Poboljšani Fischer-Tropschovi katalizatori uz sonikaciju

Poboljšana sinteza Fischer-Tropschovih katalizatora ultrazvukom: ultrazvučna obrada čestica katalizatora upotrebljava se u nekoliko svrha. Ultrazvučna sinteza pomaže u stvaranju modificiranih ili funkcionaliziranih nanočestica visoke katalitičke aktivnosti. Istrošeni i zatrovani katalizatori mogu se jednostavno i brzo obnoviti ultrazvučnom obradom površine kojom se s katalizatora uklanjaju naslage koje ga inaktiviraju. Konačno, ultrazvučna deaglomeracija i dispergiranje rezultiraju jednolikom, monodisperznom raspodjelom čestica katalizatora kako bi se osigurala velika aktivna površina čestica i prijenos tvari za optimalnu katalitičku pretvorbu.

Prednosti ultrazvučne pripreme katalizatora za Fischer-Tropschove procese

Sonikacija pruža znatne prednosti u sintezi Fischer-Tropschovih katalizatora, ponajprije zbog mogućnosti preciznog upravljanja morfologijom katalizatora i raspodjelom aktivnih mjesta. Visokoenergetska kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi osigurava brzo miješanje i učinkovitu deaglomeraciju prekursorskih materijala, što dovodi do vrlo jednolike raspodjele veličine čestica i povećane površine. Ta poboljšana homogenost rezultira većom dispergiranošću aktivnih komponenti, što je ključno za maksimalno povećanje broja dostupnih reakcijskih mjesta. Nadalje, kontrolirana kinetika miješanja često dovodi do nastanka vrlo stabilnih i poroznih struktura, čime se poboljšavaju katalitička učinkovitost, selektivnost i dugoročna stabilnost katalizatora u teškim reakcijskim uvjetima.

Učinci ultrazvuka na katalizatore

Ultrazvuk velike snage dobro je poznat po pozitivnom utjecaju na kemijske reakcije. Kada se intenzivni ultrazvučni valovi uvedu u tekući medij, nastaje akustična kavitacija. Ultrazvučna kavitacija lokalno stvara ekstremne uvjete s vrlo visokim temperaturama do 5.000K, tlakovima od približno 2.000atm i mlazovima tekućine brzine do 280m/s. Pojava akustične kavitacije i njezini učinci na kemijske procese poznati su pod nazivom sonokemija.
Česta primjena ultrazvuka jest priprema heterogenih katalizatora: sile ultrazvučne kavitacije aktiviraju površinu katalizatora jer kavitacijska erozija stvara nepasivirane, vrlo reaktivne površine. Nadalje, turbulentno strujanje tekućine znatno poboljšava prijenos tvari. Snažni sudari čestica uzrokovani akustičnom kavitacijom uklanjaju površinske oksidne prevlake s čestica praha, što rezultira reaktivacijom površine katalizatora.

Ultrazvučna sinteza katalizatora dopiranog paladijem. Sonikator UIP1000hdT upotrebljava se za redukciju iona alladium u nanočestice Pd i njihovo taloženje na površinu ugljikovih nanocijevi dopiranih dušikom (N-BCNT).

Sinteza katalizatora dopiranog paladijem s pomoću sonikatora UIP1000hdT
Studija i slika: ©Prekob i sur., 2020

Ultrazvučna priprema Fischer-Tropschovih katalizatora

Fischer-Tropschov proces obuhvaća nekoliko kemijskih reakcija kojima se smjesa ugljikova monoksida i vodika pretvara u tekuće ugljikovodike. Za Fischer-Tropschovu sintezu mogu se upotrebljavati različiti katalizatori, ali najčešće se upotrebljavaju prijelazni metali kobalt, željezo i rutenij. Visokotemperaturna Fischer-Tropschova sinteza provodi se sa željeznim katalizatorom.
Budući da su Fischer-Tropschovi katalizatori podložni trovanju spojevima koji sadržavaju sumpor, ultrazvučna reaktivacija od velike je važnosti za održavanje pune katalitičke aktivnosti i selektivnosti.

Prednosti ultrazvučne sinteze katalizatora

Taloženje ili kristalizacija
(Nano)čestice s dobro kontroliranom veličinom i oblikom
Modificirana i funkcionalizirana površinska svojstva
Sinteza dopiranih čestica ili čestica sa strukturom jezgra–ljuska
Mezoporozno strukturiranje

Ultrazvučna sinteza katalizatora sa strukturom jezgra–ljuska

Nanostrukture jezgra–ljuska nanočestice su obavijene i zaštićene vanjskom ljuskom koja izolira nanočestice i sprječava njihovu migraciju i srastanje tijekom katalitičkih reakcija

Pirola i sur. (2010) pripremili su Fischer-Tropschove katalizatore na bazi željeza na nosaču od silicijeva dioksida s visokim udjelom aktivnog metala. U njihovoj je studiji pokazano da ultrazvučno potpomognuta impregnacija nosača od silicijeva dioksida poboljšava taloženje metala i povećava aktivnost katalizatora. Rezultati Fischer-Tropschove sinteze pokazali su da su katalizatori pripremljeni sonikacijom najučinkovitiji, osobito kada se ultrazvučna impregnacija provodi u atmosferi argona.

