sonokataliza – Ultrazvučno potpomognuta kataliza

Ultrasonication utječe na reaktivnost katalizatora tijekom katalize poboljšanim prijenosom mase i unosom energije. U heterogenoj katalizi, gdje je katalizator u fazi različitoj od reaktanata, ultrazvučna disperzija povećava površinu dostupnu reaktantima.

Pozadina sonokatalize

Kataliza je proces u kojem brzina a pojačana je kemijska reakcija (ili smanjen) pomoću katalizatora. Proizvodnja mnogih kemikalija uključuje katalizu. Utjecaj na brzinu reakcije ovisi o učestalosti kontakta reaktanata u koraku određivanja brzine. Općenito, katalizatori povećavaju brzinu reakcije i snižavaju energiju aktivacije osiguravajući alternativni put reakcije do produkta reakcije. U tu svrhu katalizatori reagiraju s jednim ili više reaktanata kako bi formirali međuprodukte koji potom daju konačni proizvod. Potonji korak regenerira katalizator. Po smanjenje aktivacijske energije, više molekularnih sudara ima energiju potrebnu za postizanje prijelaznog stanja. U nekim se slučajevima koriste katalizatori koji mijenjaju selektivnost kemijske reakcije.

The dijagram s desne strane ilustrira učinak katalizatora u kemijskoj reakciji X+Y za proizvodnju Z. Katalizator pruža alternativni put (zeleno) s nižom aktivacijskom energijom Ea.

Učinci ultrazvuka

Akustična valna duljina u tekućinama kreće se od pribl. 110 do 0,15 mm za frekvencije između 18kHz i 10MHz. Ovo je znatno iznad molekularnih dimenzija. Iz tog razloga ne postoji izravna sprega akustičnog polja s molekulama neke kemijske vrste. Učinci ultrazvuka u velikoj su mjeri rezultat ultrazvučna kavitacija u tekućinama. Stoga ultrazvučno potpomognuta kataliza zahtijeva da barem jedan reagens bude u tekućoj fazi. Ultrasonication doprinosi heterogene i homogene katalize na mnogo načina. Pojedinačni učinci mogu se poboljšati ili smanjiti prilagođavanjem ultrazvučne amplitude i tlaka tekućine.

Ultrazvučno raspršivanje i emulgiranje

Kemijske reakcije koje uključuju reagense i katalizator više od jedne faze (heterogena kataliza) ograničene su na faznu granicu jer je to jedino mjesto gdje su prisutni i reagens i katalizator. Izlaganje reagensa i katalizatora jedno drugom je a ključni faktor za mnoge višefazne kemijske reakcije. Iz tog razloga, specifična površina granice faza postaje utjecajna na brzinu kemijske reakcije.

Ultrasonication je vrlo učinkovito sredstvo za disperzija čvrstih tvari i za emulgiranje tekućina. Smanjenjem veličine čestice/kapljice, ukupna površina granice faza istodobno se povećava. Grafikon lijevo prikazuje korelaciju između veličine čestica i površine u slučaju sferičnih čestica ili kapljica (Kliknite za veći prikaz!). Kako se površina granice faza povećava, tako raste i brzina kemijske reakcije. Za mnoge materijale ultrazvučna kavitacija može stvoriti čestice i kapljice vrlo fine veličine – često znatno ispod 100 nanometara. Ako disperzija ili emulzija postane barem privremeno stabilna, nanošenje ultrazvuk može biti potreban samo u početnoj fazi kemijske reakcije. Inline ultrazvučni reaktor za početno miješanje reagensa i katalizatora može generirati čestice/kapljice fine veličine u vrlo kratkom vremenu i pri velikim brzinama protoka. Može se primijeniti čak i na visoko viskozne medije.

Masovni prijenos

Kada reagensi reagiraju na faznoj granici, proizvodi kemijske reakcije nakupljaju se na kontaktnoj površini. Ovo blokira interakciju drugih molekula reagensa na ovoj faznoj granici. Mehaničke sile smicanja uzrokovane kavitacijskim mlaznim strujanjima i akustičkim strujanjem rezultiraju turbulentnim protokom i prijenosom materijala od i do površina čestica ili kapljica. U slučaju kapljica, veliko smicanje može dovesti do koalescencije i kasnijeg stvaranja novih kapljica. Kako kemijska reakcija napreduje tijekom vremena, može biti potrebna ponovljena sonikacija, npr. dvostupanjska ili recirkulacijska. maksimizirati izloženost reagensima.

