بهبود کاتالیزورهای فیشر–تروپش با فراصوت‌دهی
بهبود سنتز کاتالیزورهای فیشر–تروپش با فراصوت: تیمار فراصوتی ذرات کاتالیزور برای چندین منظور به کار می‌رود. سنتز فراصوتی به تولید نانوذرات اصلاح‌شده یا عامل‌دارشده با فعالیت کاتالیزوری بالا کمک می‌کند. کاتالیزورهای مستعمل و مسموم‌شده را می‌توان به‌آسانی و به‌سرعت با تیمار فراصوتی سطح بازیابی کرد؛ این تیمار آلودگی‌های رسوبی غیرفعال‌کننده را از کاتالیزور می‌زداید. در نهایت، کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی فراصوتی به توزیع یکنواخت و تک‌پاش ذرات کاتالیزور می‌انجامد تا سطح فعال زیاد ذرات و انتقال جرم مناسب برای تبدیل کاتالیزوری بهینه تضمین شود.
مزایای آماده‌سازی فراصوتی کاتالیزور برای فرایندهای فیشر–تروپش
فراصوت‌دهی مزایای قابل‌توجهی در سنتز کاتالیزورهای فیشر–تروپش دارد که عمدتاً ناشی از توانایی آن در ایجاد کنترل دقیق بر ریخت‌شناسی کاتالیزور و توزیع جایگاه‌های فعال است. کاویتاسیون پرانرژی ایجادشده توسط امواج فراصوت، اختلاط سریع و کلوخه‌زدایی مؤثر مواد پیش‌ماده را تضمین می‌کند و به توزیع بسیار یکنواخت اندازهٔ ذرات و افزایش مساحت سطح می‌انجامد. این افزایش همگنی موجب پراکندگی بیشتر اجزای فعال می‌شود که برای به حداکثر رساندن تعداد جایگاه‌های واکنش در دسترس ضروری است. افزون بر این، سینتیک کنترل‌شدهٔ اختلاط اغلب به تشکیل ساختارهای بسیار پایدار و متخلخل منجر می‌شود و از این طریق عملکرد کاتالیزوری، گزینش‌پذیری و پایداری بلندمدت کاتالیزور را در شرایط سخت واکنش بهبود می‌بخشد.
سونیکاتور UIP1500hdT با سلول جریان برای سنتز سونوشیمیایی کاتالیزورهای فیشر–تروپش
اثرات فراصوت بر کاتالیزورها
فراصوت پرتوان به دلیل تأثیر مثبت خود بر واکنش‌های شیمیایی شناخته شده است. هنگامی که امواج فراصوت شدید به محیط مایع وارد می‌شوند، کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌شود. کاویتاسیون فراصوتی به‌صورت موضعی شرایط حدی ایجاد می‌کند: دماهای بسیار بالا تا 5٬000K، فشارهای حدود 2٬000atm و جت‌های مایع با سرعت تا 280m/s. پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی و اثرات آن بر فرایندهای شیمیایی با اصطلاح سونوشیمی شناخته می‌شود.
یکی از کاربردهای رایج فراصوت، آماده‌سازی کاتالیزورهای ناهمگن است: نیروهای کاویتاسیون فراصوتی سطح کاتالیزور را فعال می‌کنند، زیرا فرسایش ناشی از کاویتاسیون سطوحی بدون لایهٔ غیرفعال و با واکنش‌پذیری بالا ایجاد می‌کند. افزون بر این، جریان آشفتهٔ مایع انتقال جرم را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. برخورد شدید ذرات بر اثر کاویتاسیون آکوستیکی، پوشش‌های اکسیدی سطح ذرات پودر را می‌زداید و در نتیجه سطح کاتالیزور دوباره فعال می‌شود.
سنتز کاتالیزور آلاییده با پالادیم با استفاده از سونیکاتور UIP1000hdT
مطالعه و تصویر: ©Prekob et al., 2020
آماده‌سازی فراصوتی کاتالیزورهای فیشر–تروپش
فرایند فیشر–تروپش شامل چندین واکنش شیمیایی است که مخلوط مونوکسید کربن و هیدروژن را به هیدروکربن‌های مایع تبدیل می‌کنند. برای سنتز فیشر–تروپش می‌توان از کاتالیزورهای گوناگونی استفاده کرد، اما فلزات واسطهٔ کبالت، آهن و روتنیم بیشترین کاربرد را دارند. سنتز فیشر–تروپش در دمای بالا با کاتالیزور آهن انجام می‌شود.
