סונוקטליזה – קטליזה בסיוע אולטרה-סאונד
אולטרה-סוניקציה משפיעה על תגובת הזרז במהלך קטליזה על ידי העברת מסה משופרת וקלט אנרגיה. בקטליזה הטרוגנית, שבה הזרז נמצא בפאזה שונה מהמגיבים, פיזור על-קולי מגדיל את שטח הפנים הזמין למגיבים.
רקע של סונוקטליזה
קטליזה היא תהליך שבו קצב של התגובה הכימית מוגברת (או מופחת) באמצעות זרז. הייצור של כימיקלים רבים כרוך קטליזה. ההשפעה על קצב התגובה תלויה בתדירות המגע של המגיבים בשלב קביעת הקצב. באופן כללי, זרזים מגבירים את קצב התגובה ומפחיתים את אנרגיית ההפעלה על ידי מתן מסלול תגובה חלופי לתוצר התגובה. לשם כך הזרזים מגיבים עם מגיב אחד או יותר כדי ליצור מתווכים שלאחר מכן נותנים את המוצר הסופי. השלב האחרון מחדש את הזרז. באמצעות הורדת אנרגיית ההפעלהליותר התנגשויות מולקולריות יש את האנרגיה הדרושה כדי להגיע למצב המעבר., במקרים מסוימים נעשה שימוש בזרזים כדי לשנות את הסלקטיביות של תגובה כימית.
ה דיאגרמת מימין מדגים את ההשפעה של זרז בתגובה כימית X+Y ליצירת Z. הזרז מספק מסלול חלופי (ירוק) עם אנרגיית שפעול נמוכה יותר Ea.
השפעות של Ultrasonication
אורך גל אקוסטי בנוזלים נע בין כ-110 ל-0.15 מ"מ בתדרים שבין 18kHz ל-10MHz. זה משמעותית מעל הממדים המולקולריים. מסיבה זו, אין צימוד ישיר של השדה האקוסטי עם מולקולות של מין כימי. ההשפעות של ultrasonication הם במידה רבה תוצאה של קוויטציה קולית בנוזלים. לכן, קטליזה בסיוע אולטרה-סאונד דורשת לפחות מגיב אחד להיות בשלב נוזלי. אולטרה-סוניקציה תורמת לקטליזה הטרוגנית והומוגנית במובנים רבים. ניתן לקדם או להפחית השפעות בודדות תוך התאמת המשרעת העל-קולית ולחץ הנוזל.
פיזור קולי והתחלבות
תגובות כימיות המערבות ריאגנטים וזרז של יותר משלב אחד (קטליזה הטרוגנית) מוגבלות לגבול הפאזה מכיוון שזה המקום היחיד, שבו נמצאים המגיב כמו גם הזרז. חשיפת הריאגנטים והזרז זה לזה היא גורם מפתח לתגובות כימיות רב-פאזיות רבות. מסיבה זו, שטח הפנים הספציפי של גבול הפאזה הופך להיות בעל השפעה על קצב התגובה הכימית.
Ultrasonication הוא אמצעי יעיל מאוד עבור פיזור מוצקים ועל תחליב של נוזלים. על ידי הקטנת גודל החלקיק/טיפה, שטח הפנים הכולל של גבול הפאזה גדל בו זמנית. הגרפיקה משמאל מציגה את המתאם בין גודל החלקיקים לשטח הפנים במקרה של חלקיקים כדוריים או טיפות (לחץ לתצוגה גדולה יותר!). ככל שפני השטח של גבול הפאזה גדלים, כך גדל קצב התגובה הכימית. עבור חומרים רבים, קולי cavitation יכול לעשות חלקיקים וטיפות של גודל דק מאוד – לעתים קרובות משמעותית מתחת ל -100 ננומטר. אם הפיזור או התחליב הופכים לפחות יציבים באופן זמני, היישום של אולטרסאונד עשוי להידרש רק בשלב הראשוני של התגובה הכימית. כור על-קולי מוטבע לערבוב הראשוני של הריאגנטים והזרז יכול לייצר חלקיקים/טיפות בגודל עדין בזמן קצר מאוד ובקצבי זרימה גבוהים. זה יכול להיות מיושם אפילו על מדיה צמיג מאוד.
העברה המונית
כאשר ריאגנטים מגיבים בגבול פאזה, תוצרי התגובה הכימית מצטברים על פני המגע. זה חוסם מולקולות ריאגנטים אחרות מאינטראקציה בגבול הפאזה הזה. כוחות גזירה מכניים הנגרמים על ידי זרמי סילון קוויטציוניים וזרימה אקוסטית גורמים לזרימה טורבולנטית ולהובלת חומרים ממשטחי חלקיקים או טיפות ואליהם. במקרה של טיפות, הגזירה הגבוהה יכולה להוביל להתלכדות ולהיווצרות של טיפות חדשות. ככל שהתגובה הכימית מתקדמת לאורך זמן, ייתכן שתידרש סוניקציה חוזרת, למשל דו-שלבית או מחזור, כדי למקסם את החשיפה של ריאגנטים.
