szonocatalysis – Ultrahanggal segített katalízis
Az ultrahangos kezelés befolyásolja a katalizátor reaktivitását a katalízis során a fokozott tömegátadással és az energiabevitellel. Heterogén katalízis esetén, ahol a katalizátor más fázisban van, mint a reagensek, az ultrahangos diszperzió növeli a reagensek számára rendelkezésre álló felületet.
A szonokátalízis háttere
A katalízis olyan folyamat, amelyben a a kémiai reakció fokozódik (vagy csökkentett) katalizátor segítségével. Számos vegyi anyag előállítása katalízissel jár. A reakciósebességre gyakorolt hatás a reagensek érintkezési gyakoriságától függ a sebességmeghatározó lépésben. Általában a katalizátorok növelik a reakciósebességet és csökkentik az aktiválási energiát azáltal, hogy alternatív reakcióutat biztosítanak a reakciótermékhez. Ehhez a katalizátorok egy vagy több reagenssel reagálnak, hogy intermediereket képezzenek, amelyek ezt követően a végterméket adják. Az utóbbi lépés regenerálja a katalizátort. Mellett csökkenti az aktiválási energiát, több molekuláris ütközés rendelkezik az átmeneti állapot eléréséhez szükséges energiával. Bizonyos esetekben katalizátorokat használnak, megváltoztatják a kémiai reakció szelektivitását.
A diagram a jobb oldali ábra a katalizátor hatását szemlélteti egy X + Y kémiai reakcióban, hogy Z keletkezzen. A katalizátor alternatív útvonalat biztosít (zöld), alacsonyabb aktiválási energia Ea mellett.
Az ultrahangos kezelés hatásai
Az akusztikus hullámhossz folyadékokban kb. 110 és 0,15 mm között van a 18 kHz és 10 MHz közötti frekvenciákon. Ez jelentősen meghaladja a molekuláris dimenziókat. Emiatt az akusztikus mező nem kapcsolódik közvetlenül egy kémiai faj molekuláihoz. Az ultrahangos kezelés hatásai nagymértékben a ultrahangos kavitáció folyadékokban. Ezért az ultrahanggal segített katalízishez legalább egy reagensre van szükség folyékony fázisban. Az ultrahangos kezelés hozzájárul a heterogén és homogén katalízishez sok szempontból. Az egyéni hatások elősegíthetők vagy csökkenthetők az ultrahangos amplitúdó és a folyadéknyomás adaptálásával.
Ultrahangos diszpergálás és emulgeálás
A reagenseket és egynél több fázisú katalizátort (heterogén katalízis) érintő 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 expozíciója Számos többfázisú kémiai reakció kulcstényezője. Emiatt a fázishatár fajlagos felülete befolyásolja a kémiai reakciósebességet.
Az ultrahangos kezelés nagyon hatékony eszköz a szilárd anyagok diszperziója és a folyadékok emulgeálása. A részecske/csepp méretének csökkentésével egyidejűleg a fázishatár teljes felülete is növekszik. A bal oldali ábra a szemcseméret és a felület közötti korrelációt mutatja gömb alakú részecskék vagy cseppek (Kattintson a nagyobb nézetért!). Ahogy a fázishatárfelület növekszik, úgy nő a kémiai reakciósebesség is. Sok anyag esetében az ultrahangos kavitáció részecskéket és cseppeket hozhat létre nagyon finom méret – gyakran jelentősen 100 nanométer alatt van. Ha a diszperzió vagy emulzió legalább átmenetileg stabillá válik, a Az ultrahang csak kezdeti fázisban lehet szükséges a kémiai reakció. Az inline ultrahangos reaktor a reagensek és a katalizátor kezdeti keverésére nagyon rövid idő alatt és nagy áramlási sebességgel képes finom méretű részecskéket / cseppeket előállítani. Nagyon viszkózus közegekre is alkalmazható.
Tömeges transzfer
Amikor a reagensek fázishatáron reagálnak, a kémiai reakció termékei felhalmozódnak az érintkezési felületen. Ez megakadályozza, hogy más reagensmolekulák kölcsönhatásba lépjenek ezen a fázishatáron. A kavitációs sugáráramok és az akusztikus áramlás által okozott mechanikai nyíróerők turbulens áramlást és anyagszállítást eredményeznek a részecskék vagy cseppek felületéről és felületére. Cseppek esetében a nagy nyírás új cseppek összeolvadásához és későbbi képződéséhez vezethet. Ahogy a kémiai reakció előrehalad az idő múlásával, ismételt szonikálásra, pl. kétlépcsős vagy recirkulációra lehet szükség maximalizálja a reagensek expozícióját.
