سونوکاتالیز – اولتراسونیک کمک کاتالیز
امواج فراصوت بر واکنش کاتالیزور در طول کاتالیز با افزایش انتقال جرم و ورودی انرژی تأثیر می گذارد. در کاتالیز ناهمگن، که در آن کاتالیزور در فاز متفاوتی نسبت به واکنش دهنده ها قرار دارد، پراکندگی اولتراسونیک سطح موجود در واکنش دهنده ها را افزایش می دهد.
پیشینه سونوکاتالیز
کاتالیز فرآیندی است که در آن نرخ a واکنش شیمیایی افزایش می یابد (یا کاهش) با استفاده از یک کاتالیزور. تولید بسیاری از مواد شیمیایی شامل کاتالیز است. تأثیر بر سرعت واکنش به فرکانس تماس واکنش دهنده ها در مرحله تعیین سرعت بستگی دارد. به طور کلی، کاتالیزورها با ارائه یک مسیر واکنش جایگزین به محصول واکنش، سرعت واکنش را افزایش می دهند و انرژی فعال سازی را کاهش می دهند. برای این منظور کاتالیزورها با یک یا چند واکنش دهنده واکنش می دهند و واسطه هایی را تشکیل می دهند که متعاقبا محصول نهایی را می دهند. مرحله دوم کاتالیزور را بازسازی می کند. توسط کاهش انرژی فعال سازی، برخوردهای مولکولی بیشتر انرژی مورد نیاز برای رسیدن به حالت انتقال را دارند. در برخی موارد از کاتالیزورها استفاده می شود تا گزینش پذیری یک واکنش شیمیایی را تغییر دهند.
این نمودار در سمت راست تأثیر یک کاتالیزور را در یک واکنش شیمیایی X+Y برای تولید Z نشان می دهد. کاتالیزور یک مسیر جایگزین (سبز) با فعال سازی کمتر Energy Ea را فراهم می کند.
اثرات امواج فراصوت
طول موج آکوستیک در مایعات از تقریبا 110 تا 0.15 میلی متر برای فرکانس های بین 18 کیلوهرتز و 10 مگاهرتز متغیر است. این به طور قابل توجهی بالاتر از ابعاد مولکولی است. به همین دلیل ، هیچ اتصال مستقیمی از میدان صوتی با مولکول های یک گونه شیمیایی وجود ندارد. اثرات امواج فراصوت تا حد زیادی در نتیجه خلا سازی آلتراسونیک در مایعات. از این رو, اولتراسونیک کمک کاتالیز نیاز به حداقل یک معرف در فاز مایع. امواج فراصوت به کاتالیز ناهمگن و همگن کمک می کند از بسیاری جهات. اثرات فردی را می توان با انطباق دامنه اولتراسونیک و فشار مایع ارتقا داد یا کاهش داد.
پراکندگی و امولسیون اولتراسونیک
واکنش های شیمیایی شامل معرف ها و کاتالیزور بیش از یک فاز (کاتالیز ناهمگن) به مرز فاز محدود می شوند زیرا این تنها مکانی است که معرف و همچنین کاتالیزور در آن وجود دارد. قرار گرفتن در معرض معرف ها و کاتالیزور به یکدیگر یک است عامل کلیدی برای بسیاری از واکنش های شیمیایی چند فازی. به همین دلیل، سطح ویژه مرز فاز بر سرعت واکنش شیمیایی تأثیر می گذارد.