U ovom je videozapisu ultrazvučni homogenizator Hielscher UP200St snage 200 vata sa sonotrodom od 7mm montiran na standardni stakleni priključak na dnu staklenog reaktora. Može se montirati vodoravno, okomito ili u bilo kojem drugom smjeru. Na jednu reaktorsku posudu može se montirati više ultrazvučnih sondi – primjerice na različitim visinama. Često se prednost daje ugradnji sa strane ili s dna jer bolje funkcionira pri promjenjivim razinama tekućine. Ultrazvučno miješanje može se kombinirati s konvencionalnim miješalicama s gornjim pogonom.

Ultrazvučna reaktivacija katalizatora

Ultrazvučna obrada površine čestica brza je i jednostavna metoda za regeneraciju i reaktivaciju istrošenih i pasiviranih katalizatora. Mogućnost regeneracije katalizatora omogućuje njegovu reaktivaciju i ponovnu uporabu te stoga predstavlja ekonomičan i ekološki prihvatljiv procesni korak.
Ultrazvučna obrada čestica uklanja inaktivirajuće pasivacijske slojeve, naslage i nečistoće s čestica katalizatora, koji blokiraju mjesta za katalitičku reakciju. Sonikacija suspenzije istrošenog katalizatora dovodi do mlaznog ispiranja površine čestica katalizatora, čime se uklanjaju talozi s katalitički aktivnog mjesta. Nakon sonikacije aktivnost katalizatora obnavlja se do iste učinkovitosti kao kod svježeg katalizatora. Nadalje, sonikacija razbija aglomerate i osigurava homogenu, jednoliku raspodjelu monodisperznih čestica, čime se povećava površina čestica, a time i aktivna katalitička površina. Stoga ultrazvučna obnova katalizatora daje regenerirane katalizatore s velikom aktivnom površinom za poboljšan prijenos tvari.
Ultrazvučna regeneracija katalizatora djeluje na mineralne i metalne čestice, (mezo)porozne čestice i nanokompozite.
Pročitajte više o ultrazvučnoj regeneraciji istrošenih katalizatora!

Sonikatori visokih performansi za sonokemijsku sintezu Fischer-Tropschovih katalizatora

Hielscher sonikatori vrlo su cijenjeni u sintezi katalizatora zbog robusne konstrukcije, preciznosti i mogućnosti skaliranja te pružaju znatne prednosti u odnosu na opću opremu za sonikaciju. Ti uređaji pružaju ultrazvučnu energiju visokog intenziteta kojom se može precizno upravljati, što je ključno za postizanje jednolike disperzije prekursorskih materijala i omogućavanje precizne nukleacije i rasta čestica katalizatora. Napredni upravljački sustavi omogućuju istraživačima precizno podešavanje parametara kao što su izlazna snaga i trajanje impulsa, osiguravajući ponovljive eksperimentalne rezultate – ključan čimbenik u znanosti o materijalima. Nadalje, Hielscher sonikatori poznati su po svojoj trajnosti i mogućnosti rada u različitim mjerilima, od malih laboratorijskih šarži do rada u pilot-postrojenjima, čime omogućuju učinkovit prijelaz obećavajućih formulacija katalizatora iz istraživanja u laboratorijskom mjerilu u industrijsku primjenu. Njemački standardi inženjerstva i proizvodnje osiguravaju da Hielscher ultrazvučna oprema može pouzdano raditi 24/7 pod velikim opterećenjima.

Tablica u nastavku daje okviran pregled približnog kapaciteta obrade naših sonikatora:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	skup uređaja UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Povezane teme

Korisne činjenice

Što je Fischer-Tropschova reakcija?

Fischer-Tropschova reakcija katalitički je kemijski proces kojim se sintezni plin, smjesa ugljikova monoksida i vodika, pretvara u ugljikovodike kao što su alkani, alkeni, voskovi i tekuća goriva. To je važan put za proizvodnju sintetskih goriva i kemikalija iz ugljena, prirodnog plina, biomase ili sinteznog plina dobivenog iz CO₂.

Što je Fischer-Tropschov katalizator?

Fischer-Tropschov katalizator čvrst je katalitički materijal koji potiče hidrogenaciju i pretvorbu ugljikova monoksida s vodikom u ugljikovodike uz rast lanca. Najčešće upotrebljavani aktivni metali su željezo, kobalt i rutenij, često naneseni na nosače od materijala kao što su aluminijev oksid, silicijev dioksid, titanijev dioksid ili ugljik radi poboljšanja površine, stabilnosti i selektivnosti.

Koje industrije upotrebljavaju Fischer-Tropschove reakcije?

Fischer-Tropschove reakcije upotrebljavaju se u industriji sintetskih goriva, petrokemijskoj industriji, proizvodnji tekućih proizvoda iz plina, proizvodnji tekućih proizvoda iz ugljena, proizvodnji tekućih proizvoda iz biomase te u novim sektorima proizvodnje tekućih proizvoda iz električne energije i hvatanja i uporabe ugljika. Osobito su važne za proizvodnju dizela, mlaznog goriva, maziva, voskova, olefina i drugih ugljikovodičnih sirovina.

Koje su primjene Fischer-Tropschovih katalizatora?

Fischer–Tropschova sinteza kategorija je katalitičkih procesa koji se primjenjuju u proizvodnji goriva i kemikalija iz sinteznog plina (smjese CO i H₂), koji se može
dobiti iz prirodnog plina, ugljena ili biomase. U Fischer-Tropschovu procesu katalizator koji sadržava prijelazni metal upotrebljava se za proizvodnju ugljikovodika iz vrlo jednostavnih polaznih tvari, vodika i ugljikova monoksida, koji se mogu dobiti iz različitih izvora koji sadržavaju ugljik, kao što su ugljen, prirodni plin, biomasa, pa čak i otpad.

Literatura / Reference

Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.