Energiabevitel
Az ultrahangos kavitáció egyedülálló módja annak, hogy energiát helyez a kémiai reakciókba. Nagysebességű folyadéksugarak kombinációja, nagynyomású (>1000atm) és magas hőmérséklet (>5000K), hatalmas fűtési és hűtési sebesség (>109Ks-1) lokálisan koncentrálódnak a kavitációs buborékok implozív kompressziója során. Kenneth Suslick Azt mondja: “A kavitáció rendkívüli módszer a hang diffúz energiájának kémiailag felhasználható formába történő koncentrálására.”
A reakcióképesség növekedése
Kavitációs erózió a részecskefelületeken passziválás nélküli, erősen reaktív felületeket hoz létre. A rövid élettartamú magas hőmérséklet és nyomás hozzájárul molekuláris bomlás és növeli a reakcióképességet számos kémiai fajból. Az ultrahangos besugárzás felhasználható katalizátorok előállítására, pl. finom méretű részecskék aggregátumainak előállítására. Ezzel amorf katalizátorokat képez nagy fajlagos felületű részecskék terület. Ennek az aggregátumszerkezetnek köszönhetően az ilyen katalizátorok elválaszthatók a reakciótermékektől (azaz szűréssel).
Ultrahangos tisztítás
A katalízis gyakran nemkívánatos melléktermékekkel, szennyeződésekkel vagy szennyeződésekkel jár a reagensekben. Ez a szilárd katalizátorok felületén lebomláshoz és szennyeződéshez vezethet. A szennyeződés csökkenti a kitett katalizátorfelületet, és ezáltal csökkenti annak hatékonyságát. Nem kell eltávolítani sem a folyamat során, sem az újrahasznosítási intervallumokban más technológiai vegyi anyagok felhasználásával. Az ultrahangos kezelés hatékony eszköz tisztítsa meg a katalizátorokat, vagy segítse a katalizátor újrahasznosítási folyamatát. Az ultrahangos tisztítás valószínűleg az ultrahang leggyakoribb és legismertebb alkalmazása. A kavitációs folyadéksugarak és a legfeljebb 10-es lökéshullámok ütközése4Az ATM lokalizált nyíróerőket, eróziót és felületi gödröket hozhat létre. A kis méretű részecskék esetében a részecskék közötti nagy sebességű ütközések felületi erózióhoz és őrlés és marás. Ezek az ütközések kb. 3000 K helyi átmeneti ütközési hőmérsékletet okozhatnak. Suslick bebizonyította, hogy az ultrahangos kezelés hatékonyan eltávolítja a felületi oxid bevonatokat. Az ilyen passziváló bevonatok eltávolítása drámaian javítja a reakciósebességet a legkülönfélébb reakciók esetében (Suslick 2008). Az ultrahang alkalmazása segít csökkenteni a szilárd diszpergált katalizátor szennyeződési problémáját a katalízis során, és hozzájárul a tisztításhoz a katalizátor újrahasznosítási folyamata során.
Példák az ultrahangos katalízisre
Számos példa van ultrahanggal segített katalízisre és heterogén katalizátorok ultrahangos előállítására. Javasoljuk a szonocatalysis Kenneth Suslick cikke az átfogó bevezetéshez. A Hielscher ultrahangos reaktorokat szállít katalizátorok vagy katalízis előállításához, 
mint például a katalitikus átészterezés metilészterek előállításához (azaz zsíros metilészter = biodízel).
Ultrahangos berendezés szonokátalízishez
Hielscher gyárt ultrahangos készülékek a bármilyen skála és egy Különböző folyamatok. Ez magában foglalja laboratóriumi szonikálás kis injekciós üvegekben, valamint ipari reaktorok és áramlási cellák. A laboratóriumi léptékű kezdeti folyamatteszteléshez a UP400S (400 watt) nagyon alkalmas. Használható kötegelt folyamatokhoz, valamint inline szonikáláshoz. A vertikális felskálázás előtti folyamatteszteléshez és optimalizáláshoz javasoljuk a UIP1000hd (1000 watt), mivel ez az egység nagyon alkalmazkodóképes, és az eredmények lineárisan méretezhetők bármely nagyobb kapacitáshoz. A teljes körű gyártáshoz ultrahangos készülékeket kínálunk akár 10kW és 16kW ultrahangos teljesítmény. Több ilyen egység klaszterei nagyon nagy feldolgozási kapacitást biztosítanak.
Örömmel támogatjuk folyamattesztelését, optimalizálását és méretnövelését. Beszéljen velünk a megfelelő felszerelésről vagy Látogasson el folyamatlaboratóriumunkba.
Irodalom a sonocatalízisről és az ultrahanggal segített katalízisről
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Akusztikus kavitáció és kémiai következményei, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “szonocatalysis” In A heterogén katalízis kézikönyve, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., szerk.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, 2006-2017.