סונקטאנליזה – קטליזה בסיוע אולטרסונית

Ultrasonication משפיע על תגובתיות זרז במהלך קטליזה באמצעות העברה-מסה משופרת השקעת אנרגיה. בשנת קטליזה הטרוגנית, שבה הזרז נמצא בשלב שונה המגיבים, פיזור קולי מגדיל את שטח הפנים הזמין את המגיבים.

רקע של סונוקטליזה

קטליזה היא תהליך שבו שיעור של תגובה כימית הוא גדל (או ירידה) באמצעות זרז. ייצור כימיקלים רבים כולל קטליזה. ההשפעה על קצב התגובה תלויה בתדירות של קשר של המגיבים בשלב קביעת השיעור. באופן כללי, זרזים להגביר את קצב התגובה ו להוריד את אנרגית ההפעלה על ידי מתן מסלול תגובת אלטרנטיבת מוצר התגובה. מסיבה זו היא הזרזים להגיב עם מגיבים אחד או יותר כדי ליצור ביניים כי לאחר מכן לתת את המוצר הסופי. הצעד האחרון מחדש זרז. על ידי הורדת אנרגיית השפעוליש, התנגשויות מולקולריות יותר את האנרגיה הדרושה כדי להגיע למצב המעבר. בחלק ממקרי זרזים משמשים שינוי הסלקטיביות של תגובה כימית.

ה תרשים מהימין ממחיש את ההשפעה של קטליזאטור בתגובה כימית X + Y כדי לייצר ז הזרז מספק נתיב חלופי (ירוק) עם הפעלה נמוכה אנרגית EA.

אפקטים של ultrasonication

אורך גל אקוסטי בנוזלים נע בין כ- 110 ל- 0.15 מ"מ עבור תדרים בין 18kHz ל- 10MHz. זה הרבה מעל ממדים מולקולריים. מסיבה זו, אין צימוד ישיר של השדה האקוסטי עם מולקולות של מין כימי. ההשפעות של ultrasonication הם במידה רבה תוצאה של קולי cavitation ב נוזלים. לכן, קטליזה סייעה ultrasonically דורש לפחות אחד מגיב להיות בשלב נוזלי. Ultrasonication תורם קטליזה הטרוגנית והומוגנית בדרכים רבות. ניתן לקדם או מופחת תופעות פרט והתאמת משרעת הקולית ואת לחץ נוזל.

פיזור אולטרה סאונד ו Emulsifying

תגובות כימיות המערבות רייגנטים וזרז של יותר שלב אחד (זרז הטרוגני) מוגבלות לגבול שלב כמו זה המקום היחיד, שבו reagent, כמו גם הזרז נמצאים. חשיפה של reagents של הזרז אחד לשני הוא גורם מפתח עבור תגובות כימיות רב-שלב רבים. מסיבה זו, את פני השטח הספציפי של גבול השלב הופך המשפיע על השיעור הכימי של תגובה.

Ultrasonication הוא אמצעי יעיל מאוד עבור פיזור מוצקים ולמען תחליב נוזלים. על-ידי הפחתת גודל החלקיקים/הטיפות, שטח הפנים הכולל של גבול השלב גדל בו-זמנית. הגרפיקה משמאל מציגה את המתאם בין גודל החלקיקים לבין שטח הפנים במקרה של חלקיקים כדוריים או טיפות (לחץ על תצוגה גדולה יותר!). ככל שפני השטח של גבול השלב גדלים כך גם קצב התגובה הכימית. עבור חומרים רבים קביטציה אולטראסוניות יכול לעשות חלקיקים וטיפות של גודל יפה מאוד – לעתים קרובות נמוך משמעותית 100 ננומטר. אם פיזור או תחליב הופך לפחות יציב באופן זמני, את היישום של אולטרסוניקה עשוי להידרש רק שלב ראשוני של התגובה הכימית. כור קולי מוטבע לערבוב הראשוני של ריאגנטים הזרז יכול ליצור חלקיקים בגודל קנס / טיפות בתוך זמן קצר מאוד בשיעורי זרימה גבוהים. זה יכול להיות מיושם גם למדיה הצמיגים מאוד.

העברת מסה

כאשר ריאגנטים מגיבים בגבול שלב, המוצרים של התגובה הכימית מצטברים על פני השטח של המגע. זה חוסם מולקולות רייאגנט אחרות מאינטראקציה בגבול שלב זה. כוחות גיזר מכניים הנגרמים על ידי זרמי סילון קוויטציה וזרימה אקוסטית לגרום זרימה סוערת והובלה חומר מ ומשטחי חלקיקים או טיפות. במקרה של טיפות, הגיה הגבוהה יכולה להוביל להתמזגות וכתוצאה מכך להיווצרות של טיפות חדשות. ככל שהתגובה הכימית מתקדמת עם הזמן, ייתכן שתידרש sonication חוזר ונשנה, למשל דו-שלבי או חזור, למקסם את החשיפה של חומרים כימיים.

