Sonocatalysis – Ultraäänellä Assisted katalyysi

Ultrasonication vaikuttaa katalyytin reaktiivisuuteen katalyysin aikana parannetun massansiirron ja energian syöttönä. Heterogeenisessä katalyytissä, jossa katalyytti on eri faasissa reagoiville aineille, ultraäänidispersio kasvattaa reaktanttien käytettävissä olevaa pinta-alaa.

Sonokatalyysin tausta

Katalyytti on prosessi, jossa a kemiallinen reaktio lisääntyy (tai vähentynyt) katalyytin avulla. Monien kemikaalien tuotanto sisältää katalyysin. Reaktionopeuteen vaikutus riippuu reaktanttien kosketuksen taajuudesta nopeuden määritysvaiheessa. Yleensä katalyytit lisäävät reaktionopeutta ja alentavat aktivointienergiaa tarjoamalla vaihtoehtoisen reaktion reitti reaktiotuotteelle. Tällöin katalyytit reagoivat yhden tai useamman reagenssin kanssa välituotteiden muodostamiseksi, jotka sitten antavat lopullisen tuotteen. Viimeksi mainittu vaihe regeneroi katalyytin. mennessä vähentää aktivointienergiaa, enemmän molekyylisiä törmäyksiä on tarvittava energia siirtymätilan saavuttamiseksi. Joissakin tapauksissa käytetään katalyyttejä kemiallisen reaktion selektiivisyyden muuttamiseksi.

Nniiden kaavio oikealle kuvaa katalyytin vaikutusta kemialliseen reaktioon X + Y tuottamaan Z. Katalyytti tarjoaa vaihtoehtoisen reitin (vihreä), jolla on alempi aktivointienergia Ea.

Ultrasonication vaikutukset

Akustinen aallonpituus nesteissä vaihtelee n. 110-0,15 mm taajuuksilla välillä 18kHz ja 10MHz. Tämä on huomattavasti yli molekyylimittojen. Tästä syystä akustista kenttää ei ole suoraan kytkentää kemiallisen lajin molekyylejä. Ultraäänen vaikutukset ovat suurelta osin seurausta Ultraääni kavitaatio nesteissä. Siksi ultrasonically assisted catalysis vaatii ainakin yhden reagenssin olevan nestemäisessä faasissa. Ultrasonication edistää heterogeenistä ja homogeenista katalyysiä monin tavoin. Yksittäisiä vaikutuksia voidaan edistää tai vähentää ultraäänen amplitudin ja nesteen paineen säätämiseksi.

Ultrasonic Dispersing ja Emulsifying

Kemialliset reaktiot, joihin liittyy reagensseja ja katalysaattoria, joissa on enemmän kuin yksi vaihe (heterogeeninen katalyysi), rajoittuvat vaiheen rajaan, koska tämä on ainoa paikka, jossa reagenssi ja katalysaattori ovat läsnä. Reagenssien ja katalysaattorin altistuminen toisilleen on tärkeä tekijä monien monivaiheisten kemiallisten reaktioiden kannalta. Tästä syystä vaiherajan erityinen pinta-ala vaikuttaa vaikutusreaktion kemialliseen nopeuteen.

Ultrasonication on erittäin tehokas keino kiintoaineiden dispergoituminen ja nesteiden emulgointi. Vähentämällä hiukkasten/pisaroiden kokoa vaiheen rajan kokonaispinta-ala kasvaa samanaikaisesti. Vasemmalla olevassa kuvassa näkyy hiukkaskoon ja pinta-alan välinen korrelaatio pallomaisten hiukkasten tai pisaroiden osalta (Klikkaa suuremmaksi!). Kun vaiherajapinta kasvaa, myös kemiallinen reaktionopeus kasvaa. Monille materiaaleille ultraääni kavitaatio voi tehdä hiukkasia ja pisaroita erittäin hieno koko – usein huomattavasti alle 100 nanometriä. Jos dispersio tai emulsio muuttuu ainakin tilapäisesti stabiiliksi, ultraääni voidaan vaatia vain alkuvaiheessa kemiallisesta reaktiosta. Inline-ultraäänireaktori reagenssien ja katalyytin ensi-sekoittumiselle voi tuottaa pienikokoisia hiukkasia / pisaroita hyvin lyhyessä ajassa ja suurilla virtausnopeuksilla. Sitä voidaan soveltaa myös erittäin viskoosiin materiaaleihin.

Joukkoliikenne

Kun reagenssit reagoivat vaiherajalla, kemiallisen reaktion tuotteet kerääntyvät kosketuspintaan. Tämä estää muita reagenssimolekyylejä vuorovaikutuksesta tässä vaiheessa. Kavitaatiosuihkuvirtojen ja akustisen suoratoiston aiheuttamat mekaaniset leikkausvoimat johtavat myrskyisään virtaus- ja materiaalikuljetukseen hiukkas- tai pisarapinnoista ja pisaroille. Pisaroiden tapauksessa korkea leikkaus voi johtaa uusien pisaroiden yhdistymiseen ja myöhempään muodostumiseen. Kemiallisen reaktion edetessä ajan myötä toistuva sonikaatio, esimerkiksi kaksivaiheinen tai maksimoi reagenssien altistuminen.