از آنجا که کاتالیزورهای فیشر–تروپش در برابر مسمومیت کاتالیزوری ناشی از ترکیبات حاوی گوگرد آسیب‌پذیرند، فعال‌سازی مجدد فراصوتی برای حفظ کامل فعالیت کاتالیزوری و گزینش‌پذیری اهمیت زیادی دارد.
- رسوب‌دهی یا تبلور
- ذرات (نانو) با اندازه و شکل به‌خوبی کنترل‌شده
- ویژگی‌های سطحی اصلاح‌شده و عامل‌دارشده
- سنتز ذرات آلاییده یا هسته–پوسته
- ایجاد ساختار مزومتخلخل
سنتز فراصوتی کاتالیزورهای هسته–پوسته
نانوساختارهای هسته–پوسته، نانوذراتی هستند که در یک پوستهٔ بیرونی محصور و محافظت می‌شوند؛ این پوسته نانوذرات را از یکدیگر جدا می‌کند و از مهاجرت و به‌هم‌پیوستن آن‌ها در طول واکنش‌های کاتالیزوری جلوگیری می‌کند.
Pirola et al. (2010) کاتالیزورهای فیشر–تروپش بر پایهٔ آهن و با پایهٔ نگهدارندهٔ سیلیکا را با بارگذاری بالای فلز فعال تهیه کرده‌اند. مطالعهٔ آن‌ها نشان می‌دهد که آغشته‌سازی پایهٔ سیلیکا به کمک فراصوت، نشاندن فلز را بهبود می‌بخشد و فعالیت کاتالیزور را افزایش می‌دهد. نتایج سنتز فیشر–تروپش نشان داده‌اند که کاتالیزورهای تهیه‌شده با فراصوت‌دهی بیشترین کارایی را دارند، به‌ویژه هنگامی که آغشته‌سازی فراصوتی در اتمسفر آرگون انجام شود.
UIP2000hdT – سونیکاتور پرتوان 2kW برای آماده‌سازی کاتالیزورها.
فعال‌سازی مجدد فراصوتی کاتالیزور
تیمار فراصوتی سطح ذرات، روشی سریع و آسان برای باززنده‌سازی و فعال‌سازی مجدد کاتالیزورهای مستعمل و غیرفعال‌شده است. قابلیت باززنده‌سازی کاتالیزور، فعال‌سازی مجدد و استفادهٔ دوباره از آن را ممکن می‌کند و بنابراین مرحله‌ای اقتصادی و سازگار با محیط‌زیست در فرایند است.
تیمار فراصوتی ذرات، لایه‌های غیرفعال‌کننده، آلودگی‌های رسوبی و ناخالصی‌هایی را از ذرهٔ کاتالیزور می‌زداید که جایگاه‌های واکنش کاتالیزوری را مسدود می‌کنند. فراصوت‌دهی دوغاب کاتالیزور مستعمل موجب شست‌وشوی جتی سطح ذرات کاتالیزور می‌شود و از این طریق رسوبات را از جایگاه فعال کاتالیزوری حذف می‌کند. پس از فراصوت‌دهی، فعالیت کاتالیزور به همان میزان اثربخشی کاتالیزور تازه بازمی‌گردد. افزون بر این، فراصوت‌دهی کلوخه‌ها را می‌شکند و توزیعی همگن و یکنواخت از ذرات تک‌پاش فراهم می‌کند که مساحت سطح ذرات و در نتیجه جایگاه فعال کاتالیزوری را افزایش می‌دهد. بنابراین بازیابی فراصوتی کاتالیزور، کاتالیزورهای باززنده‌شده‌ای با مساحت سطح فعال زیاد برای بهبود انتقال جرم فراهم می‌کند.
باززنده‌سازی فراصوتی کاتالیزور برای ذرات معدنی و فلزی، ذرات متخلخل (از جمله مزومتخلخل) و نانوکامپوزیت‌ها کاربرد دارد.
دربارهٔ باززنده‌سازی فراصوتی کاتالیزورهای مستعمل بیشتر بخوانید!
