για πολλές πολυφασικές χημικές αντιδράσεις. Για το λόγο αυτό, η συγκεκριμένη επιφάνεια του ορίου φάσης επηρεάζει τον χημικό ρυθμό αντίδρασης.

Υπερήχους είναι ένα πολύ αποτελεσματικό μέσο για την διασπορά στερεών και για το γαλακτωματοποίηση 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 στην περίπτωση σφαιρικών σωματιδίων ή σταγονιδίων (Κάντε κλικ για μεγέθυνση!). Καθώς αυξάνεται η οριακή επιφάνεια φάσης, αυξάνεται και ο ρυθμός χημικής αντίδρασης. Για πολλά υλικά, η υπερηχητική σπηλαίωση μπορεί να κάνει σωματίδια και σταγονίδια πολύ λεπτό μέγεθος – συχνά σημαντικά κάτω από 100 νανόμετρα. Εάν η διασπορά ή το γαλάκτωμα καταστεί τουλάχιστον προσωρινά σταθερό, η εφαρμογή Υπερήχων μπορεί να απαιτείται μόνο σε μια αρχική φάση της χημικής αντίδρασης. Ένας ενσωματωμένος υπερηχητικός αντιδραστήρας για την αρχική ανάμειξη των αντιδραστηρίων και του καταλύτη μπορεί να δημιουργήσει σωματίδια λεπτού μεγέθους / σταγονίδια σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και σε υψηλούς ρυθμούς ροής. Μπορεί να εφαρμοστεί ακόμη και σε πολύ ιξώδη μέσα.

Μαζική μεταφορά

Όταν τα αντιδραστήρια αντιδρούν σε ένα όριο φάσης, τα προϊόντα της χημικής αντίδρασης συσσωρεύονται στην επιφάνεια επαφής. Αυτό εμποδίζει άλλα μόρια αντιδραστηρίων να αλληλεπιδρούν σε αυτό το όριο φάσης. Οι μηχανικές δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από ρεύματα πίδακα σπηλαίωσης και ακουστική ροή έχουν ως αποτέλεσμα τυρβώδη ροή και μεταφορά υλικών από και προς επιφάνειες σωματιδίων ή σταγονιδίων. Στην περίπτωση των σταγονιδίων, η υψηλή διάτμηση μπορεί να οδηγήσει στη συσσωμάτωση και τον επακόλουθο σχηματισμό νέων σταγονιδίων. Καθώς η χημική αντίδραση εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να απαιτηθεί επαναλαμβανόμενη υπερήχηση με υπερήχους, π.χ. δύο σταδίων ή επανακυκλοφορίας μεγιστοποίηση της έκθεσης των αντιδραστηρίων.

Εισροή ενέργειας

Υπερήχων σπηλαίωση είναι ένας μοναδικός τρόπος για να βάλτε ενέργεια σε χημικές αντιδράσεις. Συνδυασμός πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας, υψηλής πίεσης (>1000atm) και υψηλές θερμοκρασίες (>5000K), τεράστιοι ρυθμοί θέρμανσης και ψύξης (>10⁹Κς^-1) εμφανίζονται τοπικά συγκεντρωμένα κατά τη διάρκεια της εκρηκτικής συμπίεσης των φυσαλίδων σπηλαίωσης. Κένεθ Σούσλικ Λέει: “Η σπηλαίωση είναι μια εξαιρετική μέθοδος συγκέντρωσης της διάχυτης ενέργειας του ήχου σε μια χημικά χρησιμοποιήσιμη μορφή.”

Αύξηση της αντιδραστικότητας

Σπηλατική διάβρωση σε επιφάνειες σωματιδίων Δημιουργεί απαθείς, εξαιρετικά αντιδραστικές επιφάνειες. Οι βραχύβιες υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις συμβάλλουν μοριακή αποσύνθεση και αύξηση της αντιδραστικότητας πολλών χημικών ειδών. Η υπερηχητική ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή καταλυτών, π.χ. για την παραγωγή συσσωματωμάτων σωματιδίων λεπτού μεγέθους. Αυτό παράγει άμορφους καταλύτες σωματίδια υψηλής ειδικής επιφάνειας περιοχή. Λόγω αυτής της συνολικής δομής, τέτοιοι καταλύτες μπορούν να διαχωριστούν από τα προϊόντα αντίδρασης (δηλ. με διήθηση).

