Parempia Fischer-Tropsch-katalyyttejä ultraäänikäsittelyllä

Fischer-Tropsch-katalyyttien parannettu synteesi ultraäänellä: katalyyttihiukkasten ultraäänikäsittelyä käytetään useisiin tarkoituksiin. Ultraäänisynteesi auttaa valmistamaan muokattuja tai funktionalisoituja nanohiukkasia, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Käytetyt ja myrkyttyneet katalyytit voidaan regeneroida helposti ja nopeasti ultraäänellä tehtävällä pintakäsittelyllä, joka poistaa katalyytistä sen toimintaa estävät kertymät. Lisäksi agglomeraattien hajottaminen ja dispergointi ultraäänellä tuottavat tasaisen, monodisperssin katalyyttihiukkasjakauman, joka varmistaa suuren aktiivisen hiukkaspinta-alan ja tehokkaan aineensiirron optimaalista katalyyttistä konversiota varten.

Ultraäänellä tehtävän katalyyttien valmistuksen edut Fischer-Tropsch-prosesseissa

Ultraäänikäsittely tarjoaa merkittäviä etuja Fischer-Tropsch-katalyyttien synteesissä ensisijaisesti siksi, että sen avulla voidaan hallita tarkasti katalyytin morfologiaa ja aktiivisten kohtien jakautumista. Ultraääniaaltojen synnyttämä suurienerginen kavitaatio varmistaa nopean sekoittumisen ja lähtöaineiden agglomeraattien tehokkaan hajotuksen, mikä johtaa erittäin tasaiseen hiukkaskokojakaumaan ja suurempaan pinta-alaan. Tämä parantunut homogeenisuus tehostaa aktiivisten komponenttien dispergoitumista, mikä on ratkaisevan tärkeää käytettävissä olevien reaktiokohtien määrän maksimoimiseksi. Lisäksi hallittu sekoittumiskinetiikka johtaa usein erittäin stabiilien ja huokoisten rakenteiden muodostumiseen ja parantaa siten katalyytin katalyyttistä suorituskykyä, selektiivisyyttä ja pitkäaikaista stabiiliutta ankarissa reaktio-olosuhteissa.

Ultraäänen vaikutukset katalyytteihin

Suuritehoinen ultraääni tunnetaan hyvin myönteisestä vaikutuksestaan kemiallisiin reaktioihin. Kun voimakkaita ultraääniaaltoja johdetaan nestemäiseen väliaineeseen, syntyy akustista kavitaatiota. Ultraäänikavitaatio synnyttää paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, joissa lämpötilat ovat erittäin korkeita, jopa 5 000K, paineet noin 2 000atm ja nestesuihkujen nopeudet jopa 280m/s. Akustisen kavitaation ilmiötä ja sen vaikutuksia kemiallisiin prosesseihin kutsutaan sonokemiaksi.
Yleinen ultraäänen käyttökohde on heterogeenisten katalyyttien valmistus: ultraäänikavitaation voimat aktivoivat katalyytin pintaa, sillä kavitaatioeroosio muodostaa passivoitumattomia, erittäin reaktiivisia pintoja. Lisäksi turbulenttinen nestevirtaus parantaa aineensiirtoa merkittävästi. Akustisen kavitaation aiheuttamat voimakkaat hiukkastörmäykset poistavat jauhehiukkasten pinnan oksidikerroksia, jolloin katalyytin pinta aktivoituu uudelleen.
 

Palladiumilla seostetun katalyytin synteesi ultraäänilaitteella UIP1000hdT
Tutkimus ja kuva: ©Prekob et al., 2020

Fischer-Tropsch-katalyyttien valmistus ultraäänellä

Fischer-Tropsch-prosessi sisältää useita kemiallisia reaktioita, joissa hiilimonoksidin ja vedyn seos muunnetaan nestemäisiksi hiilivedyiksi. Fischer-Tropsch-synteesissä voidaan käyttää monenlaisia katalyyttejä, mutta yleisimmin käytetään siirtymämetalleja kobolttia, rautaa ja ruteniumia. Korkean lämpötilan Fischer-Tropsch-synteesi toteutetaan rautakatalyytillä.
Koska Fischer-Tropsch-katalyytit ovat alttiita rikkiä sisältävien yhdisteiden aiheuttamalle katalyyttimyrkytykselle, uudelleenaktivointi ultraäänellä on erittäin tärkeää täyden katalyyttisen aktiivisuuden ja selektiivisyyden säilyttämiseksi.

