sonocatalysis – અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ કેટાલિસિસ
અલ્ટ્રાસોનિકેશન ઉન્નત માસ-ટ્રાન્સફર અને એનર્જી ઇનપુટ દ્વારા ઉત્પ્રેરક દરમિયાન ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયાને અસર કરે છે. વિજાતીય ઉત્પ્રેરકમાં, જ્યાં ઉત્પ્રેરક રિએક્ટન્ટ્સથી અલગ તબક્કામાં હોય છે, અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપ રિએક્ટન્ટ્સ માટે ઉપલબ્ધ સપાટી વિસ્તારને વધારે છે.
Sonocatalysis ની પૃષ્ઠભૂમિ
કેટાલિસિસ એવી પ્રક્રિયા છે જેમાં દર એ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા વધે છે (અથવા ઘટાડો) ઉત્પ્રેરક દ્વારા. ઘણા રસાયણોના ઉત્પાદનમાં ઉત્પ્રેરકનો સમાવેશ થાય છે. પ્રતિક્રિયા દર પરનો પ્રભાવ દર-નિર્ધારિત પગલામાં રિએક્ટન્ટ્સના સંપર્કની આવર્તન પર આધારિત છે. સામાન્ય રીતે, ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયા દરમાં વધારો કરે છે અને પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનને વૈકલ્પિક પ્રતિક્રિયા માર્ગ પ્રદાન કરીને સક્રિયકરણ ઊર્જા ઘટાડે છે. આ માટે ઉત્પ્રેરકો એક અથવા વધુ રિએક્ટન્ટ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને મધ્યવર્તી બનાવે છે જે પછીથી અંતિમ ઉત્પાદન આપે છે. પછીનું પગલું ઉત્પ્રેરકને પુનર્જીવિત કરે છે. દ્વારા સક્રિયકરણ ઊર્જા ઘટાડીને, વધુ પરમાણુ અથડામણમાં સંક્રમણ અવસ્થા સુધી પહોંચવા માટે જરૂરી ઊર્જા હોય છે. કેટલાક કિસ્સાઓમાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાની પસંદગીને બદલવા માટે ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
આ રેખાકૃતિ જમણી બાજુએ Z પેદા કરવા માટે X+Y રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાં ઉત્પ્રેરકની અસર દર્શાવે છે. ઉત્પ્રેરક નીચા સક્રિયકરણ ઊર્જા Ea સાથે વૈકલ્પિક માર્ગ (લીલો) પૂરો પાડે છે.
અલ્ટ્રાસોનિકેશનની અસરો
પ્રવાહીમાં એકોસ્ટિક વેવલેન્થ આશરે થી લઈને છે. 18kHz અને 10MHz વચ્ચેની ફ્રીક્વન્સીઝ માટે 110 થી 0.15mm. આ પરમાણુ પરિમાણોથી નોંધપાત્ર રીતે ઉપર છે. આ કારણોસર, રાસાયણિક પ્રજાતિના અણુઓ સાથે એકોસ્ટિક ક્ષેત્રનું કોઈ સીધું જોડાણ નથી. અલ્ટ્રાસોનિકેશનની અસરો મોટા પ્રમાણમાં પરિણામે છે અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ પ્રવાહીમાં. તેથી, અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ કેટાલિસિસ માટે પ્રવાહી તબક્કામાં ઓછામાં ઓછું એક રીએજન્ટ હોવું જરૂરી છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન વિજાતીય અને સજાતીય ઉત્પ્રેરકમાં ફાળો આપે છે ઘણી રીતે. અલ્ટ્રાસોનિક કંપનવિસ્તાર અને પ્રવાહી દબાણને સ્વીકારીને વ્યક્તિગત અસરોને પ્રોત્સાહન આપી શકાય છે અથવા ઘટાડી શકાય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સિંગ અને ઇમલ્સિફાઇંગ
રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ જેમાં રીએજન્ટ અને એક કરતા વધુ તબક્કાના ઉત્પ્રેરક (વિજાતીય ઉત્પ્રેરક)નો સમાવેશ થાય છે તે તબક્કાની સીમા સુધી મર્યાદિત છે કારણ કે આ એકમાત્ર જગ્યા છે જ્યાં રીએજન્ટ તેમજ ઉત્પ્રેરક હાજર હોય છે. રીએજન્ટ્સ અને ઉત્પ્રેરકનું એકબીજા સાથે એક્સપોઝર એ છે ઘણા મલ્ટી-ફેઝ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે મુખ્ય પરિબળ. આ કારણોસર, તબક્કાની સીમાનો ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર પ્રતિક્રિયાના રાસાયણિક દર માટે પ્રભાવશાળી બને છે.
