ריאקטורים בעלי מצע קבוע המוגברים באמצעות אולטרסאונד

סוניקציה יכולה לשפר תגובות קטליטיות בריאקטורים בעלי מצע קבוע, בעיקר באמצעות הגברת מעבר המסה סביב מצע הזרז הארוז ובתוכו. בנוסף, סוניקציה מסירה שכבות פסיבציה ומשקעים מפני השטח של הזרז ובכך מחדשת אותו ברציפות.

כיצד סוניקציה משפרת קטליזה במצע קבוע

בריאקטור בעל מצע קבוע, חלקיקי הזרז נשארים במקומם בזמן שמגיבים נוזליים, גזיים או רב־פאזיים זורמים דרך המצע. ביצועי התגובה מוגבלים לעיתים קרובות על ידי מעבר מסה חיצוני, דיפוזיה בנקבוביות, היווצרות תעלות זרימה, הצטברות משקעים ומפלֵי מעבר חום. אולטרסאונד יכול להפחית כמה מהמגבלות הללו באמצעות יצירת קוויטציה אקוסטית, זרימה זעירה, כוחות גזירה ותנודות לחץ.

השפעות עיקריות של הגברת תגובות במצע קבוע באמצעות אולטרסאונד

• שיפור מעבר המסה החיצוני: זרימה זעירה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד מצמצמת את שכבת הגבול הנייחת סביב חלקיקי הזרז ומאפשרת למגיבים להגיע לאתרים הפעילים ביעילות רבה יותר.
• שיפור הנגישות לנקבוביות: תנודות לחץ ותנועת נוזל הנגרמות מקוויטציה יכולות לשפר את חדירת המגיבים לנקבוביות הזרז ואת סילוק התוצרים מהנקבוביות.
• הפחתת הצטברות משקעים ופסיבציה: סוניקציה יכולה לסייע בהסרת משקעים, שכבות פולימריות דקות, חומרי מוצא לקוק או שכבות פסיבציה אחרות מפני השטח של זרזים, וכך לשמר את הפעילות הקטליטית לאורך זמן רב יותר.

שיפור המגע בין נוזל למוצק: אולטרסאונד מקדם הרטבה טובה יותר של חלקיקי הזרז, דבר המועיל במיוחד במערכות מצע קבוע הפועלות בטפטוף, מוזנות בתרחיף או פועלות בפאזה נוזלית.

• הפחתת היווצרות תעלות זרימה במצעים ארוזים: במחקרים על מצעים מיקרו־ארוזים הוכח כי אולטרסאונד משנה את התנהגות הזרימה ומפחית פיזור, ובכך מסייע לריאקטור להתקרב להתנהגות אידיאלית יותר של זרימת בוכנה.
• שיפור מעבר החום: זרימה אקוסטית וערבול טורבולנטי משפרים את פיזור החום המקומי ומפחיתים מוקדי חום או אזורים קרים במצע הזרז.
• המרה וניצולת גבוהות יותר: באמצעות שיפור מעבר המסה והנגישות לזרז, סוניקציה יכולה להגדיל את קצב התגובה, את ההמרה ואת ניצולת התוצר, במיוחד כאשר התגובה מוגבלת על ידי תהליכי מעבר ולא רק על ידי קינטיקה.

כיצד סוניקציה משפרת קטליזה במצע קבוע?

המנגנון העיקרי הוא קוויטציה אקוסטית: גלים אולטרסוניים יוצרים בועות מיקרוסקופיות הגדלות וקורסות בעוצמה. קריסתן יוצרת גזירה מקומית, סילונים זעירים, גלי הלם וערבוב עז. בקרבת פני השטח של הזרז, השפעות אלה יכולות לנקות, להפעיל ולחדש את הממשק בין המוצק לנוזל. סקירות בנושא סונוקטליזה מתארות זאת כסינרגיה בין אולטרסאונד לזרזים מוצקים, הכוללת שיפור במעבר החום, במעבר המסה ובהשפעות מקומיות על פני השטח הקטליטיים.

סוניקציה מועילה במיוחד כאשר התגובה במצע הקבוע סובלת מבעיות אלה:

• דיפוזיה איטית לתוך נקבוביות הזרז,
• הרטבה לקויה של חלקיקי הזרז,
• הצטברות תוצרים בתוך הנקבוביות,
• הצטברות משקעים או פסיבציה של פני השטח,
• קינטיקה המוגבלת על ידי מעבר מסה,
• התפלגות בלתי אחידה של זרימה רב־פאזית,
• היווצרות תעלות זרימה דרך המצע הארוז.

זרזים במצע קבוע

מצעים קבועים (המכונים לעיתים גם מצעים ארוזים) ממולאים בדרך כלל בכופתיות זרז, שהן לרוב גרגרים בקטרים של 1–5mm. ניתן לטעון אותן לריאקטור כמצע יחיד, במעטפות נפרדות או בצינורות. הזרזים מבוססים בעיקר על מתכות כגון ניקל, נחושת, אוסמיום, פלטינה ורודיום.
השפעותיו של אולטרסאונד רב־עוצמה על תגובות כימיות הטרוגניות מוכרות היטב ומנוצלות בהיקף נרחב בתהליכים קטליטיים תעשייתיים. גם תגובות קטליטיות בריאקטור בעל מצע קבוע מפיקות תועלת מטיפול בסוניקציה. הקרנה אולטרסונית של הזרז במצע הקבוע יוצרת פני שטח בעלי תגובתיות גבוהה, מגבירה את מעבר המסה בין הפאזה הנוזלית (המגיבים) לזרז ומסירה מפני השטח ציפויים הגורמים לפסיבציה (למשל שכבות תחמוצת).