Ydin–kuorikatalyyttien synteesi ultraäänellä

Ydin–kuorinanorakenteet ovat nanohiukkasia, joita ympäröi ja suojaa ulkokuori. Kuori eristää nanohiukkaset toisistaan ja estää niiden siirtymisen ja yhteen sulautumisen katalyyttisten reaktioiden aikana

Pirola et al. (2010) ovat valmistaneet piidioksidikantajalle tuettuja rautapohjaisia Fischer-Tropsch-katalyyttejä, joiden aktiivisen metallin pitoisuus on suuri. Heidän tutkimuksensa osoittaa, että piidioksidikantajan ultraääniavusteinen impregnointi parantaa metallin saostumista ja lisää katalyytin aktiivisuutta. Fischer-Tropsch-synteesin tulokset ovat osoittaneet ultraäänikäsittelyllä valmistetut katalyytit tehokkaimmiksi erityisesti silloin, kun ultraääni-impregnointi tehdään argonatmosfäärissä.

Katalyyttien uudelleenaktivointi ultraäänellä

Hiukkasten pintakäsittely ultraäänellä on nopea ja helppo menetelmä käytettyjen ja passivoituneiden katalyyttien regenerointiin ja uudelleenaktivointiin. Katalyytin regeneroitavuus mahdollistaa sen uudelleenaktivoinnin ja uudelleenkäytön, joten regenerointi on taloudellinen ja ympäristöystävällinen prosessivaihe.
Hiukkasten ultraäänikäsittely poistaa katalyyttihiukkasista toimintaa estävät passivoivat kerrokset, kertymät ja epäpuhtaudet, jotka tukkivat katalyyttisen reaktion kohtia. Käytetyn katalyyttilietteen ultraäänikäsittely saa aikaan katalyyttihiukkasten pinnan suihkupesun, joka poistaa saostumia katalyyttisesti aktiivisista kohdista. Ultraäänikäsittelyn jälkeen katalyytin aktiivisuus palautuu yhtä tehokkaaksi kuin tuoreella katalyytillä. Lisäksi ultraäänikäsittely hajottaa agglomeraatteja ja tuottaa monodisperssien hiukkasten homogeenisen, tasaisen jakauman, mikä lisää hiukkasten pinta-alaa ja siten katalyyttisesti aktiivista pinta-alaa. Näin katalyyttien regenerointi ultraäänellä tuottaa regeneroituja katalyyttejä, joiden suuri aktiivinen pinta-ala parantaa aineensiirtoa.
Katalyyttien regenerointi ultraäänellä toimii mineraali- ja metallihiukkasille, (meso)huokoisille hiukkasille ja nanokomposiiteille.
Lue lisää käytettyjen katalyyttien regeneroinnista ultraäänellä!

Suorituskykyiset ultraäänilaitteet Fischer-Tropsch-katalyyttien sonokemialliseen synteesiin

Hielscher-ultraäänilaitteita suositaan katalyyttisynteesissä niiden vankan rakenteen, tarkkuuden ja skaalautuvuuden vuoksi, ja ne tarjoavat merkittäviä etuja yleiskäyttöisiin ultraäänikäsittelylaitteisiin verrattuna. Nämä laitteet tuottavat tarkasti hallittavaa ja voimakasta ultraäänienergiaa, mikä on ratkaisevan tärkeää lähtöaineiden tasaisen dispergoitumisen saavuttamiseksi ja katalyyttihiukkasten tarkan ydintymisen ja kasvun edistämiseksi. Kehittyneiden ohjausjärjestelmien avulla tutkijat voivat säätää tarkasti parametreja, kuten lähtötehoa ja pulssin kestoa, ja varmistaa toistettavat koetulokset – tämä on materiaalitieteessä keskeinen tekijä. Lisäksi Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan kestävyydestään ja kyvystään käsitellä eri mittakaavoja pienistä laboratorioeristä pilottilaitoksen toimintaan, mikä mahdollistaa lupaavien katalyyttiformulaatioiden tehokkaan siirtämisen laboratoriomittakaavan tutkimuksesta teollisiin sovelluksiin. Saksalaiset suunnittelu- ja valmistusstandardit varmistavat, että Hielscher-ultraäänilaitteita voidaan käyttää luotettavasti 24/7-käytössä raskaasti kuormitettuina.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.