Täiustatud Fischer-Tropschi katalüsaatorid ultraheli töötlusega

Fischer-Tropschi katalüsaatorite täiustatud süntees ultraheliga: katalüsaatoriosakeste ultraheli töötlust kasutatakse mitmel otstarbel. Ultraheli süntees aitab luua modifitseeritud või funktsionaliseeritud nanoosakesi, millel on kõrge katalüütiline aktiivsus. Kasutatud ja mürgitatud katalüsaatoreid saab ultraheliga pinnatöötluse abil lihtsalt ja kiiresti taastada, sest see eemaldab katalüsaatorilt inaktiveeriva saastekihi. Lõpuks tagab ultraheliga deaglomeratsioon ja dispergeerimine katalüsaatoriosakeste ühtlase, monodisperssse jaotuse, mis tagab suure aktiivse osakeste pindala ja massiülekande optimaalseks katalüütiliseks muundamiseks.

Ultraheliga katalüsaatori valmistamise eelised Fischer-Tropschi protsessides

Ultraheli töötlus pakub Fischer-Tropschi katalüsaatorite sünteesil olulisi eeliseid, eelkõige tänu võimele tagada katalüsaatori morfoloogia ja aktiivtsentrite jaotuse täpne kontroll. Ultraheli lainete tekitatud suure energiaga kavitatsioon tagab kiire segunemise ja lähteainete tõhusa deaglomeratsiooni, mis viib väga ühtlase osakeste suurusjaotuse ja suurema pindalani. See parem homogeensus annab aktiivkomponentide parema dispersiooni, mis on määrava tähtsusega ligipääsetavate reaktsioonitsentrite arvu maksimeerimisel. Lisaks viib kontrollitud segunemiskineetika sageli väga stabiilsete ja poorsete struktuuride tekkeni, parandades seeläbi katalüsaatori katalüütilist jõudlust, selektiivsust ja pikaajalist stabiilsust rasketes reaktsioonitingimustes.

Ultraheli mõju katalüsaatoritele

Suure võimsusega ultraheli on tuntud oma positiivse mõju poolest keemilistele reaktsioonidele. Kui tugevad ultraheli lained juhitakse vedelasse keskkonda, tekib akustiline kavitatsioon. Ultraheli kavitatsioon tekitab lokaalselt äärmuslikud tingimused: väga kõrged temperatuurid kuni 5 000K, rõhud ligikaudu 2 000atm ja vedelikujoad kiirusega kuni 280m/s. Akustilise kavitatsiooni nähtust ja selle mõju keemilistele protsessidele nimetatakse sonokeemiaks.
Ultraheli tavapärane rakendus on heterogeensete katalüsaatorite valmistamine: ultraheli kavitatsioonijõud aktiveerivad katalüsaatori pindala, kuna kavitatsiooniline erosioon tekitab passiveerimata, väga reaktiivseid pindu. Lisaks paraneb massiülekanne oluliselt vedeliku turbulentse voolamise tõttu. Akustilisest kavitatsioonist tingitud tugev osakeste kokkupõrge eemaldab pulbriosakeste pinnaoksiidkihid, mille tulemusel katalüsaatori pind reaktiveerub.

Pallaadiumiga legeeritud katalüsaatori süntees sonikaatori UIP1000hdT abil
Uuring ja pilt: ©Prekob et al., 2020

Fischer-Tropschi katalüsaatorite valmistamine ultraheliga

Fischer-Tropschi protsess hõlmab mitmeid keemilisi reaktsioone, mis muundavad süsinikmonooksiidi ja vesiniku segu vedelateks süsivesinikeks. Fischer-Tropschi sünteesiks saab kasutada mitmesuguseid katalüsaatoreid, kuid kõige sagedamini kasutatakse siirdemetalle koobaltit, rauda ja rutheeniumi. Kõrgtemperatuurset Fischer-Tropschi sünteesi viiakse läbi raudkatalüsaatoriga.
Kuna Fischer-Tropschi katalüsaatorid on vastuvõtlikud väävlit sisaldavate ühendite põhjustatud katalüsaatori mürgitusele, on ultraheliga reaktiveerimine täieliku katalüütilise aktiivsuse ja selektiivsuse säilitamiseks väga oluline.