માટે અલ્ટ્રાસોનિકેશન એ ખૂબ જ અસરકારક માધ્યમ છે ઘન પદાર્થોનું વિક્ષેપ અને માટે પ્રવાહીનું સ્નિગ્ધકરણ. કણો/ટીપું કદ ઘટાડીને, તબક્કાની સીમાનો કુલ સપાટી વિસ્તાર તે જ સમયે વધે છે. ડાબી બાજુનું ગ્રાફિક ગોળાકાર કણો અથવા ટીપું (મોટા દૃશ્ય માટે ક્લિક કરો!). જેમ જેમ તબક્કાની સીમાની સપાટી વધે છે તેમ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દર પણ વધે છે. ઘણી સામગ્રી માટે અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ કણો અને ટીપું બનાવી શકે છે ખૂબ જ સુંદર કદ – ઘણીવાર નોંધપાત્ર રીતે 100 નેનોમીટરથી નીચે. જો વિક્ષેપ અથવા પ્રવાહી મિશ્રણ ઓછામાં ઓછા અસ્થાયી રૂપે સ્થિર બને છે, ની અરજી અલ્ટ્રાસોનિક્સ ફક્ત પ્રારંભિક તબક્કામાં જ જરૂરી હોઈ શકે છે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા. રીએજન્ટ અને ઉત્પ્રેરકના પ્રારંભિક મિશ્રણ માટે એક ઇનલાઇન અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટર ખૂબ જ ટૂંકા સમયમાં અને ઉચ્ચ પ્રવાહ દરે દંડ કદના કણો/ટીપું પેદા કરી શકે છે. તે અત્યંત ચીકણું માધ્યમો પર પણ લાગુ કરી શકાય છે.
માસ-ટ્રાન્સફર
જ્યારે રીએજન્ટ્સ તબક્કાની સીમા પર પ્રતિક્રિયા કરે છે, ત્યારે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાના ઉત્પાદનો સંપર્ક સપાટી પર એકઠા થાય છે. આ અન્ય રીએજન્ટ પરમાણુઓને આ તબક્કાની સીમા પર ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા અટકાવે છે. કેવિટેશનલ જેટ સ્ટ્રીમ્સ અને એકોસ્ટિકલ સ્ટ્રીમિંગને કારણે યાંત્રિક શીયર ફોર્સ અશાંત પ્રવાહમાં પરિણમે છે અને કણો અથવા ટીપું સપાટીથી અને ત્યાં સુધી સામગ્રી પરિવહન કરે છે. ટીપાંના કિસ્સામાં, ઉચ્ચ શીયર એકીકરણ અને ત્યારબાદ નવા ટીપાંની રચના તરફ દોરી શકે છે. જેમ જેમ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા સમય જતાં આગળ વધે છે તેમ, પુનરાવર્તિત સોનિકેશન, દા.ત. દ્વિ-તબક્કા અથવા પુન: પરિભ્રમણની જરૂર પડી શકે છે. રીએજન્ટ્સના એક્સપોઝરને મહત્તમ કરો.
