Sonokatalüüs – Ultraheli abil katalüüs

Ultraheli mõjutab katalüsaatori reaktiivsust katalüüsi ajal tõhustatud massiülekande ja energiasisendiga. Heterogeenses katalüüsis, kus katalüsaator on reaktiividest erinevas faasis, suurendab ultraheli dispersioon reagentidele kättesaadavat pindala.

Sonokatalüüsi taust

Katalüüs on protsess, mille käigus kiirus keemiline reaktsioon suureneb (või vähendatakse) katalüsaatori abil. Paljude kemikaalide tootmine hõlmab katalüüsi. Mõju reaktsioonikiirusele sõltub reagentide kokkupuute sagedusest kiiruse määramise etapis. Üldiselt suurendavad katalüsaatorid reaktsioonikiirust ja vähendavad aktiveerimisenergiat, pakkudes reaktsioonisaadusele alternatiivset reaktsioonirada. Selleks reageerivad katalüsaatorid ühe või mitme reagendiga, moodustades vaheühendeid, mis seejärel annavad lõppsaaduse. Viimane samm regenereerib katalüsaatori. Poolt aktiveerimisenergia vähendamine, on rohkematel molekulaarsetel kokkupõrgetel üleminekuolekusse jõudmiseks vajalik energia. Mõnel juhul kasutatakse katalüsaatoreid, mis muudavad keemilise reaktsiooni selektiivsust.

See on Diagramm paremal illustreerib katalüsaatori mõju keemilises reaktsioonis X+Y Z-i tekitamiseks. Katalüsaator pakub alternatiivset rada (roheline) madalama aktiveerimisega Energy Ea.

Ultraheli mõju

Akustiline lainepikkus vedelikes on vahemikus umbes 110 kuni 0,15 mm sagedustel vahemikus 18kHz kuni 10MHz. See ületab oluliselt molekulaarseid mõõtmeid. Sel põhjusel puudub akustilise välja otsene seos keemilise liigi molekulidega. Ultraheli mõju on suurel määral tingitud ultraheli kavitatsioon vedelikes. Seetõttu nõuab ultraheli abil katalüüs, et vähemalt üks reaktiiv oleks vedelas faasis. Ultraheli aitab kaasa heterogeensele ja homogeensele katalüüsile mitmel viisil. Individuaalseid efekte saab edendada või vähendada, kohandades ultraheli amplituudi ja vedeliku rõhku.

Ultraheli hajutamine ja emulgeerimine

Keemilised reaktsioonid, mis hõlmavad reaktiive ja rohkem kui ühefaasilist katalüsaatorit (heterogeenne katalüüs), piirduvad faasipiiriga, kuna see on ainus koht, kus on nii reaktiiv kui ka katalüsaator. Reaktiivide ja katalüsaatori kokkupuude üksteisega on paljude mitmefaasiliste keemiliste reaktsioonide võtmetegur. Sel põhjusel muutub faasipiiri spetsiifiline pindala keemilise reaktsiooni kiiruse jaoks mõjukaks.

Ultraheli on väga tõhus vahend tahkete ainete dispersioon ning vedelike emulgeerimine. Vähendades osakeste/tilkade suurust, suureneb samal ajal faasipiiri kogupindala. Vasakpoolne graafik näitab osakeste suuruse ja pindala vahelist korrelatsiooni sfääriliste osakeste või piiskade korral (Kliki suurema vaate saamiseks!). Kui faasi piirpind suureneb, suureneb ka keemilise reaktsiooni kiirus. Paljude materjalide puhul võib ultraheli kavitatsioon muuta osakesi ja tilka väga peen suurus – sageli oluliselt alla 100 nanomeetri. Kui dispersioon või emulsioon muutub vähemalt ajutiselt stabiilseks, rakendatakse ultraheli võib olla vajalik ainult algfaasis keemilisest reaktsioonist. Inline ultraheli reaktor reaktiivide ja katalüsaatori esialgseks segamiseks võib tekitada peene suurusega osakesi / tilka väga lühikese aja jooksul ja suure voolukiirusega. Seda saab rakendada ka väga viskoossetele kandjatele.

Mass-ülekanne

Kui reaktiivid reageerivad faasipiiril, kogunevad keemilise reaktsiooni saadused kontaktpinnale. See blokeerib teiste reaktiivimolekulide interaktsiooni selles faasipiiris. Kavitatsiooniliste jugavoogude ja akustilise voo põhjustatud mehaanilised nihkejõud põhjustavad turbulentset voolu ja materjali transportimist osakeste või piiskade pindadelt ja neile. Tilkade puhul võib kõrge nihe põhjustada uute tilkade koalestsentsi ja sellele järgnevat moodustumist. Kuna keemiline reaktsioon areneb aja jooksul, võib olla vajalik korduv ultrahelitöötlus, nt kaheastmeline või retsirkulatsioon, et maksimeerida reaktiivide kokkupuudet.