Tuum-kest-katalüsaatorite süntees ultraheliga

Tuum-kest-nanostruktuurid on nanoosakesed, mis on kapseldatud ja kaitstud välimise kestaga, mis isoleerib nanoosakesed ning takistab nende migratsiooni ja koalestsentsi katalüütiliste reaktsioonide ajal

Pirola et al. (2010) valmistasid ränidioksiidil kandjal põhinevad rauapõhised Fischer-Tropschi katalüsaatorid, mille aktiivmetalli sisaldus on kõrge. Nende uuringus näidatakse, et ränidioksiidist kandja ultraheliga toetatud immutamine parandab metalli sadestumist ja suurendab katalüsaatori aktiivsust. Fischer-Tropschi sünteesi tulemused näitasid, et kõige tõhusamad olid ultraheli töötlusega valmistatud katalüsaatorid, eriti kui ultraheliga immutamine toimus argooniatmosfääris.

Katalüsaatori reaktiveerimine ultraheliga

Osakeste pinna ultraheli töötlus on kiire ja lihtne meetod kasutatud ja passiveerunud katalüsaatorite regenereerimiseks ja reaktiveerimiseks. Katalüsaatori regenereeritavus võimaldab selle reaktiveerimist ja taaskasutust ning on seega majanduslikult ja keskkonnasäästlik protsessietapp.
Osakeste ultraheli töötlus eemaldab katalüsaatoriosakeselt inaktiveerivad passiveerivad kihid, saastekihid ja lisandid, mis blokeerivad katalüütilise reaktsiooni tsentreid. Kasutatud katalüsaatori suspensiooni ultraheli töötlus põhjustab katalüsaatoriosakeste pinna joapesu, eemaldades setted katalüütiliselt aktiivselt tsentrilt. Pärast ultraheli töötlust taastub katalüsaatori aktiivsus sama tõhususeni kui värskel katalüsaatoril. Lisaks lõhub ultraheli töötlus aglomeraate ja tagab monodisperssete osakeste homogeense, ühtlase jaotuse, mis suurendab osakeste pindala ja seeläbi aktiivset katalüütilist tsentrit. Seega annab katalüsaatori ultraheliga taastamine regenereeritud katalüsaatorid, millel on suur aktiivne pindala parema massiülekande jaoks.
Katalüsaatori ultraheliga regenereerimine sobib mineraal- ja metalliosakestele, (meso)poorsetele osakestele ja nanokomposiitidele.
Loe lähemalt kasutatud katalüsaatorite regenereerimisest ultraheliga!

Suure jõudlusega sonikaatorid Fischer-Tropschi katalüsaatorite sonokeemiliseks sünteesiks

Hielscheri sonikaatoreid eelistatakse katalüsaatorite sünteesil tugeva konstruktsiooni, täpsuse ja skaleeritavuse tõttu, pakkudes olulisi eeliseid tavapärase ultraheli töötluse seadmete ees. Need seadmed annavad täpselt reguleeritavat ja suure intensiivsusega ultraheli energiat, mis on määrava tähtsusega lähteainete ühtlase dispersiooni saavutamisel ning katalüsaatoriosakeste täpse nukleatsiooni ja kasvu soodustamisel. Keerukad juhtimissüsteemid võimaldavad teadlastel täpselt reguleerida parameetreid, nagu väljundvõimsus ja impulsi kestus, tagades korratavad katseandmed – materjaliteaduses oluline tegur. Lisaks on Hielscheri sonikaatorid tuntud oma vastupidavuse ja võime poolest töötada erinevates mastaapides, alates väikestest laborikogustest kuni pilootseadmeteni, võimaldades seeläbi paljutõotavate katalüsaatoriretseptuuride tõhusat üleminekut laborimastaabis uuringutelt tööstuslikule rakendusele. Saksa insenertehnilised ja tootmisstandardid tagavad, et Hielscheri ultraheliseadmeid saab usaldusväärselt kasutada ööpäevaringses 24/7 töös suure koormuse all.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Kirjandus / viited

• Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
• Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
• Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
• Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.