એનર્જી ઇનપુટ
અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણ એ એક અનન્ય રીત છે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાં ઊર્જા મૂકો. હાઇ સ્પીડ લિક્વિડ જેટનું મિશ્રણ, ઉચ્ચ દબાણ (>1000atm) અને ઉચ્ચ તાપમાન (>5000K), પ્રચંડ ગરમી અને ઠંડક દરો (>109Ks-1) કેવિટેશનલ બબલ્સના વિસ્ફોટક સંકોચન દરમિયાન સ્થાનિક રીતે કેન્દ્રિત થાય છે. કેનેથ સુસ્લિક કહે છે: “પોલાણ એ ધ્વનિની પ્રસરેલી ઊર્જાને રાસાયણિક રીતે ઉપયોગી સ્વરૂપમાં કેન્દ્રિત કરવાની અસાધારણ પદ્ધતિ છે.”
પ્રતિક્રિયાશીલતામાં વધારો
કણોની સપાટી પર કેવિટેશનલ ધોવાણ બિનઉપયોગી, અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ સપાટીઓ બનાવે છે. અલ્પજીવી ઊંચા તાપમાન અને દબાણ ફાળો આપે છે મોલેક્યુલર વિઘટન અને પ્રતિક્રિયાશીલતામાં વધારો ઘણી રાસાયણિક પ્રજાતિઓમાંથી. અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનનો ઉપયોગ ઉત્પ્રેરકની તૈયારીમાં થઈ શકે છે, દા.ત. ઝીણા કદના કણોના એકત્રીકરણ માટે. આ આકારહીન ઉત્પ્રેરક ઉત્પન્ન કરે છે ઉચ્ચ વિશિષ્ટ સપાટીના કણો વિસ્તાર. આ એકંદર રચનાને લીધે, આવા ઉત્પ્રેરકને પ્રતિક્રિયા ઉત્પાદનો (એટલે કે ગાળણ દ્વારા) અલગ કરી શકાય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ
ઘણીવાર ઉત્પ્રેરકમાં અનિચ્છનીય ઉપ-ઉત્પાદનો, દૂષણો અથવા રીએજન્ટ્સમાં અશુદ્ધિઓનો સમાવેશ થાય છે. આ ઘન ઉત્પ્રેરકની સપાટી પર અધોગતિ અને ફાઉલિંગ તરફ દોરી શકે છે. ફાઉલિંગ ખુલ્લી ઉત્પ્રેરક સપાટીને ઘટાડે છે અને તેથી તેની કાર્યક્ષમતા ઘટાડે છે. તેને પ્રક્રિયા દરમિયાન અથવા અન્ય પ્રક્રિયા રસાયણોનો ઉપયોગ કરીને રિસાયક્લિંગ અંતરાલોમાં દૂર કરવાની જરૂર નથી. અલ્ટ્રાસોનિકેશન એ એક અસરકારક માધ્યમ છે ઉત્પ્રેરક સાફ કરો અથવા ઉત્પ્રેરક રિસાયક્લિંગ પ્રક્રિયામાં સહાય કરો. અલ્ટ્રાસોનિક સફાઈ એ કદાચ અલ્ટ્રાસોનિક્સની સૌથી સામાન્ય અને જાણીતી એપ્લિકેશન છે. કેવિટેશનલ લિક્વિડ જેટ અને 10 સુધીના આંચકા તરંગોનો અવરોધ4એટીએમ સ્થાનિક શીયર ફોર્સ, ઇરોશન અને સરફેસ પિટિંગ બનાવી શકે છે. સૂક્ષ્મ કદના કણો માટે, હાઇ સ્પીડ આંતર-કણોની અથડામણ સપાટીના ધોવાણ તરફ દોરી જાય છે અને તે પણ ગ્રાઇન્ડીંગ અને મિલિંગ. આ અથડામણો આશરે સ્થાનિક ક્ષણિક અસર તાપમાનનું કારણ બની શકે છે. 3000K. Suslick દર્શાવ્યું, કે ultrasonication અસરકારક રીતે સપાટીના ઓક્સાઇડ કોટિંગ્સને દૂર કરે છે. આવા પેસિવેટિંગ કોટિંગ્સને દૂર કરવાથી વિવિધ પ્રકારની પ્રતિક્રિયાઓ માટે પ્રતિક્રિયા દરમાં નોંધપાત્ર સુધારો થાય છે (સસ્લિક 2008). અલ્ટ્રાસોનિક્સનો ઉપયોગ ઉત્પ્રેરક દરમિયાન ઘન વિખરાયેલા ઉત્પ્રેરકની ફાઉલિંગ સમસ્યાને ઘટાડવામાં મદદ કરે છે અને ઉત્પ્રેરક રિસાયક્લિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન સફાઈમાં ફાળો આપે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક કેટાલિસિસના ઉદાહરણો
અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ કેટાલિસિસ અને વિજાતીય ઉત્પ્રેરકની અલ્ટ્રાસોનિક તૈયારી માટે અસંખ્ય ઉદાહરણો છે. અમે ભલામણ કરીએ છીએ sonocatalysis કેનેથ સુસ્લિક દ્વારા લેખ વ્યાપક પરિચય માટે. Hielscher ઉત્પ્રેરક અથવા ઉત્પ્રેરકની તૈયારી માટે અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટર સપ્લાય કરે છે, જેમ કે મેથિલેસ્ટરના ઉત્પાદન માટે ઉત્પ્રેરક ટ્રાન્સસ્ટેરિફિકેશન (એટલે કે ફેટી મેથિલેસ્ટર = બાયોડીઝલ).
