Sonokatalyysi – Ultraäänellä avustettu katalyysi

Ultrasonication vaikuttaa katalyytin reaktiivisuuteen katalyysin aikana parantamalla massansiirtoa ja energian syöttöä. Heterogeenisessä katalyysissä, jossa katalyytti on eri vaiheessa kuin reagenssit, ultraäänidispersio lisää reagenssien käytettävissä olevaa pinta-alaa.

Sonokatalyysin tausta

Katalyysi on prosessi, jossa a kemiallinen reaktio lisääntyy (tai vähennetty) katalyytin avulla. Monien kemikaalien tuotantoon liittyy katalyysi. Vaikutus reaktionopeuteen riippuu reagenssien kosketustaajuudesta nopeuden määritysvaiheessa. Yleensä katalyytit lisäävät reaktionopeutta ja alentavat aktivointienergiaa tarjoamalla vaihtoehtoisen reaktioreitin reaktiotuotteelle. Tätä varten katalyytit reagoivat yhden tai useamman reagenssin kanssa muodostaen välituotteita, jotka myöhemmin antavat lopputuotteen. Jälkimmäinen vaihe regeneroi katalyytin. Ohi aktivointienergian alentaminen, useammalla molekyylitörmäyksellä on siirtymätilan saavuttamiseen tarvittava energia. Joissakin tapauksissa käytetään katalyyttejä, jotka muuttavat kemiallisen reaktion selektiivisyyttä.

Sitä kaavio oikealla kuvaa katalyytin vaikutusta kemiallisessa reaktiossa X+Y Z:n tuottamiseksi. Katalyytti tarjoaa vaihtoehtoisen reitin (vihreä), jolla on alhaisempi aktivointienergia Ea.

Ultrasonicationin vaikutukset

Nesteiden akustinen aallonpituus vaihtelee noin 110 - 0,15 mm taajuuksilla 18 kHz - 10 MHz. Tämä on huomattavasti molekyylimittojen yläpuolella. Tästä syystä akustista kenttää ei ole kytketty suoraan kemiallisen lajin molekyyleihin. Ultrasonicationin vaikutukset johtuvat suurelta osin ultraääni kavitaatio nesteissä. Siksi ultraäänellä avustettu katalyysi vaatii vähintään yhden reagenssin olevan nestefaasissa. Ultrasonication edistää heterogeenistä ja homogeenista katalyysiä monin tavoin. Yksittäisiä vaikutuksia voidaan edistää tai vähentää mukauttamalla ultraääniamplitudia ja nestepainetta.

Ultraäänidispergointi ja emulgointi

Kemialliset reaktiot, joihin liittyy reagensseja ja useamman kuin yhden faasin katalyytti (heterogeeninen katalyysi), rajoittuvat faasirajalle, koska tämä on ainoa paikka, jossa sekä reagenssi että katalyytti ovat läsnä. Reagenssien ja katalyytin altistuminen toisilleen on avaintekijä monissa monivaiheisissa kemiallisissa reaktioissa. Tästä syystä faasirajan erityinen pinta-ala vaikuttaa kemialliseen reaktionopeuteen.

Ultrasonication on erittäin tehokas keino Kiinteiden aineiden dispersio ja nesteiden emulgointi. Pienentämällä hiukkas-/pisarakokoa faasirajan kokonaispinta-ala kasvaa samanaikaisesti. Vasemmalla olevassa kuvassa näkyy hiukkaskoon ja pinta-alan välinen korrelaatio pallomaisten hiukkasten tai pisaroiden tapauksessa (Klikkaa nähdäksesi sen suurempana!). Kun faasin rajapinta kasvaa, kasvaa myös kemiallinen reaktionopeus. Monille materiaaleille ultraäänikavitaatio voi tehdä hiukkasia ja pisaroita erittäin hieno koko – usein huomattavasti alle 100 nanometriä. Jos dispersio tai emulsio muuttuu ainakin väliaikaisesti stabiiliksi, Ultraääniä voidaan tarvita vain alkuvaiheessa kemiallisesta reaktiosta. Inline-ultraäänireaktori reagenssien ja katalyytin alkusekoittamiseksi voi tuottaa hienokokoisia hiukkasia / pisaroita hyvin lyhyessä ajassa ja suurilla virtausnopeuksilla. Sitä voidaan soveltaa jopa erittäin viskoosiin väliaineisiin.

Massan siirto

Kun reagenssit reagoivat faasirajalla, kemiallisen reaktion tuotteet kerääntyvät kosketuspinnalle. Tämä estää muita reagenssimolekyylejä vuorovaikutuksesta tällä faasirajalla. Kavitaatiosuihkuvirtojen ja akustisen virtauksen aiheuttamat mekaaniset leikkausvoimat johtavat turbulenttiseen virtaukseen ja materiaalin kulkeutumiseen hiukkasten tai pisaroiden pinnoilta ja pinnoille. Pisaroiden tapauksessa korkea leikkaus voi johtaa uusien pisaroiden yhteensulautumiseen ja myöhempään muodostumiseen. Kun kemiallinen reaktio etenee ajan myötä, toistuvaa sonikaatiota, esimerkiksi kaksivaiheista tai kierrätystä, voidaan tarvita maksimoida reagenssien altistuminen.

energian syöttö

Ultraäänikavitaatio on ainutlaatuinen tapa Laita energiaa kemiallisiin reaktioihin. Nopeiden nestesuihkujen yhdistelmä, korkea paine (>1000atm) ja korkeissa lämpötiloissa (>5000K), valtavat lämmitys- ja jäähdytysnopeudet (>10⁹Ks^-1) esiintyy paikallisesti keskittyneenä kavitaatiokuplien implosiivisen puristuksen aikana. Kenneth Suslick Sanoo: “Kavitaatio on poikkeuksellinen menetelmä äänen hajaenergian keskittämiseksi kemiallisesti käyttökelpoiseen muotoon.”