Καθαρισμός με υπερήχους

Συχνά η κατάλυση περιλαμβάνει ανεπιθύμητα υποπροϊόντα, μολύνσεις ή ακαθαρσίες στα αντιδραστήρια. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αποδόμηση και ρύπανση στην επιφάνεια των στερεών καταλυτών. Η ρύπανση μειώνει την εκτεθειμένη επιφάνεια του καταλύτη και συνεπώς μειώνει την αποτελεσματικότητά του. Δεν χρειάζεται να αφαιρείται ούτε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ούτε σε διαστήματα ανακύκλωσης με τη χρήση άλλων χημικών ουσιών διεργασιών. Υπερήχους είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για να καθαρίστε τους καταλύτες ή βοηθήστε τη διαδικασία ανακύκλωσης καταλύτη. Υπερήχων καθαρισμού είναι ίσως η πιο κοινή και γνωστή εφαρμογή των υπερήχων. Η πρόσκρουση των πίδακες υγρού σπηλαίωσης και των κρουστικών κυμάτων μέχρι 10⁴Το ATM μπορεί να δημιουργήσει τοπικές δυνάμεις διάτμησης, διάβρωση και σκασίματα επιφάνειας. Για σωματίδια λεπτού μεγέθους, οι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων υψηλής ταχύτητας οδηγούν σε επιφανειακή διάβρωση και ακόμη και λείανση και άλεση. Αυτές οι συγκρούσεις μπορούν να προκαλέσουν τοπικές παροδικές θερμοκρασίες πρόσκρουσης περίπου 3000K. Suslick απέδειξε, ότι υπερήχους αποτελεσματικά αφαιρεί τις επικαλύψεις οξειδίων της επιφάνειας. Η αφαίρεση τέτοιων παθητικοποιημένων επικαλύψεων βελτιώνει δραματικά τους ρυθμούς αντίδρασης για μια ευρεία ποικιλία αντιδράσεων (Suslick 2008). Η εφαρμογή των υπερήχων βοηθά στη μείωση του προβλήματος ρύπανσης ενός στερεού διασκορπισμένου καταλύτη κατά τη διάρκεια της κατάλυσης και συμβάλλει στον καθαρισμό κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανακύκλωσης καταλύτη.

Παραδείγματα υπερήχων κατάλυσης

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα για υπερήχων υποβοηθούμενη κατάλυση και για την υπερηχητική παρασκευή ετερογενών καταλυτών. Συνιστούμε το sonocatalysis άρθρο του Kenneth Suslick για μια περιεκτική εισαγωγή. Hielscher προμήθειες υπερήχων αντιδραστήρες για την παρασκευή καταλυτών ή κατάλυση, όπως το καταλυτική μετεστεροποίηση για την παραγωγή μεθυλεστέρων (δηλαδή λιπαρός μεθυλεστέρας = βιοντίζελ).

Υπερηχητικός εξοπλισμός για Sonocatalysis

Hielscher κατασκευάζει συσκευές υπερήχων για τη χρήση σε οποιαδήποτε κλίμακα και φόρουμ Ποικιλία διαδικασιών. Αυτό περιλαμβάνει εργαστηριακή υπερήχηση σε μικρά φιαλίδια καθώς και βιομηχανικοί αντιδραστήρες και κυψέλες ροής. Για την αρχική δοκιμή διεργασίας σε εργαστηριακή κλίμακα το UP400S (400 watt) είναι πολύ κατάλληλο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαδικασίες παρτίδας καθώς και για ενσωματωμένη υπερήχηση. Για δοκιμή και βελτιστοποίηση διεργασιών πριν από την κλιμάκωση, συνιστούμε τη χρήση του UIP1000hd (1000 watt), καθώς αυτές οι μονάδες είναι πολύ προσαρμόσιμες και τα αποτελέσματα κλιμακώνονται γραμμικά σε οποιαδήποτε μεγαλύτερη χωρητικότητα. Για παραγωγή πλήρους κλίμακας προσφέρουμε συσκευές υπερήχων έως και 10kW και 16kW υπερηχητική ισχύ. Συστάδες πολλών τέτοιων μονάδων παρέχουν πολύ υψηλές δυνατότητες επεξεργασίας.

Θα χαρούμε να υποστηρίξουμε τη δοκιμή, τη βελτιστοποίηση και την κλιμάκωση της διαδικασίας σας. Μιλήστε μας σχετικά με τον κατάλληλο εξοπλισμό ή Επισκεφθείτε το εργαστήριο επεξεργασίας μας.

Βιβλιογραφία σχετικά με Sonocatalysis και υπερήχων υποβοηθούμενη κατάλυση

Suslick, Κ. Σ.; Didenko, Γ.; Fang, Μ. Μ.; Hyeon, Τ.; Kolbeck, Κ. J.; McNamara, W. Β. III; Mdleleni, Μ. Μ.; Wong, Μ. (1999): Acoustic Cavitation and its Chemical Consequences, στο: Phil. Trans. Roy. Σωκ. Α, 1999, 357, 335-353.

Suslick, Κ. Σ.; Skrabalak, Σ. Ε. (2008): “sonocatalysis” Στο Εγχειρίδιο Ετερογενούς Κατάλυσης, τόμος 4. Ertl, Γ.; Knzinger, Η.; Schth, Φ.; Weitkamp, J., επιμ.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, σ. 2006-2017.