Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Sonocatálisis – Catálisis mediada por ultrasonidos

La ultrasonicación afecta a la reactividad del catalizador durante la catálisis mediante la transferencia de masa y el aporte de energía mejorados. En la catálisis heterogénea, donde el catalizador se encuentra en una fase diferente a la de los reactantes, la dispersión ultrasónica aumenta el área de superficie disponible para los reactantes.

Antecedentes de la catálisis

La catálisis es un proceso en el que la tasa de un aumenta la reacción química (o disminuida) por medio de un catalizador. La producción de muchos productos químicos implica la catálisis. La influencia en la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactantes en el paso determinante de la velocidad. En general, los catalizadores aumentan la velocidad de reacción y reducen la energía de activación al proporcionar una vía de reacción alternativa al producto de reacción. Para ello los catalizadores reaccionan con uno o más reactantes para formar intermedios que posteriormente dan el producto final. Este último paso regenera el catalizador. Por reducción de la energía de activaciónmás colisiones moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. En algunos casos se utilizan catalizadores que cambian la selectividad de una reacción química.

El diagrama ilustra el efecto de un catalizador en una reacción química X+Y para producir Z El esbozo a la derecha ilustra el efecto de un catalizador en una reacción química X+Y para producir Z. El catalizador proporciona una vía alternativa (verde) con una menor activación Energy Ea.

Efectos de la Ultrasonido

La longitud de onda acústica en líquidos oscila entre 110 y 0,15 mm para frecuencias entre 18kHz y 10MHz. Esto está significativamente por encima de las dimensiones moleculares. Por esta razón, no hay acoplamiento directo del campo acústico con moléculas de una especie química. Los efectos de la ultrasonicación son en gran medida el resultado de la cavitación ultrasónica en líquidos. Por lo tanto, la catálisis asistida por ultrasonidos requiere que al menos un reactivo esté en fase líquida. La ultrasonicación contribuye a la catálisis heterogénea y homogénea en muchos sentidos. Los efectos individuales pueden ser promovidos o reducidos adaptando la amplitud ultrasónica y la presión del líquido.

Dispersión y emulsificación ultrasónica

Las reacciones químicas en las que intervienen reactivos y un catalizador de más de una fase (catálisis heterogénea) se limitan al límite de la fase, ya que éste es el único lugar en el que están presentes tanto el reactivo como el catalizador. La exposición de los reactivos y del catalizador entre sí es una factor clave para muchas reacciones químicas multifásicas. Por esta razón, la superficie específica del límite de fase influye en la tasa de reacción química.

El gráfico muestra la correlación entre el tamaño de las partículas y el área de la superficieLa ultrasonido es un medio muy eficaz para el Dispersión de sólidos y para el emulsificación de líquidos. Al reducir el tamaño de la partícula/gota, la superficie total del límite de la fase aumenta al mismo tiempo. El gráfico de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de las partículas y la superficie en caso de partículas esféricas o gotas (¡Haga clic para ampliar!). A medida que la superficie del límite de fase aumenta, también lo hace la tasa de reacción química. Para muchos materiales, la cavitación ultrasónica puede producir partículas y gotitas de tamaño muy fino – a menudo muy por debajo de los 100 nanómetros. Si la dispersión o emulsión se estabiliza al menos temporalmente, la aplicación de el ultrasonido puede ser necesario sólo en una fase inicial de la reacción química. Un reactor ultrasónico en línea para la mezcla inicial de los reactivos y el catalizador puede generar partículas/gotas de tamaño fino en muy poco tiempo y a altas velocidades de flujo. Se puede aplicar incluso en medios altamente viscosos.

Transferencia en masa

Cuando los reactivos reaccionan en un límite de fase, los productos de la reacción química se acumulan en la superficie de contacto. Esto bloquea la interacción de otras moléculas de reactivos en el límite de esta fase. Las fuerzas de corte mecánicas causadas por las corrientes de chorros cavitacionales y las corrientes acústicas dan como resultado un flujo turbulento y el transporte de material desde y hacia las superficies de las partículas o gotas. En el caso de las gotas, el alto cizallamiento puede provocar la coalescencia y la formación posterior de nuevas gotas. A medida que la reacción química progresa con el tiempo, puede ser necesaria una sonicación repetida, por ejemplo, de dos etapas o de recirculación, para maximizar la exposición de los reactivos.

