Sonokatalízis – Ultrahanggal támogatott katalízis

Az ultrahangosítás a katalizátor katalizátorreaktivitását a megnövelt tömegátvitel és energiabevitel révén érinti. A heterogén katalízisben, ahol a katalizátor egy másik fázisban van a reagensekhez képest, az ultrahangos diszperzió növeli a reaktánsok számára elérhető felületet.

A sonocatalysis háttere

A katalízis olyan folyamat, amelyben az a a kémiai reakció növekedett (vagy csökkent) katalizátorral. Számos vegyi anyag gyártása katalizátort tartalmaz. A reakciósebességre gyakorolt ​​hatás a reagensek érintkezési gyakoriságától függ a sebesség meghatározó lépésben. Általában a katalizátorok növelik a reakciósebességet és csökkentik az aktivációs energiát a reakciótermék alternatív reakció útján. Ehhez a katalizátorok reagálnak egy vagy több reaktánssal, hogy olyan köztitermékeket képezzenek, amelyek ezt követően a végterméket adják. Ez utóbbi lépés regenerálja a katalizátort. Által csökkentve az aktiváló energiát, a molekuláris ütközéseknek több energiája van az átmeneti állapot eléréséhez. Bizonyos esetekben katalizátorokat alkalmaznak, megváltoztatják a kémiai reakció szelektivitását.

A diagram jobbra illusztrálja egy katalizátor X + Y kémiai reakcióban való hatását a Z képződéséhez. A katalizátor egy alternatív útvonalat (zöld) ad alacsonyabb aktiválási energiával (Ea).

Az Ultrasonication hatásai

Folyadékok ban az akusztikus hullámhossz 18 kHz és 10 MHz közötti frekvenciák esetén 110 és 0,15 mm között mozog. Ez jelentősen meghaladja a molekuláris dimenziókat. Ezért az akusztikai mező nem kapcsolódik közvetlenül egy kémiai faj molekuláihoz. Az hozzákeverésével hatások nagy mértékben eredményeként a Ultrahangos kavitáció folyadékokban. Ezért az ultrahanggal segített katalízishez legalább egy reagens folyadékfázisban van. Az ultrahangos kezelés hozzájárul a heterogén és homogén katalízishez sok tekintetben. Az egyedi hatásokat elősegítheti vagy csökkentheti az ultrahang-amplitúdó és folyadéknyomás adaptálásával.

Ultrahangos diszpergálás és emulgeálás

A reagenseket és egynél több fázisú katalizátort (heterogén katalizáló katalizáló) tartalmazó kémiai reakciók a fázishatárra korlátozódnak, mivel ez az egyetlen hely, ahol a reagens és a katalizátor is jelen van. A reagensek és a katalizátor egymásnak való kitettsége kulcsfontosságú tényező számos többfázisú kémiai reakció esetén. Emiatt a fázishatár fajlagos felülete befolyással lesz a reakció kémiai sebességére.

Az ultrahangos kezelés nagyon hatékony eszköz a szilárd anyagok diszperziója és a folyadékok emulgeálása. A részecske/cseppméret csökkentésével a fázishatár teljes felülete egyidejűleg növekszik. A bal oldali ábra a részecskeméret és a felület közötti korrelációt mutatja gömb alakú részecskék vagy cseppek esetén (Kattintson a nagyításhoz!). Afázis határfelületének növekedésével a kémiai reakció sebessége is nő. Sok anyag ultrahangos kavitáció lehet, hogy a részecskék és cseppek nagyon finom méretű – gyakran jelentősen 100 nanométer alatt. Ha a diszperzió vagy emulzió legalább átmenetileg stabil, akkor a az ultrahangos vizsgálat csak kezdeti szakaszban lehetséges a kémiai reakció. Az in-line ultrahangos reaktor a reagensek és a katalizátor kezdeti keveréséhez igen finom részecskéket / cseppeket hozhat létre nagyon rövid idő alatt és nagy áramlási sebesség mellett. Nagy viszkozitású hordozókra is alkalmazható.

Tömeges átvitel

Amikor a reagensek fázishatárnál reagálnak, a kémiai reakció termékei felhalmozódnak az érintkezési felületen. Ez megakadályozza, hogy más reagensmolekulák kölcsönhatásba lépjenek ezen a fázishatáron. A kavitációs sugáráramok és az akusztikai áramok által okozott mechanikai nyíróerők turbulens áramlást és anyagszállítást eredményeznek a részecske- vagy cseppfelületekről és azokba. Cseppek esetében a magas nyíróolló új cseppek összeolvadásához és későbbi kialakulásához vezethet. A kémiai reakció előrehaladtával ismételt szonikálásra, pl. kétlépcsős vagy recirkulációra lehet szükség a maximalizálja a reagensek expozícióját.