Sonocatalysis માટે અલ્ટ્રાસોનિક સાધનો
Hielscher ખાતે ઉપયોગ માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોનું ઉત્પાદન કરે છે કોઈપણ સ્કેલ અને એ માટે વિવિધ પ્રક્રિયાઓ. આનો સમાવેશ થાય છે લેબ sonication નાની શીશીઓમાં તેમજ ઔદ્યોગિક રિએક્ટર અને પ્રવાહ કોષો. લેબ સ્કેલમાં પ્રારંભિક પ્રક્રિયા પરીક્ષણ માટે UP400S (400 વોટ્સ) ખૂબ જ યોગ્ય છે. તેનો ઉપયોગ બેચ પ્રક્રિયાઓ તેમજ ઇનલાઇન સોનિકેશન માટે કરી શકાય છે. સ્કેલ અપ કરતા પહેલા પ્રક્રિયા પરીક્ષણ અને ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે, અમે ઉપયોગ કરવાની ભલામણ કરીએ છીએ UIP1000hd (1000 વોટ્સ), કારણ કે આ એકમો ખૂબ જ અનુકૂલનક્ષમ છે અને પરિણામોને કોઈપણ મોટી ક્ષમતા માટે રેખીય માપવામાં આવે છે. સંપૂર્ણ સ્કેલ ઉત્પાદન માટે અમે અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણો ઓફર કરીએ છીએ 10kW અને 16kW અલ્ટ્રાસોનિક શક્તિ. આવા કેટલાક એકમોના ક્લસ્ટરો ખૂબ જ ઊંચી પ્રોસેસિંગ ક્ષમતા પૂરી પાડે છે.
તમારી પ્રક્રિયાના પરીક્ષણ, ઑપ્ટિમાઇઝેશન અને સ્કેલ અપને સમર્થન આપવામાં અમને આનંદ થશે. અમારી સાથે વાત કરો યોગ્ય સાધનો વિશે અથવા અમારી પ્રક્રિયા પ્રયોગશાળાની મુલાકાત લો.
સોનોકેટાલિસિસ અને અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ કેટાલિસિસ પર સાહિત્ય
સુસ્લિક, કેએસ; ડીડેન્કો, વાય.; ફેંગ, એમએમ; હ્યોન, ટી.; કોલબેક, કેજે; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; વોંગ, એમ. (1999): એકોસ્ટિક પોલાણ અને તેના રાસાયણિક પરિણામો, માં: ફિલ. ટ્રાન્સ. રોય. સોસી. એ, 1999, 357, 335-353.
સુસ્લિક, કેએસ; સ્કરાબાલક, SE (2008): “sonocatalysis” હેટરોજીનિયસ કેટાલિસિસની હેન્ડબુકમાં, વોલ્યુમ. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; વિલી-વીસીએચ: વેઇનહેમ, 2008, પૃષ્ઠ 2006-2017.