امواج فراصوت یک وسیله بسیار موثر برای است پراکندگی مواد جامد و برای امولسیون مایعات. با کاهش اندازه ذرات/قطرات، مساحت کل سطح مرز فاز به طور همزمان افزایش می یابد. نمودار سمت چپ همبستگی بین اندازه ذرات و مساحت سطح را در مورد ذرات کروی یا قطرات نشان می دهد (برای نمای بزرگتر کلیک کنید!). با افزایش سطح مرز فاز، سرعت واکنش شیمیایی نیز افزایش می یابد. برای بسیاری از مواد کاویتاسیون اولتراسونیک می تواند ذرات و قطرات را ایجاد کند اندازه بسیار خوب – اغلب به طور قابل توجهی زیر 100 نانومتر. اگر پراکندگی یا امولسیون حداقل به طور موقت پایدار شود، استفاده از اولتراسونیک ممکن است فقط در مرحله اولیه مورد نیاز باشد از واکنش شیمیایی. یک راکتور اولتراسونیک درون خطی برای اختلاط اولیه معرف ها و کاتالیزور می تواند ذرات / قطرات با اندازه خوب را در زمان بسیار کوتاه و با سرعت جریان بالا تولید کند. می توان آن را حتی در محیط های بسیار چسبناک نیز اعمال کرد.
انتقال انبوه
هنگامی که معرف ها در یک مرز فاز واکنش نشان می دهند ، محصولات واکنش شیمیایی در سطح تماس جمع می شوند. این مانع از تعامل سایر مولکول های معرف در این مرز فاز می شود. نیروهای برشی مکانیکی ناشی از جریان جت حفره ای و جریان آکوستیک منجر به جریان آشفته و انتقال مواد از و به سطوح ذرات یا قطرات می شود. در مورد قطرات، برش زیاد می تواند منجر به ادغام و متعاقب آن تشکیل قطرات جدید شود. همانطور که واکنش شیمیایی در طول زمان پیشرفت می کند، ممکن است یک فراصوت مکرر، به عنوان مثال دو مرحله یا گردش مجدد، مورد نیاز باشد قرار گرفتن در معرض معرف ها را به حداکثر برسانید.
ورودی انرژی
کاویتاسیون اولتراسونیک یک راه منحصر به فرد برای است انرژی را در واکنش های شیمیایی قرار دهید. ترکیبی از جت های مایع با سرعت بالا، فشار بالا (>1000atm) و دمای بالا (>5000K)، نرخ گرمایش و سرمایش عظیم (>109Ks-1) به صورت موضعی در طول فشرده سازی انفجاری حباب های حفره ای متمرکز می شود. کنت ساسلیک می گوید: “کاویتاسیون یک روش خارق العاده برای تمرکز انرژی پراکنده صدا در یک فرم قابل استفاده شیمیایی است.”
افزایش واکنش پذیری
فرسایش حفره ای روی سطوح ذرات سطوح غیرفعال و بسیار واکنش پذیر ایجاد می کند. دما و فشار بالا کوتاه مدت به تجزیه مولکولی و افزایش واکنش پذیری از بسیاری از گونه های شیمیایی. تابش اولتراسونیک را می توان در آماده سازی کاتالیزورها استفاده کرد، به عنوان مثال برای تولید سنگدانه هایی از ذرات ریز اندازه. این کاتالیزورهای آمورف تولید می کند ذرات سطح ویژه بالا منطقه. با توجه به این ساختار سنگدانه، چنین کاتالیزورهایی را می توان از محصولات واکنش (یعنی با فیلتراسیون) جدا کرد.