השקעת אנרגיה

cavitation Ultrasonic היא דרך ייחודית לשים אנרגיה לתוך תגובות כימיות. שילוב של מטוסי נוזל במהירות גבוהה, בלחץ גבוה (>1000atm) וטמפרטורות גבוהות (>5000K), שיעורי חימום וקירור עצומים (>10⁹KS^{. אני לא מבין}) להתרחש מרוכז מקומית במהלך הדחיסה של קריסה של בועות cavitational. קנת Suslick אומר: “קביטציה היא שיטה יוצאת דופן לרכז את האנרגיה המפזרת של קול לצורה כימית שנואה.”

גידול תגובתיות

שחיקת Cavitational על משטחי חלקיקים יוצר משטחי unpassivated, תגובתי. היא קצרת מועד בטמפרטורות ולחצים גבוהים לתרום הפירוק המולקולרי ולהגדיל את התגובתיות של מינים כימיים רבים. הקרנת Ultrasonic ניתן להשתמש בהכנת זרזים, למשל: כדי לייצר אגרגטים של חלקיקי-גודל הקנס. זה מייצר זרזים אמורפי חלקיקים של משטח ספציפי גבוה אֵזוֹר. בשל מבנה המצרפי זו, ניתן להפריד זרזים כאלה מן תוצרי התגובה (למשל על ידי סינון).

ניקוי Ultrasonic

לעתים קרובות זליזה כרוכה תוצרי לוואי לא רצויים, זיהום או מזהמים הריאגנטים. זה יכול להוביל להשפלה ועבירה על פני השטח של זרזים מוצקים. עבירה מפחיתה את פני השטח הזרז חשוף ולכן מפחיתה את יעילותו. זה לא צריך להיות הוסר במהלך התהליך או במרווחי מיחזור באמצעות כימיקלים תהליך אחרים. אולטרסוניות היא אמצעי יעיל כדי זרזים נקיים או לסייע לתהליך מחזור הזרז. ניקוי Ultrasonic הוא כנראה היישום הנפוץ ביותר והמוכרים ביותר של אולטרסוניקה. מדובר בפגיעה של מטוסי cavitational נוזלים גלי הלם של עד 10⁴כספומט יכול ליצור כוחות גזירה מקומיים, שחיקה חורי שטח. עבור חלקיקים בגודל בסדר, התנגשויות בין חלקיקים במהירות גבוהה להוביל משטח שחיקה ואפילו שחיקה וטחינה. התנגשויות אלו יכולות לגרום לטמפרטורות השפעה חולפות מקומיות של כ. 3000K. Suslick הפגין, כי ultrasonication ביעילות מסיר ציפוי משטח תחמוצת. הסרת ציפויים passivating כזה משפר שיעורי תגובה דרמטית עבור מגוון רחב של תגובות (סוסליק 2008). היישום של אולטרסוניקה עוזר להפחית את בעיית עכירות של זרז התפזרו מוצק במהלך קטליזה ותורם ניקוי במהלך תהליך מיחזור זרז.

דוגמאות של קטליזה אולטרסאונד

ישנן דוגמאות רבות קטליזה סייעה באולטרסאונד וכן הם אחראים לעריכת הקולי של זרזים הטרוגניים. אנו ממליצים על סונקטאנליזה מאמרו של קנת Suslick עבור מבוא מקיף. Hielscher מספקת כורים קוליים להכנת זרזים או קטליזה, כמו ה transesterification קטליטי לייצור methylesters (למשל שומן methylester = ביודיזל).

ציוד אולטרסאונד Sonocatalysis

Hielscher מייצרת מכשירים קוליים לשימוש ב בכל קנה מידה ובמשך מגוון של תהליכים. זה כולל sonication מעבדה בצלוחיות קטנות כמו גם כורים תעשייתיים תאי זרימה. עבור מבחן תהליך ראשוני בהיקף במעבדה את UP400S (400 וואט) הוא מאוד מתאים. זה יכול לשמש עבור תהליכי אצווה כמו גם עבור sonication מוטבעות. עבור בדיקות תהליך ואופטימיזציה לפני למעלה מידה, אנו ממליצים להשתמש UIP1000hd (1000 וואט), כיחידות הזה הוא מאוד להתאמה ותוצאות con לשנותם ליניארי לכל בעל קיבולת גדולה יותר. עבור ייצור בקנה מידה מלא אנו מציעים מכשירים קוליים של עד 10kW ו 16kW כוח קולי. אשכולות של כמה יחידות כאלה לספק יכולות עיבוד גבוהות מאוד.

נשמח לתמוך בדיקות בתהליך שלך, אופטימיזציה ולהתרחב. דברו איתנו על ציוד מתאים או לבקר במעבדת התהליך שלנו.

ספרות על Sonocatalysis ו אולטרסונית בסיוע קטליזה

Suslick, KS; Didenko, Y .; פאנג, MM; היון, ט .; Kolbeck, KJ; מקנמרה, WB III; Mdleleni, MM; וונג, מ '(1999): אקוסטית cavitation ואת ההשלכות הכימיות שלה, ב: פיל. עָבָר. רוי. סוק. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, ק S.; Skrabalak, ס א (2008): “סונקטאנליזה” בשנת Handbook של קטליזה הטרוגנית, Vol. 4; ארטל, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., עורכים .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, עמ '2006-2017..