Entrada de energía

La cavitación ultrasónica es una forma única de poner energía en las reacciones químicas. Una combinación de chorros de líquido de alta velocidad, alta presión (>1000atm) y altas temperaturas (>5000K), enormes tasas de calentamiento y enfriamiento (>109Ks-1) se concentran localmente durante la compresión implosiva de las burbujas cavitacionales. Kenneth Suslick says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable form."

Aumento de la reactividad

Erosión por cavitación en las superficies de las partículas genera superficies no pasivadas y altamente reactivas. Las altas temperaturas y presiones de corta duración contribuyen a descomposición molecular y aumentar la reactividad de muchas especies químicas. La irradiación ultrasónica puede utilizarse en la preparación de catalizadores, por ejemplo, para producir agregados de partículas de tamaño fino. Esto produce catalizadores amorfos partículas de alta superficie específica de la zona. Debido a esta estructura de agregados, estos catalizadores pueden separarse de los productos de reacción (es decir, por filtración).

Limpieza por ultrasonidos

A menudo la catálisis implica subproductos no deseados, contaminaciones o impurezas en los reactivos. Esto puede llevar a la degradación e incrustaciones en la superficie de los catalizadores sólidos. El ensuciamiento reduce la superficie expuesta del catalizador y por lo tanto reduce su eficiencia. No es necesario retirarlo ni durante el proceso ni en los intervalos de reciclado utilizando otros productos químicos de proceso. La ecografía es un medio eficaz para catalizadores limpios o ayudar en el proceso de reciclado de catalizadores. La limpieza ultrasónica es probablemente la aplicación más común y conocida de los ultrasonidos. El impacto de chorros de líquido cavitacional y ondas de choque de hasta 104atm puede crear fuerzas de corte localizadas, erosión y picaduras en la superficie. En el caso de las partículas de tamaño fino, las colisiones interpartículas de alta velocidad provocan erosión superficial e incluso molienda y molienda. Estas colisiones pueden causar temperaturas de impacto locales transitorias de aproximadamente 3000K. Suslick demostró que la ultrasonicación es efectiva elimina los recubrimientos de óxido de superficie. La eliminación de estos recubrimientos pasivantes mejora drásticamente las tasas de reacción para una amplia variedad de reacciones (Suslick 2008). La aplicación de ultrasonidos ayuda a reducir el problema de ensuciamiento de un catalizador sólido disperso durante la catálisis y contribuye a la limpieza durante el proceso de reciclaje del catalizador.

Ejemplos de catálisis ultrasónica

Existen numerosos ejemplos de catálisis asistida por ultrasonidos y de preparación ultrasónica de catalizadores heterogéneos. Recomendamos el Sonocatálisis artículo por Kenneth Suslick para una introducción completa. Hielscher suministra reactores ultrasónicos para la preparación de catalizadores o catalizadores, como el transesterificación catalítica para la producción de metilésteres (es decir, metilésteres grasos = biodiésel).

Equipo de ultrasonido para sonocatálisis

Reactor ultrasónico con 7 procesadores ultrasónicos UIP1000hd de 1 kWHielscher fabrica equipos de ultrasonidos para el uso en cualquier escala y por un variedad de procesos. Esto incluye sonicación en laboratorio en viales pequeños, así como reactores industriales y celdas de flujo. Para el ensayo inicial del proceso a escala de laboratorio, el UP400S (400 W) es muy adecuado. Se puede utilizar tanto para procesos por lotes como para la sonicación en línea. Para la comprobación y optimización del proceso antes de la ampliación, se recomienda utilizar la función UIP1000hd (1000 vatios)Ya que estas unidades son muy adaptables y los resultados pueden ser escalados linealmente a cualquier capacidad mayor. Para la producción a gran escala ofrecemos dispositivos ultrasónicos de hasta 10 kW y 16 kW energía ultrasónica. Las agrupaciones de varias de estas unidades proporcionan una capacidad de procesamiento muy alta.

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Literatura sobre sonocatálisis y catálisis asistida por ultrasonido

Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): "Sonocatalysis" En Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.