सोनोकैटलिसिस – अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त कटैलिसीस

अल्ट्रासोनिकेशन उत्प्रेरण के दौरान उत्प्रेरक प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाया द्रव्यमान-हस्तांतरण और ऊर्जा इनपुट द्वारा प्रभावित करता है। विषम उत्प्रेरण में, जहां उत्प्रेरक अभिकारकों के लिए एक अलग चरण में होता है, अल्ट्रासोनिक फैलाव अभिकारकों के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को बढ़ाता है।

सोनोकैटलिसिस की पृष्ठभूमि

उत्प्रेरण एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें a की दर रासायनिक प्रतिक्रिया बढ़ जाती है उत्प्रेरक के माध्यम से (या कमी)। कई रसायनों के उत्पादन में उत्प्रेरण शामिल है। प्रतिक्रिया दर पर प्रभाव दर-निर्धारण चरण में अभिकारकों के संपर्क की आवृत्ति पर निर्भर करता है। सामान्य तौर पर, उत्प्रेरक प्रतिक्रिया दर को बढ़ाते हैं और प्रतिक्रिया उत्पाद को वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग प्रदान करके सक्रियण ऊर्जा को कम करते हैं। इसके लिए उत्प्रेरक मध्यवर्ती बनाने के लिए एक या एक से अधिक अभिकारकों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं जो बाद में अंतिम उत्पाद देते हैं। बाद वाला चरण उत्प्रेरक को पुन: उत्पन्न करता है। द्वारा सक्रियण ऊर्जा को कम करना, अधिक आणविक टकरावों में संक्रमण अवस्था तक पहुंचने के लिए आवश्यक ऊर्जा होती है। कुछ मामलों में उत्प्रेरक का उपयोग रासायनिक प्रतिक्रिया की चयनात्मकता को बदलने के लिए किया जाता है।

वही आरेख दाईं ओर Z का उत्पादन करने के लिए एक रासायनिक प्रतिक्रिया X+Y में उत्प्रेरक के प्रभाव को दर्शाता है। उत्प्रेरक कम सक्रियण ऊर्जा ईए के साथ एक वैकल्पिक मार्ग (हरा) प्रदान करता है।

अल्ट्रासोनिकेशन के प्रभाव

तरल पदार्थों में ध्वनिक तरंग दैर्ध्य 18kHz और 10MHz के बीच आवृत्तियों के लिए लगभग 110 से 0.15 मिमी तक होता है। यह आणविक आयामों से काफी ऊपर है। इस कारण से, रासायनिक प्रजातियों के अणुओं के साथ ध्वनिक क्षेत्र का कोई सीधा युग्मन नहीं है। अल्ट्रासोनिकेशन के प्रभाव काफी हद तक इसका परिणाम हैं अल्ट्रासोनिक cavitation तरल पदार्थ में। इसलिए, अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त उत्प्रेरण को तरल चरण में कम से कम एक अभिकर्मक की आवश्यकता होती है। अल्ट्रासोनिकेशन विषम और सजातीय उत्प्रेरण में योगदान देता है कई मायनों में। अल्ट्रासोनिक आयाम और तरल दबाव को अनुकूलित करने के लिए व्यक्तिगत प्रभावों को बढ़ावा दिया या कम किया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक dispersing और पायसीकारी

अभिकर्मकों और एक से अधिक चरण (विषम उत्प्रेरण) के उत्प्रेरक से जुड़ी रासायनिक प्रतिक्रियाएं चरण सीमा तक सीमित हैं क्योंकि यह एकमात्र स्थान है, जहां अभिकर्मक के साथ-साथ उत्प्रेरक भी मौजूद हैं। अभिकर्मकों और उत्प्रेरक का एक दूसरे के संपर्क में आना एक है कई बहु-चरण रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण कारक. इस कारण से, चरण सीमा का विशिष्ट सतह क्षेत्र प्रतिक्रिया की रासायनिक दर के लिए प्रभावशाली हो जाता है।