Energian syöttö

Ultraääni kavitaatio on ainutlaatuinen tapa laittaa energia kemiallisiin reaktioihin. Nopeiden nestesuihkukoneiden, korkeapaineisten (>1000m) ja korkeat lämpötilat (>5000K), valtavat lämmitys- ja jäähdytysnopeudet (>10⁹KS^-1) esiintyvät paikallisesti keskittyneinä kavitaation kuplien implisoivaan puristukseen. Kenneth Suslick Sanoo: “Kavitaatio on poikkeuksellinen menetelmä, jolla äänen hajakuormitusenergia keskitetään kemiallisesti käyttökelpoiseen muotoon.”

Reaktion lisääntyminen

Cavitational eroosio hiukkasen pinnoille luo unpassivated, erittäin reaktiivisia pintoja. Lyhytikäiset korkeat lämpötilat ja paineet edistävät sitä molekulaarinen hajoaminen ja lisää reaktiivisuutta monista kemiallisista lajeista. Ultraäänitutraatiota voidaan käyttää katalyyttien valmistuksessa esim. Hienokokoisten hiukkasten aggregaattien tuottamiseksi. Tämä tuottaa amorfisia katalyyttejä suuren ominaispinnan hiukkasia alueella. Tämän aggregaattisen rakenteen ansiosta tällaiset katalysaattorit voidaan erottaa reaktiotuotteista (ts. Suodattamalla).

Ultraäänipuhdistus

Usein katalyysi sisältää ei-toivottuja sivutuotteita, kontaminaatioita tai epäpuhtauksia reagensseissa. Tämä voi johtaa hajoamiseen ja likaantumiseen kiinteiden katalyyttien pinnalla. Likaannus vähentää altistunutta katalysaattorin pintaa ja vähentää siten sen tehokkuutta. Sitä ei tarvitse poistaa prosessin aikana eikä kierrätysväleissä muilla prosessikemikillä. Ultrasonication on tehokas keino puhtaita katalyyttejä tai auttaa katalyytin kierrätysprosessia. Ultraäänipuhdistus on luultavasti yleisintä ja tunnettua ultraäänitutkimusta. Kavitaatioisten nestemäisten suihkun ja iskun aallon aiheuttamat törmäykset korkeintaan kymmeneen⁴Atm voi luoda paikallisia leikkausvoimia, eroosion ja pinnan pinnan. Pienikokoisille hiukkasille nopeiden osapuolten väliset törmäykset aiheuttavat pinnan eroosiota ja jopa tasaisuutta jauhaminen ja jyrsintä. Nämä törmäykset voivat aiheuttaa paikallisia ohimeneviä iskulujuuslämpötiloja n. 3000K. Suslick osoitti, että ultrasonication tehokkaasti poistaa pintaoksidipäällysteet. Tällaisten passivoivien päällysteiden poisto dramaattisesti parantaa reaktionopeuksia monenlaisille reaktioille (Suslick 2008-moottori). Ultraäänitutkimuksen avulla voidaan laskea kiinteän hajotetun katalyytin likaantumisongelma katalyytin aikana ja edistää puhdistusta katalyytin kierrätysprosessin aikana.

Esimerkkejä ultraäänikatalyysi

On olemassa lukuisia esimerkkejä ultrasonisesti avustetulle katalyytille ja heterogeenisten katalyyttien ultraäänimittaukselle. Suosittelemme Sonocatalysis artikkeli Kenneth Suslick kattavaa käyttöönottoa varten. Hielscher toimittaa ultraäänireaktoreita katalyyttien tai katalyyttien valmistamiseksi, kuten katalyyttinen transesteröinti metyyliestereiden tuottamiseksi (esim. rasva-metyyliesteri = biodieseli).

Ultrasonic laitteet Sonocatalysis

Hielscher valmistaa ultraäänilaitteita mikä tahansa asteikko ja a erilaisia ​​prosesseja. Tämä sisältää Lab Ultra äänellä pienissä pulloissa samoin kuin teollisuusreaktoreista ja virtaussoluista. Ensimmäisen prosessitestin laboratoriotasossa UP400S (400 wattia) on erittäin sopiva. Sitä voidaan käyttää eräprosesseihin sekä inline-sonikointiin. Prosessitestauksessa ja optimoinnissa ennen asteittaista käyttöönottoa suosittelemme käyttämään UIP1000hd (1000 wattia), koska nämä yksiköt ovat hyvin mukautuvia ja tuloksia skaalataan lineaarisesti suuremmalle kapasiteetille. Täyden mittakaavan tuotantoon tarjoamme ultraäänilaitteita jopa 10kW ja 16kW ultraääni teho. Useiden tällaisten yksiköiden klusterit tarjoavat erittäin suuria käsittelykapasiteetteja.

Pidämme mielellämme prosessin testauksen, optimoinnin ja laajentamisen. Puhu meille sopivista laitteista tai käy prosessilaboratoriossa.

Kirjallisuus Sonocatalysis ja Ultrasonically Assisted Catalysis

Suslick, KS; Didenko, Y .; Fang, MM; Hyeon, T .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akustinen kavitaatio ja sen kemialliset seuraukset, julkaisussa: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335 - 353.

Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonocatalysis” Käsikirjassa Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., toim. Wiley-VCH: Weinheim, 2008, s. 2006-2017.