Reaktiivisuuden lisääntyminen

Kavitaatioeroosio hiukkaspinnoilla tuottaa passiivisia, erittäin reaktiivisia pintoja. Lyhytikäiset korkeat lämpötilat ja paineet vaikuttavat molekyylien hajoaminen ja reaktiivisuuden lisääminen monista kemiallisista lajeista. Ultraäänisäteilytystä voidaan käyttää katalyyttien valmistuksessa, esimerkiksi hienokokoisten hiukkasten aggregaattien tuottamiseksi. Tämä tuottaa amorfisia katalyyttejä hiukkaset, joilla on korkea ominaispinta alue. Tämän aggregaattirakenteen ansiosta tällaiset katalyytit voidaan erottaa reaktiotuotteista (ts. suodattamalla).

ultraääni puhdistus

Usein katalyysiin liittyy ei-toivottuja sivutuotteita, kontaminaatioita tai epäpuhtauksia reagensseissa. Tämä voi johtaa hajoamiseen ja likaantumiseen kiinteiden katalyyttien pinnalla. Likaantuminen vähentää katalyytin paljasta pintaa ja vähentää siten sen tehokkuutta. Sitä ei tarvitse poistaa prosessin aikana eikä kierrätysvälein muilla prosessikemikaaleilla. Ultrasonication on tehokas keino puhdista katalyytit tai auta katalyytin kierrätysprosessissa. Ultraäänipuhdistus on luultavasti yleisin ja tunnetuin ultraäänisovellus. Kavitaationestesuihkujen ja jopa 10: n iskuaaltojen vaikutus⁴ATM voi luoda paikallisia leikkausvoimia, eroosiota ja pinnan kuoppaa. Pienikokoisten hiukkasten kohdalla nopeat hiukkasten väliset törmäykset johtavat pinnan eroosioon ja jopa hionta ja jyrsintä. Nämä törmäykset voivat aiheuttaa paikallisia ohimeneviä törmäyslämpötiloja, jotka ovat noin 3000K. Suslick osoitti, että ultrasonication tehokkaasti poistaa pintaoksidipinnoitteet. Tällaisten passivoivien pinnoitteiden poistaminen parantaa dramaattisesti reaktionopeuksia monenlaisissa reaktioissa (Suslick 2008). Ultraäänilaitteiden käyttö auttaa vähentämään kiinteän dispergoidun katalyytin likaantumisongelmaa katalyysin aikana ja edistää puhdistusta katalyytin kierrätysprosessin aikana.

Esimerkkejä ultraäänikatalyysistä

On olemassa lukuisia esimerkkejä ultraäänellä avustetusta katalyysistä ja heterogeenisten katalyyttien ultraäänivalmistuksesta. Suosittelemme Sonokatalyysi Kenneth Suslickin artikkeli kattavaa esittelyä varten. Hielscher toimittaa ultraäänireaktoreita katalyyttien tai katalyysin valmistukseen, kuten katalyyttinen transesteröinti metyyliestereiden (rasvametyyliesteri = biodieseli) tuotantoa varten.

Ultraäänilaitteet sonokatalyysiin

Hielscher valmistaa ultraäänilaitteita käytettäväksi osoitteessa mikä tahansa asteikko ja foorumit erilaisia prosesseja. Tähän sisältyy: Lab-sonikaatio pienissä injektiopulloissa sekä Teollisuusreaktorit ja virtauskennot. Laboratoriomittakaavassa tehtävää prosessin alkutestiä varten UP400S (400 wattia) on erittäin sopiva. Sitä voidaan käyttää eräprosesseihin sekä inline-sonikaatioon. Prosessitestaukseen ja optimointiin ennen skaalausta suosittelemme UIP1000hd (1000 wattia), koska tämä yksikkö on hyvin mukautuva ja tulokset voidaan skaalata lineaarisesti mihin tahansa suurempaan kapasiteettiin. Täysimittaiseen tuotantoon tarjoamme ultraäänilaitteita, jotka voivat olla jopa 10kW ja 16kW ultraääniteho. Useiden tällaisten yksiköiden klusterit tarjoavat erittäin suuren käsittelykapasiteetin.

Tuemme mielellämme prosessitestausta, optimointia ja skaalautumista. Keskustele kanssamme sopivista laitteista tai Vieraile prosessilaboratoriossamme.

Sonokatalyysiä ja ultraäänellä avustettua katalyysiä käsittelevä kirjallisuus

Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akustinen kavitaatio ja sen kemialliset seuraukset, julkaisussa: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonokatalyysi” Julkaisussa Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., toim.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.