קלט אנרגיה
קוויטציה קולית היא דרך ייחודית הכניסו אנרגיה לתגובות כימיות. שילוב של סילוני נוזל במהירות גבוהה, לחץ גבוה (>1000atm) וטמפרטורות גבוהות (>5000K), קצבי חימום וקירור עצומים (>109ק"ש-1) מתרחשים בריכוז מקומי במהלך דחיסה מתפרצת של בועות קוויטציוניות. קנת סוסליק אומר: “קביטציה היא שיטה יוצאת דופן לריכוז האנרגיה המפוזרת של הצליל לצורה שמישה מבחינה כימית.”
עלייה בתגובתיות
שחיקה קוויטציונית על משטחי חלקיקים יוצר משטחים בלתי פסיביים ותגובתיים מאוד. טמפרטורות גבוהות ולחצים קצרי מועד תורמים ל פירוק מולקולרי והגברת התגובתיות של מינים כימיים רבים. קרינה קולית יכולה לשמש להכנת זרזים, למשל כדי לייצר אגרגטים של חלקיקים בגודל עדין. זה מייצר זרזים אמורפיים חלקיקים של משטח ספציפי גבוה אזור. בשל מבנה מצטבר זה, זרזים כאלה יכולים להיות מופרדים מתוצרי התגובה (כלומר על ידי סינון).
ניקוי אולטראסוני
לעתים קרובות קטליזה כוללת תוצרי לוואי לא רצויים, זיהומים או זיהומים בריאגנטים. זה יכול להוביל השפלה ועכירות על פני השטח של זרזים מוצקים. Fouling מפחית את משטח הזרז החשוף ולכן מפחית את יעילותו. אין צורך להסיר אותו לא במהלך התהליך ולא במרווחי מיחזור באמצעות כימיקלים אחרים בתהליך. Ultrasonication הוא אמצעי יעיל לנקות זרזים או לסייע בתהליך מיחזור הזרזים. ניקוי קולי הוא כנראה היישום הנפוץ ביותר הידוע של אולטרסאונד. פגיעה של סילוני נוזל cavitational וגלי הלם של עד 104כספומט יכול ליצור כוחות גזירה מקומיים, שחיקה ופיתול פני השטח. עבור חלקיקים בגודל עדין, התנגשויות בין חלקיקים במהירות גבוהה מובילות לשחיקת פני השטח ואפילו טחינה וכרסום. התנגשויות אלה יכולות לגרום לטמפרטורות פגיעה ארעיות מקומיות של כ-3000K. סוסליק הוכיח, כי אולטרה-סוניקציה יעילה מסיר ציפויי תחמוצת פני השטח. הסרת ציפויים פסיביים כאלה משפרת באופן דרמטי את קצבי התגובה למגוון רחב של תגובות (סוסליק 2008). היישום של אולטרסאונד מסייע להפחית את בעיית העכירות של זרז מפוזר מוצק במהלך קטליזה ותורם לניקוי במהלך תהליך מחזור הזרז.
דוגמאות לקטליזה קולית
ישנן דוגמאות רבות לקטליזה בסיוע אולטרה-סאונד ולהכנה קולית של זרזים הטרוגניים. אנו ממליצים על סונוקטליזה מאמר מאת קנת סוסליק להקדמה מקיפה. Hielscher מספקת כורים קוליים להכנת זרזים או קטליזה, 
כגון טרנסאסטריפיקציה קטליטית לייצור מתילאסטרים (כלומר מתילאסטר שומני = ביודיזל).
ציוד קולי עבור Sonocatalysis
Hielscher מייצרת מכשירים קוליים לשימוש ב כל קנה מידה ועבור מגוון תהליכים. זה כולל: סוניקציה במעבדה בבקבוקונים קטנים וכן כורים תעשייתיים ותאי זרימה. לבדיקת תהליך ראשונית בקנה מידה מעבדתי UP400S (400 ואט) מתאים מאוד. זה יכול לשמש עבור תהליכי אצווה, כמו גם עבור סוניקציה בתוך השורה. לבדיקת תהליכים ומיטוב לפני הרחבה, אנו ממליצים להשתמש ב UIP1000hd (1000 וואט)מכיוון שיחידה זו ניתנת להתאמה רבה והתוצאות ניתנות להתאמה ליניארית לכל קיבולת גדולה יותר., לייצור בקנה מידה מלא אנו מציעים מכשירים קוליים של עד 10kW ו 16kW כוח קולי. אשכולות של מספר יחידות כאלה מספקים יכולות עיבוד גבוהות מאוד.
נשמח לתמוך בבדיקת התהליכים, האופטימיזציה והסקייל-אפ שלכם. דברו איתנו על ציוד מתאים או בקרו במעבדת התהליכים שלנו.
ספרות בנושא סונוקטליזה וקטליזה בסיוע אולטרה-סאונד
סוסליק, ק. ס.; דידנקו, י'; פאנג, מ 'מ'; חיון, ט'; קולבק, ק 'ג'; מקנמרה, ו. ב. ג; מדלני, מ. מ.; וונג, מ. (1999): קביטציה אקוסטית והשלכותיה הכימיות, בתוך: פיל. טרנס. רוי. כו. א, 1999, 357, 335-353.
סוסליק, ק. ס.; Skrabalak, S. E. (2008): “סונוקטליזה” במדריך לקטליזה הטרוגנית, כרך 4; ארטל, ג'; קנזינגר, ח'; שת, פ'; וייטקאמפ, י., עורכים; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.