Energia sisend

Ultraheli kavitatsioon on ainulaadne viis pange energia keemilistesse reaktsioonidesse. Kombinatsioon kiiretest vedelikujoadest, kõrgsurvest (>1000atm) ja kõrgetel temperatuuridel (>5000K), tohutud kütte- ja jahutuskiirused (>10⁹Ks^-1) esinevad lokaalselt kontsentreeritud kavitatsioonimullide implosiivse kokkusurumise ajal. Kenneth Suslick Ütleb: “Kavitatsioon on erakordne meetod heli hajusa energia kontsentreerimiseks keemiliselt kasutatavasse vormi.”

Reaktiivsuse suurenemine

Kavitatsiooniline erosioon osakeste pindadel tekitab läbitungimatuid, väga reaktiivseid pindu. Lühiajalised kõrged temperatuurid ja rõhud aitavad kaasa molekulaarne lagunemine ja reaktiivsuse suurendamine paljudest keemilistest liikidest. Ultraheli kiiritamist saab kasutada katalüsaatorite valmistamisel, nt peene suurusega osakeste agregaatide tootmiseks. See tekitab amorfseid katalüsaatoreid kõrge eripinnaga osakesed pindala. Selle agregaatstruktuuri tõttu saab selliseid katalüsaatoreid reaktsioonisaadustest eraldada (st filtreerimise teel).

Ultraheli puhastamine

Sageli hõlmab katalüüs soovimatuid kõrvalsaadusi, saastumist või lisandeid reaktiivides. See võib põhjustada tahkete katalüsaatorite pinnal lagunemist ja saastumist. Saastumine vähendab katmata katalüsaatori pinda ja vähendab seega selle efektiivsust. Seda ei ole vaja eemaldada ei protsessi käigus ega ringlussevõtu intervallidega, kasutades muid protsessikemikaale. Ultraheli on tõhus vahend puhastage katalüsaatoreid või abistage katalüsaatorite ringlussevõtu protsessis;. Ultraheli puhastamine on ilmselt ultraheli kõige levinum ja tuntum rakendus. Kavitatsiooniliste vedelikujoade ja lööklainete mõju kuni 10⁴ATM võib tekitada lokaliseeritud nihkejõude, erosiooni ja pinna auku. Peene suurusega osakeste puhul põhjustavad kiired osakestevahelised kokkupõrked pinna erosiooni ja isegi lihvimine ja freesimine. Need kokkupõrked võivad põhjustada lokaalseid mööduvaid löögitemperatuure umbes 3000K. Suslick näitas, et ultraheli tõhusalt eemaldab pinnaoksiidi katted. Selliste passiivsete katete eemaldamine parandab dramaatiliselt reaktsioonikiirust mitmesuguste reaktsioonide korral (Suslick 2008). Ultraheli kasutamine aitab vähendada tahke dispergeeritud katalüsaatori saastumise probleemi katalüüsi ajal ja aitab kaasa puhastamisele katalüsaatori ringlussevõtu protsessi ajal.

Ultraheli katalüüsi näited

On arvukalt näiteid ultraheli abil katalüüsi ja heterogeensete katalüsaatorite ultraheli ettevalmistamise kohta. Soovitame Sonokatalüüs artikkel Kenneth Suslick põhjalikuks sissejuhatuseks. Hielscher varustab ultraheli reaktoreid katalüsaatorite või katalüüsi valmistamiseks, näiteks katalüütiline ümberesterdamine metüülestrite tootmiseks (st rasvmetüülester = biodiislikütus).

Sonokatalüüsi ultraheli seadmed

Hielscher toodab ultraheli seadmeid kasutamiseks mis tahes skaala ja foorumid Erinevad protsessid. See hõlmab järgmist: Lab ultrahelitöötlus väikestes viaalides ja tööstuslikud reaktorid ja vooluelemendid. Esmaseks protsessikatseks laboriskaalal UP400S (400 vatti) on väga sobiv. Seda saab kasutada nii partiiprotsessides kui ka inline ultrahelitöötluses. Protsesside testimiseks ja optimeerimiseks enne laiendamist soovitame kasutada UIP1000hd (1000 vatti), kuna see üksus on väga kohandatav ja tulemused on lineaarselt skaleeritud mis tahes suurema võimsusega. Täiemahuliseks tootmiseks pakume ultraheli seadmeid kuni 10kW ja 16kW ultraheli võimsus. Mitme sellise üksuse klastrid pakuvad väga suurt töötlemisvõimsust.

Meil on hea meel toetada teie protsesside testimist, optimeerimist ja laiendamist. Räägi meiega sobivate seadmete kohta või Külastage meie protsessilaborit.

Kirjandus sonokatalüüsi ja ultraheli abil katalüüsi kohta

Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akustiline kavitatsioon ja selle keemilised tagajärjed, in: Phil. Soc. A, 1999, lk 357, 335–353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalüüs” Heterogeense katalüüsi käsiraamat, kd 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Toim.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, lk 2006-2017.