تمیز کردن اولتراسونیک
اغلب کاتالیز شامل محصولات جانبی ناخواسته، آلودگی ها یا ناخالصی ها در معرف ها است. این می تواند منجر به تخریب و رسوب در سطح کاتالیزورهای جامد شود. رسوب سطح کاتالیزور در معرض دید را کاهش می دهد و در نتیجه کارایی آن را کاهش می دهد. نیازی به حذف آن در طول فرآیند یا در فواصل بازیافت با استفاده از سایر مواد شیمیایی فرآیند نیست. اولتراسونیک یک وسیله موثر برای است کاتالیزورها را تمیز کنید یا به فرآیند بازیافت کاتالیزور کمک کنید. تمیز کردن اولتراسونیک است که احتمالا رایج ترین و شناخته شده ترین کاربرد از اولتراسونیک. برخورد جت های مایع حفره ای و امواج ضربه ای تا 104دستگاه خودپرداز می تواند نیروهای برشی موضعی، فرسایش و حفره های سطحی ایجاد کند. برای ذرات با اندازه ریز، برخورد بین ذرات با سرعت بالا منجر به فرسایش سطحی و حتی می شود سنگ زنی و فرز. این برخوردها می تواند باعث دمای ضربه گذرا محلی تقریبا 3000 کلوین شود. Suslick نشان داد, که ultrasonication به طور موثر پوشش های اکسید سطح را حذف می کند. حذف چنین پوشش های غیرفعال کننده به طور چشمگیری نرخ واکنش را برای طیف گسترده ای از واکنش ها بهبود می بخشد.Suslick 2008). استفاده از اولتراسونیک به کاهش مشکل رسوب یک کاتالیزور پراکنده جامد در طول کاتالیز کمک می کند و به تمیز کردن در طول فرآیند بازیافت کاتالیزور کمک می کند.
نمونه هایی از کاتالیز اولتراسونیک
نمونه های متعددی برای کاتالیز اولتراسونیک کمک و برای آماده سازی اولتراسونیک کاتالیزورهای ناهمگن وجود دارد. ما توصیه می کنیم سونوکاتالیز مقاله توسط کنت سوسلیک برای معرفی جامع. Hielscher راکتورهای اولتراسونیک را برای آماده سازی کاتالیزورها یا کاتالیز تامین می کند، مانند ترانس استریفیکاسیون کاتالیزوری برای تولید متیل استرها (یعنی متیل استر چرب = بیودیزل).
تجهیزات اولتراسونیک برای Sonocatalysis
Hielscher تولید کننده دستگاه های اولتراسونیک برای استفاده در هر مقیاسی و برای یک تنوع فرآیندها. این شامل فراصوت آزمایشگاه در ویال های کوچک و همچنین راکتورهای صنعتی و سلول های جریان. برای test فرآیند اولیه در مقیاس آزمایشگاهی UP400S (400 وات) بسیار مناسب است. می توان آن را برای فرآیندهای دسته ای و همچنین برای فراصوت درون خطی استفاده می شود. برای آزمایش فرآیند و بهینه سازی قبل از افزایش مقیاس، توصیه می کنیم از UIP1000hd (1000 وات)، زیرا این واحدها بسیار سازگار هستند و نتایج به صورت خطی برای هر ظرفیت بزرگتر مقیاس بندی می شوند. برای تولید در مقیاس کامل، ما دستگاه های اولتراسونیک تا سقف را ارائه می دهیم 10 کیلو وات . 16kW موجود است. قدرت اولتراسونیک. خوشه های چندین واحد از این دست ظرفیت های پردازش بسیار بالایی را ارائه می دهند.
ما خوشحال خواهیم شد که از آزمایش فرآیند ، بهینه سازی و افزایش مقیاس شما پشتیبانی کنیم. با ما صحبت کنید در مورد تجهیزات مناسب یا از آزمایشگاه فرآیند ما دیدن کنید.
ادبیات در مورد سونوکاتالیز و کاتالیز اولتراسونیک کمک
Suslick، K. S.; دیدنکو، ی.; نیش ، م. م. ؛ هیون ، تی. کولبک، ک. ج. مک نامارا ، دبلیو بی سوم ؛ Mdleleni, M. M.; وونگ، م. (1999): کاویتاسیون آکوستیک و پیامدهای شیمیایی آن ، در: Phil. Trans. روی. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick، K. S.; اسکرابالاک، س. ای. (2008): “سونوکاتالیز” در کتاب راهنمای کاتالیز ناهمگن، جلد 4; Ertl، G.; Knzinger, H.; Schth, F.; ویت کمپ ، ج. ، ویراستاران. Wiley-VCH: Weinheim ، 2008 ، صص 2006-2017.