Technologie des ultrasons Hielscher

Sonocatalyse – Catalyse assistée par ultrasons

Ultrasons affecte la réactivité du catalyseur au cours de la catalyse par transfert de masse accrue et l'apport d'énergie. En catalyse hétérogène, où le catalyseur se trouve dans une phase différente pour les réactifs, dispersion à ultrasons augmente la zone de surface disponible pour les réactifs.

Arrière-plan de Catalyse

La catalyse est procédé dans lequel le taux d'un réaction chimique est augmentée (Ou moins) au moyen d'un catalyseur. La production de nombreux produits chimiques implique la catalyse. L'influence sur la vitesse de réaction dépend de la fréquence de contact des réactifs dans l'étape de détermination de vitesse. En général, les catalyseurs augmentent la vitesse de réaction et réduire l'énergie d'activation en fournissant une voie de réaction alternative au produit de réaction. Pour cela, les catalyseurs réagissent avec un ou plusieurs réactifs pour former des intermédiaires qui donnent ensuite le produit final. Cette dernière étape régénère le catalyseur. Par abaisser l'énergie d'activation, Les collisions moléculaires plus ont l'énergie nécessaire pour atteindre l'état de transition. Dans certains cas, les catalyseurs sont utilisés le changement de la sélectivité d'une réaction chimique.

Le diagramme illustre l'effet d'un catalyseur dans une réaction chimique X + Y pour produire Z Le diagramme vers la droite illustre l'effet d'un catalyseur dans une réaction chimique X + Y pour produire Z. Le catalyseur fournit une voie alternative (vert) avec une activation plus faible énergie Ea.

Effets de Ultrasons

La longueur d'onde acoustique dans les liquides varie d'environ 110 à 0,15 mm pour des fréquences comprises entre 18 kHz et 10 MHz. C'est nettement supérieur aux dimensions moléculaires. Pour cette raison, il n'y a pas de couplage direct du champ acoustique avec les molécules d'une espèce chimique. Les effets de l'ultrasonisation sont, dans une large mesure, le résultat de l'action de l cavitation à ultrasons dans les liquides. Par conséquent, la catalyse assistée par ultrasons nécessite au moins un réactif pour être en phase liquide. Ultrasons contribue à la catalyse hétérogène et homogène De plusieurs façons. Les effets individuels peuvent être promus ou réduits adapter l'amplitude ultrasonique et la pression du liquide.

Ultrasons et émulsionner Dispersant

Les réactions chimiques impliquant des réactifs et un catalyseur de plus d'une phase (catalyse hétérogène) sont limitées à la limite de la phase car c'est le seul endroit où le réactif ainsi que le catalyseur sont présents. L'exposition des réactifs et du catalyseur l'un à l'autre est une facteur clé pour de nombreuses réactions chimiques à phases multiples. Pour cette raison, la surface spécifique de la limite de phase devient influente du taux chimique de la réaction.

Un graphique montre la corrélation entre la taille des particules et la surfaceUltrasons est un moyen très efficace pour la dispersion des solides et pour la émulsification des liquides. En réduisant la taille des particules/gouttelettes, la surface totale de la limite de phase augmente en même temps. Le graphique de gauche montre la corrélation entre la taille des particules et la surface spécifique dans le cas de particules ou de gouttelettes sphériques (Cliquez pour agrandir!). Plus la surface limite de phase augmente, plus le taux de réaction chimique augmente. Pour de nombreux matériaux, la cavitation ultrasonique peut produire des particules et des gouttelettes de très belle taille – souvent nettement inférieur à 100 nanomètres. Si la dispersion ou l'émulsion devient au moins temporairement stable, l'application de peut être nécessaire ultrason que lors d'une phase initiale de la réaction chimique. Un réacteur à ultrasons en ligne pour le mélange initial des réactifs et le catalyseur peut générer de fines particules de taille / forme de gouttelettes dans le temps très court et à des débits élevés. Il peut même être appliquée à des milieux très visqueux.

Transfert de masse

Lorsque les réactifs réagissent à une limite de phase, les produits de la réaction chimique s'accumulent à la surface de contact. Cela empêche les autres molécules de réactifs d'interagir à cette limite de phase. Les forces de cisaillement mécaniques causées par les jets cavitationnels et les jets acoustiques entraînent un écoulement turbulent et le transport du matériau depuis et vers les surfaces des particules ou des gouttelettes. Dans le cas des gouttelettes, le fort cisaillement peut entraîner la coalescence et la formation subséquente de nouvelles gouttelettes. Au fur et à mesure que la réaction chimique progresse dans le temps, une sonication répétée, par exemple en deux étapes ou par recirculation, peut être nécessaire pour maximiser l'exposition des réactifs.

l'énergie d'entrée

cavitation à ultrasons est un moyen unique de mettre l'énergie dans les réactions chimiques. Une combinaison de jets de liquide à grande vitesse, haute pression (>1000atm) et des températures élevées (>5000K), d'énormes taux de chauffage et de refroidissement (>dix9ks-1) Se produisent localement concentrée au cours de la compression implosion de bulles de cavitation. Kenneth Suslick says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable form."