Energiabemenet

Az ultrahangos kavitáció egyedülálló módon az energiát kémiai reakciókba helyezve. Nagysebességű folyadék-fúvókák, nagynyomású (>1000 m) és a magas hőmérséklet (>5000K), hatalmas fűtési és hűtési arányok (>10⁹ks^-1) lokalizálódnak a kavitációs buborékok implozív kompressziója alatt. Kennedy Suslick Azt mondja: “Kavitáció egy rendkívüli módszer koncentráló diffúz energia hang egy kémiailag használható formában.”

A reaktivitás növelése

Kavitációs erózió a részecskék felületén kiváltott, rendkívül reaktív felületeket generál. Rövid ideig tartó magas hőmérséklet és nyomás járul hozzá molekuláris bomlást és növeli a reaktivitást számos kémiai fajnak. Ultrahangos besugárzás alkalmazható katalizátorok előállítására, pl. Finom méretű részecskék aggregátumainak előállítására. Ez amorf katalizátorokat eredményez nagy fajlagos felületű részecskék terület. Ennek az aggregált szerkezetnek köszönhetően ezek a katalizátorok elválaszthatók a reakciótermékektől (azaz szűréssel).

Ultrahangos tisztítás

Gyakran a katalizáljuk a reagensek nem kívánt melléktermékeit, szennyeződéseit vagy szennyeződéseit. Ez a szilárd katalizátorok felületének lebomlásához és lerakódásához vezethet. A fennakadás csökkenti a kitett katalizátor felületét, és ezáltal csökkenti annak hatékonyságát. Nem szükséges eltávolítani sem a folyamat során, sem az újrahasznosítási időközönként más technológiai vegyi anyagok felhasználásával. Hozzákeverésével egy hatékony eszköz, hogy tiszta katalizátorokat, vagy segítik a katalizátor újrahasznosítását. Az ultrahangos tisztítás valószínűleg a leggyakoribb és leginkább ismert ultrahangos alkalmazás. A kavitációs folyadék-fúvókák és a lökéshullámok legfeljebb 10-es ütközése⁴az atm lokalizált nyíró erőket hozhat létre, erózió és felületi pitting. A finom méretű részecskék esetében a nagy sebességű részecske-ütközések felületi erózióhoz vezetnek, sőt őrlés és őrlés. Ezek az ütközések helyi tranziens ütközési hőmérsékletet okozhatnak kb. 3000K. Suslick bizonyította, hogy az ultrahangos működés hatékony eltávolítja a felületi oxid bevonatokat. Az ilyen passzív bevonatok eltávolítása drámai módon javítja a reakciósebességeket a reakciók széles választékában (Suslick 2008 a). Az ultrahang alkalmazása csökkenti a szilárd diszpergált katalizátor lerakódási problémáját a katalizátor alatt, és hozzájárul a tisztításhoz a katalizátor újrahasznosítási folyamata során.

Példák az ultrahangos katalízisre

Számos példa van az ultrahanggal segített katalízisre és heterogén katalizátorok ultrahangos előállítására. Javasoljuk a Sonokatalízis Kennedy Suslick cikkét egy átfogó bevezetéshez. A Hielscher ultrahangos reaktorokat szállít katalizátorok vagy katalizátorok előállítására, mint például a katalitikus átészterezés metilészterek előállításához (pl. zsíros metilészter = biodízel).

Ultrahangos berendezés a Sonocatalysis számára

A Hielscher ultrahangos készülékek gyártására használható bármely skála és a különféle folyamatok. Ebbe beletartozik laboratóriumi szonikáció kis injekciós üvegekben, valamint ipari reaktorok és áramlási sejtek. A laboratóriumi kezdeti folyamatvizsgálathoz a UP400S (400 watt) nagyon alkalmas. Használható kötegelt eljárásokhoz, valamint inline szonikációhoz. A folyamat teszteléséhez és az optimalizáláshoz a méretezés előtt javasoljuk a UIP1000hd (1000 watt), mivel ezek az egységek nagyon alkalmazkodók, és az eredményeket lineárisan lehet méretezni bármely nagyobb kapacitásig. A teljes méretű gyártáshoz ultrahangos készülékeket kínálunk 10kW és 16kW ultrahangos teljesítmény. Több ilyen egység klasztere nagyon magas feldolgozási kapacitást biztosít.

Örömmel támogatjuk a folyamatvizsgálatot, az optimalizálást és a méretezést. Beszélj hozzánk a megfelelő felszerelésről vagy látogasson el a laboratóriumunkba.

A Sonocatalysis és Ultrasonically Assisted Catalysis című irodalom

Suslick, KS; Didenko, Y .; Fang, MM; Hyeon, T .; Kolbeck, KJ; McNamara, WB III; Mdleleni, MM; Wong, M. (1999): Akusztikai kavitáció és annak kémiai következményei, Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonokatalízis” A Heterogén Katalízis Kézikönyve, vö. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, 2006-2017.