Unos energije

Ultrazvučna kavitacija je jedinstven način za uložiti energiju u kemijske reakcije. Kombinacija tekućih mlaznica velike brzine, visokog tlaka (>1000 atm) i visoke temperature (>5000K), ogromne brzine grijanja i hlađenja (>10⁹Ks^-1) javljaju se lokalno koncentrirani tijekom implozivne kompresije kavitacijskih mjehurića. Kenneth Suslick kaže: “Kavitacija je izvanredna metoda koncentriranja difuzne energije zvuka u kemijski upotrebljiv oblik.”

Povećanje reaktivnosti

Kavitacijska erozija na površini čestica stvara nepasivirane, visoko reaktivne površine. Kratkotrajne visoke temperature i tlakovi doprinose molekularnu razgradnju i povećanje reaktivnosti mnogih kemijskih vrsta. Ultrazvučno zračenje može se koristiti u pripremi katalizatora, npr. za proizvodnju agregata sitnih čestica. Ovo proizvodi amorfne katalizatore čestice visoke specifične površine područje. Zbog ove strukture agregata, takvi se katalizatori mogu odvojiti od produkata reakcije (tj. filtracijom).

Ultrazvučno čišćenje

Često kataliza uključuje neželjene nusproizvode, onečišćenja ili nečistoće u reagensima. To može dovesti do degradacije i prljanja na površini krutih katalizatora. Obraštaj smanjuje izloženu površinu katalizatora i stoga smanjuje njegovu učinkovitost. Ne treba ga uklanjati niti tijekom procesa niti u intervalima recikliranja korištenjem drugih procesnih kemikalija. Ultrasonication je učinkovito sredstvo za očistiti katalizatore ili pomoći procesu recikliranja katalizatora. Ultrazvučno čišćenje vjerojatno je najčešća i najpoznatija primjena ultrazvuka. Sudar kavitacijskih tekućih mlazova i udarnih valova do 10⁴atm može stvoriti lokalizirane posmične sile, eroziju i površinske udubljenja. Za sitne čestice, sudari velikih brzina između čestica dovode do površinske erozije, pa čak i do erozije brušenje i mljevenje. Ovi sudari mogu uzrokovati lokalne prolazne udarne temperature od cca. 3000K. Suslick je pokazao da je ultrazvuk učinkovit uklanja površinske oksidne premaze. Uklanjanje takvih pasivizirajućih premaza dramatično poboljšava brzinu reakcije za širok raspon reakcija (Suslic 2008). Primjena ultrazvuka pomaže smanjiti problem onečišćenja čvrstog raspršenog katalizatora tijekom katalize i pridonosi čišćenju tijekom procesa recikliranja katalizatora.

Primjeri ultrazvučne katalize

Postoje brojni primjeri za ultrazvučno potpomognutu katalizu i za ultrazvučnu pripremu heterogenih katalizatora. Preporučujemo sonokataliza članak Kennetha Suslicka za opsežan uvod. Hielscher isporučuje ultrazvučne reaktore za pripremu katalizatora ili katalizu, kao katalitička transesterifikacija za proizvodnju metilestera (tj. masni metilester = biodizel).

Ultrazvučna oprema za sonokatalizu

Hielscher proizvodi ultrazvučne uređaje za korištenje na bilo koje mjerilo i za a raznovrsnost procesa. Ovo uključuje laboratorijska sonikacija u malim bočicama kao i industrijski reaktori i protočne ćelije. Za početno testiranje procesa u laboratorijskim razmjerima UP400S (400 W) je vrlo prikladan. Može se koristiti za šaržne procese kao i za inline sonikaciju. Za testiranje procesa i optimizaciju prije povećanja preporučamo korištenje UIP1000hd (1000 vata), budući da je ova jedinica vrlo prilagodljiva i rezultati se mogu skalirati linearno na bilo koji veći kapacitet. Za proizvodnju punog opsega nudimo ultrazvučne uređaje do 10kW i 16kW ultrazvučna snaga. Klasteri od nekoliko takvih jedinica daju vrlo visoke kapacitete obrade.

Bit će nam drago podržati vaše testiranje procesa, optimizaciju i povećanje. Pričaj sa nama o prikladnoj opremi ili posjetite naš procesni laboratorij.

Literatura o sonokatalizi i ultrazvučno potpomognutoj katalizi

Suslick, KS; Didenko, Y.; Fang, MM; Hyeon, T.; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akustična kavitacija i njezine kemijske posljedice, u: Fil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, KS; Škrabalak, SE (2008): “sonokataliza” U Handbook of Heterogeneous Catalysis, sv. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., ur.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, str. 2006-2017.