Augmentation de la réactivité

l'érosion de cavitation sur les surfaces des particules génère non passive, des surfaces hautement réactives. Les températures élevées de courte durée et les pressions contribuent à décomposition moléculaire et augmenter la réactivité de nombreuses espèces chimiques. irradiation par ultrasons peut être utilisé dans la préparation de catalyseurs, par exemple, pour produire des agrégats de fines particules de taille. Cela produit des catalyseurs amorphes des particules de surface spécifique élevée région. En raison de cette structure d'agrégat, de tels catalyseurs peuvent être séparés des produits de réaction (par exemple par filtration).

Nettoyage à ultrasons

Souvent, la catalyse implique des sous-produits indésirables, des contaminations ou des impuretés dans les réactifs. Cela peut entraîner la dégradation et l'encrassement de la surface des catalyseurs solides. L'encrassement réduit la surface exposée du catalyseur et donc son efficacité. Il n'a pas besoin d'être enlevé pendant le processus ou à intervalles réguliers en utilisant d'autres produits chimiques du processus. L'ultrasonisation est un moyen efficace pour catalyseurs propres ou aider le processus de recyclage de catalyseur. Le nettoyage par ultrasons est probablement l'application la plus courante et connue des ultrasons. L'impact des jets de liquide de cavitation et des ondes de choc allant jusqu'à 104atm peut créer des forces de cisaillement localisées, l'érosion et les piqûres de surface. Pour les particules fines de taille, vitesse élevée des collisions entre les particules conduisent à une érosion de surface et même Broyage. Ces collisions peuvent provoquer des températures d'impact transitoires locales d'env. 3000K. Suslick démontré que ultrasonication efficacement élimine les couches d'oxyde de surface. La suppression de ces revêtements de passivation améliore considérablement les vitesses de réaction pour une grande variété de réactions (Suslick 2008). L'application des ultrasons permet de réduire le problème d'encrassement d'un catalyseur solide dispersée au cours de la catalyse et contribue au nettoyage pendant le processus de recyclage de catalyseur.

Des exemples de Catalyse à ultrasons

Il existe de nombreux exemples pour la catalyse assistée par ultrasons et pour la préparation aux ultrasons de catalyseurs hétérogènes. Nous recommandons Sonocatalyse article de Kenneth Suslick pour une introduction complète. Hielscher fournit des réacteurs à ultrasons pour la préparation de catalyseurs ou la catalyse, comme le transestérification catalytique pour la production de méthylesters (à savoir l'ester méthylique gras = biodiesel).

Equipement ultrasonique pour Sonocatalysis

Réacteur à ultrasons avec 7 x 1kW processeurs à ultrasons UIP1000hdHielscher fabrique des appareils à ultrasons pour l'utilisation à une échelle et pour une variété de processus. Ceci comprend sonication laboratoire dans de petits flacons, ainsi que réacteurs industriels et cellules d'écoulement. Pour l'essai de processus initial à l'échelle laboratoire du UP400S (400 watts) est très approprié. Il peut être utilisé pour les processus de traitement par lots, ainsi que pour sonication en ligne. Pour les tests et l'optimisation des processus avant échelle jusqu'à, nous vous recommandons d'utiliser la UIP1000hd (1000 watts), Comme cela est très adaptable unités et les résultats con être mise à l'échelle linéaire à une plus grande capacité. Pour la production à grande échelle, nous proposons des appareils à ultrasons jusqu'à 10 kW et 16 kW puissance à ultrasons. Des groupes de plusieurs de ces unités offrent des capacités de traitement très élevées.

Nous serons heureux de soutenir vos tests de processus, l'optimisation et l'échelle. Parle-nous équipement adapté au sujet ou visitez notre laboratoire de processus.

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La littérature sur Catalyse assistée Sonocatalysis et ultra-sons

Suslick, K. S .; Didenko, Y .; Fang, M. M .; Hyeon, T .; Kolbeck, K. J .; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M .; Wong, M. (1999): Acoustique Cavitation et ses conséquences chimiques, en: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S;. Skrabalak, S. E. (2008): "Sonocatalysis" Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp 2006-2017..