अल्ट्रासोनिकेशन के लिए एक बहुत प्रभावी साधन है ठोस पदार्थों का फैलाव और के लिए तरल पदार्थों का पायसीकरण. कण/छोटी बूंद के आकार को कम करके, चरण सीमा का कुल सतह क्षेत्र एक ही समय में बढ़ जाता है। बाईं ओर का ग्राफिक गोलाकार कणों या बूंदों के मामले में कण आकार और सतह क्षेत्र के बीच संबंध दिखाता है (बड़ा देखने के लिए क्लिक करें!). जैसे-जैसे चरण सीमा सतह बढ़ती है, वैसे-वैसे रासायनिक प्रतिक्रिया दर भी बढ़ती है। कई सामग्रियों के लिए अल्ट्रासोनिक कैविटेशन कणों और बूंदों को बना सकता है बहुत बढ़िया आकार – अक्सर 100 नैनोमीटर से काफी नीचे. यदि फैलाव या पायस कम से कम अस्थायी रूप से स्थिर हो जाता है, तो का आवेदन अल्ट्रासोनिक्स केवल प्रारंभिक चरण में आवश्यक हो सकता है रासायनिक प्रतिक्रिया का। अभिकर्मकों और उत्प्रेरक के प्रारंभिक मिश्रण के लिए एक इनलाइन अल्ट्रासोनिक रिएक्टर बहुत कम समय में और उच्च प्रवाह दर पर ठीक आकार के कण/बूंदें उत्पन्न कर सकता है। इसे अत्यधिक चिपचिपा मीडिया पर भी लागू किया जा सकता है।

मास-ट्रांसफर

जब अभिकर्मक एक चरण सीमा पर प्रतिक्रिया करते हैं, तो रासायनिक प्रतिक्रिया के उत्पाद संपर्क सतह पर जमा होते हैं। यह अन्य अभिकर्मक अणुओं को इस चरण सीमा पर बातचीत करने से रोकता है। कैविटेशनल जेट धाराओं और ध्वनिक स्ट्रीमिंग के कारण यांत्रिक कतरनी बलों के परिणामस्वरूप अशांत प्रवाह और कण या छोटी बूंद सतहों से और सामग्री परिवहन होता है। बूंदों के मामले में, उच्च कतरनी सहवास और नई बूंदों के बाद के गठन का कारण बन सकती है। जैसे-जैसे रासायनिक प्रतिक्रिया समय के साथ आगे बढ़ती है, एक दोहराया सोनीशन, जैसे दो-चरण या पुनरावृत्ति, की आवश्यकता हो सकती है अभिकर्मकों के जोखिम को अधिकतम करें.

ऊर्जा इनपुट

अल्ट्रासोनिक कैविटेशन एक अनूठा तरीका है रासायनिक प्रतिक्रियाओं में ऊर्जा डालें. उच्च गति तरल जेट विमानों का एक संयोजन, उच्च दबाव (>1000atm) और उच्च तापमान (>5000K), भारी हीटिंग और शीतलन दर (>10⁹एस^-1) कैविटेशनल बुलबुले के इम्पोसिव संपीड़न के दौरान स्थानीय रूप से केंद्रित होते हैं। केनेथ सुस्लिक कहना: “कैविटेशन ध्वनि की फैलाने वाली ऊर्जा को रासायनिक रूप से उपयोग करने योग्य रूप में केंद्रित करने का एक असाधारण तरीका है।”

प्रतिक्रियाशीलता में वृद्धि

कण सतहों पर गुहिकायन क्षरण निष्क्रिय, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील सतहों को उत्पन्न करता है. अल्पकालिक उच्च तापमान और दबाव योगदान करते हैं आणविक अपघटन और प्रतिक्रियाशीलता में वृद्धि कई रासायनिक प्रजातियों की। अल्ट्रासोनिक विकिरण का उपयोग उत्प्रेरक की तैयारी में किया जा सकता है, उदाहरण के लिए ठीक आकार के कणों के समुच्चय का उत्पादन करने के लिए। यह अनाकार उत्प्रेरक पैदा करता है उच्च विशिष्ट सतह के कण कार्य-क्षेत्र। इस समग्र संरचना के कारण, ऐसे उत्प्रेरक को प्रतिक्रिया उत्पादों (यानी निस्पंदन द्वारा) से अलग किया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक सफाई