سونیکاتورهای پربازده برای سنتز سونوشیمیایی کاتالیزورهای فیشر–تروپش
سونیکاتورهای Hielscher به دلیل طراحی مستحکم، دقت و مقیاس‌پذیری در سنتز کاتالیزور بسیار مورد استقبال قرار می‌گیرند و نسبت به تجهیزات عمومی فراصوت‌دهی مزایای قابل‌توجهی دارند. این دستگاه‌ها انرژی فراصوتی با شدت بالا و قابلیت کنترل دقیق فراهم می‌کنند که برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت مواد پیش‌ماده و تسهیل هسته‌زایی و رشد دقیق ذرات کاتالیزور ضروری است. سامانه‌های کنترل پیشرفته به پژوهشگران امکان می‌دهند پارامترهایی مانند توان خروجی و مدت پالس را با دقت تنظیم کنند و از این طریق نتایج آزمایشی تکرارپذیر را تضمین می‌کنند – عاملی حیاتی در علم مواد. افزون بر این، سونیکاتورهای Hielscher به دوام و توانایی کار در مقیاس‌های گوناگون، از بچ‌های کوچک آزمایشگاهی تا عملیات واحد پایلوت، شناخته می‌شوند و بدین‌ترتیب انتقال کارآمد فرمولاسیون‌های امیدبخش کاتالیزور از پژوهش در مقیاس آزمایشگاهی به کاربرد صنعتی را ممکن می‌سازند. استانداردهای مهندسی و ساخت آلمان تضمین می‌کنند که تجهیزات فراصوتی Hielscher بتوانند در کارکرد 24/7 و تحت بارهای کاری سنگین، به‌طور قابل‌اعتماد کار کنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
دانستنی‌های مفید
واکنش فیشر–تروپش چیست؟
واکنش فیشر–تروپش یک فرایند شیمیایی کاتالیزوری است که گاز سنتز، یعنی مخلوط مونوکسید کربن و هیدروژن، را به هیدروکربن‌هایی مانند آلکان‌ها، آلکن‌ها، واکس‌ها و سوخت‌های مایع تبدیل می‌کند. این واکنش مسیری مهم برای تولید سوخت‌های سنتزی و مواد شیمیایی از زغال‌سنگ، گاز طبیعی، زیست‌توده یا گاز سنتز حاصل از CO₂ است.
کاتالیزور فیشر–تروپش چیست؟
کاتالیزور فیشر–تروپش یک مادهٔ کاتالیزوری جامد است که هیدروژناسیون و تبدیل مونوکسید کربن با هیدروژن به هیدروکربن‌ها از طریق رشد زنجیره را تسهیل می‌کند. پرکاربردترین فلزات فعال، آهن، کبالت و روتنیم هستند که اغلب برای بهبود مساحت سطح، پایداری و گزینش‌پذیری بر پایه‌هایی مانند آلومینا، سیلیکا، تیتانیا یا کربن قرار می‌گیرند.
کدام صنایع از واکنش‌های فیشر–تروپش استفاده می‌کنند؟
واکنش‌های فیشر–تروپش در صنعت سوخت‌های سنتزی، صنعت پتروشیمی، تولید مایعات از گاز، تولید مایعات از زغال‌سنگ، تولید مایعات از زیست‌توده و بخش‌های نوظهور تبدیل برق به مایعات و جذب و استفاده از کربن به کار می‌روند. این واکنش‌ها به‌ویژه برای تولید گازوئیل، سوخت جت، روانکارها، واکس‌ها، اولفین‌ها و دیگر خوراک‌های هیدروکربنی اهمیت دارند.
کاتالیزورهای فیشر–تروپش چه کاربردهایی دارند؟
سنتز فیشر–تروپش دسته‌ای از فرایندهای کاتالیزوری است که در تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی از گاز سنتز (مخلوط CO و H2) به کار می‌روند؛ این گاز را می‌توان از گاز طبیعی، زغال‌سنگ یا زیست‌توده به دست آورد. در فرایند فیشر–تروپش، از کاتالیزور حاوی فلز واسطه برای تولید هیدروکربن‌ها از مواد اولیهٔ بسیار سادهٔ هیدروژن و مونوکسید کربن استفاده می‌شود؛ این مواد را می‌توان از منابع گوناگون حاوی کربن، مانند زغال‌سنگ، گاز طبیعی، زیست‌توده و حتی پسماند به دست آورد.
منابع علمی / مراجع
- 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.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را در مقیاس‌های مختلف از آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.