Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Sonocatálisis – Catálisis Mejorada por Ultrasonidos

Ultrasonidos afecta a la reactividad del catalizador durante la catálisis por una mayor transferencia de masa y energía de entrada. En la catálisis heterogénea, donde el catalizador está en una fase diferente a los reactivos, la dispersión ultrasónica aumenta el área superficial disponible para los reactivos.

Antecedentes de Catálisis

La catálisis es proceso en el que la velocidad de una reacción química se incrementa (O disminución) por medio de un catalizador. La producción de muchos productos químicos implica la catálisis. La influencia sobre la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en el paso determinante de la velocidad. En general, los catalizadores aumentan la velocidad de reacción y reducir la energía de activación, proporcionando una ruta de reacción alternativa al producto de reacción. Para ello, los catalizadores reaccionan con uno o más reactivos para formar intermedios que posteriormente dar el producto final. Este último paso se regenera el catalizador. Por la reducción de la energía de activación, Las colisiones más moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. En algunos casos catalizadores se utilizan cambio la selectividad de una reacción química.

Diagrama ilustra el efecto de un catalizador en una reacción química X + Y para producir Z El diagrama 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 Ea Energía.

Efectos de Ultrasonidos

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 al menos un reactivo para estar en fase líquida. Ultrasonidos contribuye a la catálisis heterogénea y homogénea de muchas maneras. efectos individuales pueden ser promovidos o reducen la adaptación de la amplitud de ultrasonidos y presión del líquido.

Dispersión ultrasónica y Emulsionante

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 multifase. Por esta razón, la superficie específica del límite de la fase se vuelve influyente para el tipo de química de reacción.

Gráfico muestra la correlación entre el tamaño de partícula y el área superficialUltrasonidos es un medio muy eficaz para la 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 agrandar!). 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 significativamente por debajo de 100 nanómetros. Si la dispersión o emulsión se convierte en al menos temporalmente estable, la aplicación de ultrasonidos puede ser necesaria solamente en una fase inicial de la reacción química. Un reactor ultrasónico en línea para la mezcla inicial de los reactivos y el catalizador se puede generar finas partículas de tamaño / gotitas en muy poco tiempo y con caudales elevados. Se puede aplicar incluso a medios altamente viscosos.

Transferencia de 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

cavitación ultrasónica es una manera única de poner la energía en las reacciones químicas. Una combinación de chorros de líquido de alta velocidad, de alta presión (>1000atm) y altas temperaturas (>5000K), enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>109Kansas-1) Se producen concentrado localmente durante la compresión implosiva de 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 de cavitación en las superficies de partículas genera superficies no pasivadas, altamente reactivos. altas temperaturas y presiones de corta vida contribuyen a descomposición molecular y aumentar la reactividad de muchas especies químicas. irradiación ultrasónica puede ser utilizado en la preparación de catalizadores, por ejemplo, para producir agregados de partículas de tamaño fino. Esto produce catalizadores amorfos partículas de alta superficie específica zona. Debido a esta estructura agregada, tales catalizadores se pueden separar 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 limpias o ayudar en el proceso de reciclaje de catalizador. La limpieza ultrasónica es probablemente la aplicación más común y conocida de los ultrasonidos. El impacto de chorros de líquidos cavitacionales y ondas de choque de hasta 104atm puede crear fuerzas de corte localizadas, la erosión y picado de la superficie. Para las partículas de tamaño fino, las colisiones entre las partículas de alta velocidad conducen a la erosión y la superficie plana trituración y molienda. Estas colisiones pueden causar temperaturas de impacto transitorios locales de aprox. 3000K. Suslick demostró, que ultrasonicación eficazmente quita recubrimientos de óxido superficiales. La eliminación de tales revestimientos de pasivación mejora drásticamente las velocidades 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 ultrasónico

Existen numerosos ejemplos para la catálisis asistida por ultrasonidos y para la preparación de ultrasonidos de catalizadores heterogéneos. Se recomienda el Sonocatálisis artículo de Kenneth Suslick para una introducción completa. Hielscher suministra reactores de ultrasonidos para la preparación de catalizadores o catálisis, tales como el transesterificación catalítica para la producción de ésteres metílicos (es decir, éster metílico graso = biodiesel).

Equipo ultrasónico para Sonocatalysis

Reactor ultrasónico con 7 procesadores ultrasónicos UIP1000hd de 1 kWHielscher fabrica dispositivos de ultrasonidos para el uso en cualquier escala y por una variedad de procesos. Esto incluye sonicación laboratorio en pequeños viales, así como reactores industriales y células de flujo. Para la prueba inicial en el proceso de la escala de laboratorio UP400S (400 W) es muy adecuado. Se puede utilizar para procesos por lotes, así como para la sonicación en línea. Para la prueba y optimización de procesos antes de la escala hacia arriba, se recomienda utilizar el UIP1000hd (1000 vatios), Como estas unidades es muy adaptable y resultados con ser escalado lineal para cualquier capacidad más grande. Para la producción a gran escala, ofrecemos dispositivos ultrasónicos de hasta 10 kW y 16 kW potencia ultrasónica. Los racimos de varias de tales unidades proporcionan capacidades muy altas de procesamiento.

Estamos a su disposición para apoyar su proceso de pruebas, optimización y ampliar. Háblanos equipo sobre adecuado o visite nuestro laboratorio proceso.

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La literatura sobre Catálisis Sonocatalysis y asistida por ultrasonidos

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, KS; Skrabalak, SE (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..