अक्सर उत्प्रेरण में अभिकर्मकों में अवांछित उप-उत्पाद, संदूषण या अशुद्धियां शामिल होती हैं। इससे ठोस उत्प्रेरक की सतह पर गिरावट और दूषण हो सकता है। फाउलिंग उजागर उत्प्रेरक सतह को कम करता है और इसलिए इसकी दक्षता को कम करता है। इसे प्रक्रिया के दौरान या अन्य प्रक्रिया रसायनों का उपयोग करके रीसाइक्लिंग अंतराल में हटाने की आवश्यकता नहीं है। अल्ट्रासोनिकेशन एक प्रभावी साधन है उत्प्रेरक को साफ करें या उत्प्रेरक रीसाइक्लिंग प्रक्रिया में सहायता करें. अल्ट्रासोनिक सफाई शायद अल्ट्रासोनिक्स का सबसे आम और ज्ञात अनुप्रयोग है। कैविटेशनल तरल जेट विमानों की टक्कर और 10 तक की सदमे तरंगें⁴एटीएम स्थानीयकृत कतरनी बलों, कटाव और सतह के गड्ढे बना सकता है। ठीक आकार के कणों के लिए, उच्च गति अंतर-कण टकराव सतह क्षरण और यहां तक कि पीस और मिलिंग. ये टकराव लगभग 3000K के स्थानीय क्षणिक प्रभाव तापमान का कारण बन सकते हैं। सुस्लिक ने प्रदर्शन किया, कि अल्ट्रासोनिकेशन प्रभावी ढंग से सतह ऑक्साइड कोटिंग्स को हटा देता है. इस तरह के निष्क्रिय कोटिंग्स को हटाने से नाटकीय रूप से विभिन्न प्रकार की प्रतिक्रियाओं के लिए प्रतिक्रिया दर में सुधार होता है (सुस्लिक 2008). अल्ट्रासोनिक्स का अनुप्रयोग उत्प्रेरण के दौरान एक ठोस छितरी हुई उत्प्रेरक की दूषण समस्या को कम करने में मदद करता है और उत्प्रेरक रीसाइक्लिंग प्रक्रिया के दौरान सफाई में योगदान देता है।

अल्ट्रासोनिक कटैलिसीस के उदाहरण

अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त उत्प्रेरण के लिए और विषम उत्प्रेरक की अल्ट्रासोनिक तैयारी के लिए कई उदाहरण हैं। हम अनुशंसा करते हैं सोनोकैटलिसिस केनेथ सुस्लिक द्वारा लेख एक व्यापक परिचय के लिए। Hielscher उत्प्रेरक या उत्प्रेरण की तैयारी के लिए अल्ट्रासोनिक रिएक्टरों की आपूर्ति करता है, जैसे कि मिथाइलस्टर के उत्पादन के लिए उत्प्रेरक ट्रांसस्टेरिफिकेशन (यानी फैटी मिथाइलस्टर = बायोडीजल).

सोनोकैटलिसिस के लिए अल्ट्रासोनिक उपकरण

Hielscher पर उपयोग के लिए अल्ट्रासोनिक उपकरणों बनाती है किसी भी पैमाने पर और एक के लिए प्रक्रियाओं की विविधता. यह भी शामिल है लैब सोनिकेशन छोटी शीशियों के साथ-साथ औद्योगिक रिएक्टर और प्रवाह सेल. प्रयोगशाला पैमाने में प्रारंभिक प्रक्रिया परीक्षण के लिए UP400S (400 वाट) बहुत उपयुक्त है। इसका उपयोग बैच प्रक्रियाओं के साथ-साथ इनलाइन सोनिकेशन के लिए भी किया जा सकता है। स्केल अप करने से पहले प्रक्रिया परीक्षण और अनुकूलन के लिए, हम UIP1000HD (1000 वाट), क्योंकि यह इकाई बहुत अनुकूलनीय है और परिणाम किसी भी बड़ी क्षमता के लिए रैखिक रूप से स्केल किए जा सकते हैं। पूर्ण पैमाने पर उत्पादन के लिए हम तक के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की पेशकश करते हैं 10किलोवॉट और 16किलोवाट अल्ट्रासोनिक शक्ति। ऐसी कई इकाइयों के क्लस्टर बहुत उच्च प्रसंस्करण क्षमता प्रदान करते हैं।

हमें आपकी प्रक्रिया परीक्षण, अनुकूलन और स्केल अप का समर्थन करने में खुशी होगी। हमसे बात करें उपयुक्त उपकरण के बारे में या हमारी प्रक्रिया प्रयोगशाला पर जाएँ.

सोनोकैटलिसिस और अल्ट्रासोनिक रूप से असिस्टेड कटैलिसीस पर साहित्य

सुस्लिक, के। डिडेंको, वाई।; फेंग, एम। ह्योन, टी।; कोलबेक, के। मैकनामारा, डब्ल्यूबी III; मडलेनी, एम। वोंग, एम (1999): ध्वनिक गुहिकायन और इसके रासायनिक परिणाम, में: फिल ट्रांस। सोसाइटी। ए, 1999, 357, 335-353।

सुस्लिक, के। स्क्राबालक, एसई (2008): “सोनोकैटलिसिस” विषम उत्प्रेरण की पुस्तिका में, वॉल्यूम। एर्टल, जी।; क्ज़िंगर, एच।; श्थ, एफ।; वेइटकैम्प, जे। विली-वीसीएच: वेनहेम, 2008, पीपी।