הגברת תגובות קטליטיות באמצעות אולטרסאונד

ערבוב ובחישה אולטרסוניים משפרים את המגע בין חלקיקי המגיבים לחלקיקי הזרז, יוצרים משטחים בעלי תגובתיות גבוהה ומתחילים ו/או מגבירים את התגובה הכימית.
הכנת זרזים באמצעות אולטרסאונד עשויה לגרום לשינויים בהתנהגות ההתגבשות, בפיזור / בפירוק אגלומרטים ובתכונות פני השטח. נוסף על כך, ניתן להשפיע על המאפיינים של זרזים שהוכנו מראש באמצעות הסרת שכבות פסיבציה מפני השטח, שיפור הפיזור והגברת מעבר המסה.

דוגמאות לתגובות המשופרות באמצעות אולטרסאונד

• טיפול מקדים אולטרסוני בזרז Ni לתגובות הידרוגנציה
• זרז Raney Ni שעבר סוניקציה עם חומצה טרטרית מניב אננטיוסלקטיביות גבוהה מאוד
• זרזי Fischer-Tropsch שסונתזו באמצעות אולטרסאונד
• זרזים אבקתיים אמורפיים שעברו טיפול סונוכימי להגברת התגובתיות
• סינתזה סונוכימית של אבקות מתכת אמורפיות

השבת זרזים באמצעות אולטרסאונד

זרזים מוצקים בכורי מצע קבוע משמשים בדרך כלל בצורת חרוזים כדוריים, כופתיות, גופים המיוצרים בשיחול או חלקיקים גליליים. במהלך תגובות כימיות, פני השטח של הזרז עלולים לעבור פסיבציה עקב שכבת משקעים, וכתוצאה מכך מתרחשת ירידה הדרגתית בפעילות הקטליטית ו/או בסלקטיביות לאורך זמן.
משך הזמן עד לאובדן פעילות הזרז משתנה במידה ניכרת. לדוגמה, אובדן פעילות של זרז פיצוח עשוי להתרחש בתוך שניות, ואילו זרז ברזל המשמש לסינתזת אמוניה עשוי להישאר פעיל במשך 5–10 שנים. עם זאת, אובדן פעילות של זרזים נצפה כמעט בכל התהליכים הקטליטיים. אף שעשויים להתרחש מנגנונים שונים של אובדן פעילות – ובהם התפרקות כימית, מכנית ותרמית – הצטברות משקעים היא אחד הגורמים הנפוצים ביותר להידרדרות הזרז.
הצטברות משקעים מתייחסת לשקיעה פיזית של צורונים מהפאזה הזורמת על פני השטח של הזרז ובתוך נקבוביותיו. משקעים אלה חוסמים אתרים פעילים, מגבילים את הנגישות לנקבוביות ומפחיתים את המגע בין המגיבים לפני השטח הפעילים של הזרז. הצטברות קוק או משקעים פחמניים על הזרז היא לעיתים קרובות תהליך מהיר; עם זאת, במקרים רבים ניתן להפוך אותו באופן חלקי או מלא באמצעות רגנרציה אולטרסונית.

קוויטציה אולטרסונית היא שיטה יעילה להסרת שכבות משקעים הגורמות לפסיבציה מפני השטח של זרזים. במהלך סוניקציה, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצר בועות קוויטציה בתווך נוזלי. קריסתן יוצרת כוחות גזירה מקומיים, מיקרו־סילונים, גלי הלם ומיקרו־ערבוב עז. השפעות אלה מסייעות לנתק שאריות משקעים מפני השטח של הזרז, לפתוח מחדש נקבוביות חסומות ולהשיב את הגישה לאתרים פעילים.
השבת זרזים באמצעות אולטרסאונד מתבצעת בדרך כלל באמצעות פיזור חלקיקי הזרז בנוזל, כגון מים נטולי יונים או ממס מתאים, וחשיפת התרחיף לטיפול אולטרסוני מבוקר. תהליך זה יכול להסיר שאריות משקעים מחומרי זרז שונים, ובהם זרזי פלטינה/סיבי סיליקה, זרזי ניקל וזרזים מתכתיים נתמכים אחרים. כתוצאה מכך, סוניקציה יכולה לתרום לרגנרציה של זרזים, להארכת חיי הזרז ולשיפור קיימות התהליך.

לחצו כאן למידע נוסף על רגנרציה אולטרסונית של זרזים משומשים!

מכשירי סוניקציה לשילוב בכורים כימיים

Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון מעבדים אולטרסוניים ותצורות לשילוב אולטרסאונד רב־עוצמה בכורי מצע קבוע. מערכות אולטרסוניות שונות זמינות להתקנה בכורי מצע קבוע. לסוגי כורים מורכבים יותר, אנו מציעים פתרונות אולטרסוניים מותאמים אישית.
גלו כיצד סוניקציה משפרת תגובות כימיות בכורים בעלי תצורות שונות!
כדי לבדוק את השפעות הסוניקציה על התגובה הכימית שלכם, אתם מוזמנים לבקר במעבדת התהליכים האולטרסוניים ובמרכז הטכני שלנו בטלטו!
צרו איתנו קשר עוד היום! נשמח לדון איתכם בהגברת התהליך הכימי שלכם באמצעות אולטרסאונד!
הטבלה שלהלן מציגה את כושר העיבוד המשוער של מכשירי הסוניקציה של Hielscher: