Katalis Fischer-Tropsch yang Ditingkatkan dengan Sonikasi

Peningkatan Sintesis Katalis Fischer-Tropsch dengan Ultrasound: Perlakuan ultrasonik pada partikel katalis digunakan untuk beberapa tujuan. Sintesis ultrasonik membantu menghasilkan nanopartikel yang dimodifikasi atau difungsionalisasi, yang memiliki aktivitas katalitik tinggi. Katalis bekas pakai dan katalis yang teracuni dapat dipulihkan dengan mudah dan cepat melalui perlakuan permukaan ultrasonik, yang menghilangkan pengotor penyebab inaktivasi dari katalis. Terakhir, deaglomerasi dan dispersi ultrasonik menghasilkan distribusi partikel katalis yang seragam dan monodispersi untuk memastikan luas permukaan aktif partikel dan perpindahan massa yang tinggi demi konversi katalitik yang optimal.

Keunggulan Preparasi Katalis Ultrasonik untuk Proses Fischer-Tropsch

Sonikasi menawarkan keunggulan yang signifikan dalam sintesis katalis Fischer-Tropsch, terutama karena kemampuannya untuk memungkinkan kontrol yang cermat atas morfologi katalis dan distribusi situs aktif. Kavitasi berenergi tinggi yang dihasilkan oleh gelombang ultrasonik memastikan pencampuran cepat dan deaglomerasi bahan prekursor yang efektif, sehingga menghasilkan distribusi ukuran partikel yang sangat seragam dan peningkatan luas permukaan. Peningkatan homogenitas ini menghasilkan dispersi komponen aktif yang lebih baik, yang sangat penting untuk memaksimalkan jumlah situs reaksi yang dapat diakses. Selain itu, kinetika pencampuran yang terkendali sering kali menghasilkan pembentukan struktur yang sangat stabil dan berpori, sehingga meningkatkan kinerja katalitik, selektivitas, dan stabilitas jangka panjang katalis dalam kondisi reaksi yang keras.

Efek Ultrasonik pada Katalis

Ultrasound berdaya tinggi dikenal luas karena pengaruh positifnya terhadap reaksi kimia. Ketika gelombang ultrasonik yang intens dimasukkan ke dalam medium cair, kavitasi akustik terbentuk. Kavitasi ultrasonik menghasilkan kondisi ekstrem secara lokal dengan suhu sangat tinggi hingga 5.000K, tekanan sekitar 2.000atm, dan pancaran cairan dengan kecepatan hingga 280m/s. Fenomena kavitasi akustik dan pengaruhnya terhadap proses kimia dikenal dengan istilah sonokimia.
Salah satu aplikasi umum ultrasonik adalah preparasi katalis heterogen: gaya kavitasi ultrasonik mengaktifkan permukaan katalis karena erosi kavitasi menghasilkan permukaan yang tidak terpasivasi dan sangat reaktif. Selain itu, perpindahan massa meningkat secara signifikan berkat aliran cairan yang turbulen. Tumbukan partikel yang kuat akibat kavitasi akustik menghilangkan lapisan oksida pada permukaan partikel serbuk, sehingga mengaktifkan kembali permukaan katalis.
 

Sintesis katalis yang didoping paladium menggunakan sonikator UIP1000hdT
Studi dan gambar: ©Prekob et al., 2020

Preparasi Ultrasonik Katalis Fischer-Tropsch

Proses Fischer-Tropsch mencakup beberapa reaksi kimia yang mengubah campuran karbon monoksida dan hidrogen menjadi hidrokarbon cair. Berbagai katalis dapat digunakan untuk sintesis Fischer-Tropsch, tetapi yang paling sering digunakan adalah logam transisi kobalt, besi, dan rutenium. Sintesis Fischer-Tropsch bersuhu tinggi dijalankan dengan katalis besi.
Karena katalis Fischer-Tropsch rentan terhadap peracunan katalis oleh senyawa yang mengandung sulfur, reaktivasi ultrasonik sangat penting untuk mempertahankan aktivitas katalitik dan selektivitas secara penuh.

Sintesis Ultrasonik Katalis Inti–Cangkang

Nanostruktur inti–cangkang adalah nanopartikel yang dienkapsulasi dan dilindungi oleh cangkang luar yang mengisolasi nanopartikel serta mencegah migrasi dan koalesensinya selama reaksi katalitik

Pirola et al. (2010) telah menyiapkan katalis Fischer-Tropsch berbasis besi yang ditopang silika dengan muatan logam aktif yang tinggi. Studi mereka menunjukkan bahwa impregnasi penopang silika berbantuan ultrasonik memperbaiki deposisi logam dan meningkatkan aktivitas katalis. Hasil sintesis Fischer-Tropsch menunjukkan bahwa katalis yang disiapkan melalui ultrasonikasi merupakan yang paling efisien, khususnya ketika impregnasi ultrasonik dilakukan dalam atmosfer argon.

Reaktivasi Katalis Ultrasonik

Perlakuan ultrasonik pada permukaan partikel merupakan metode yang cepat dan mudah untuk meregenerasi serta mengaktifkan kembali katalis bekas pakai dan katalis yang terpasivasi. Kemampuan katalis untuk diregenerasi memungkinkan reaktivasi dan penggunaan ulang, sehingga menjadi langkah proses yang ekonomis dan ramah lingkungan.
Perlakuan ultrasonik pada partikel menghilangkan lapisan pasivasi penyebab inaktivasi, pengotor yang menempel, dan zat pengotor dari partikel katalis, yang menghalangi situs reaksi katalitik. Sonikasi pada slurry katalis bekas pakai menghasilkan pencucian permukaan partikel katalis oleh pancaran cairan, sehingga menghilangkan endapan dari situs yang aktif secara katalitik. Setelah ultrasonikasi, aktivitas katalis dipulihkan hingga memiliki efektivitas yang sama dengan katalis baru. Selain itu, sonikasi memecah aglomerat dan menghasilkan distribusi partikel monodispersi yang homogen dan seragam, yang meningkatkan luas permukaan partikel dan dengan demikian situs aktif katalitik. Oleh karena itu, pemulihan katalis secara ultrasonik menghasilkan katalis teregenerasi dengan luas permukaan aktif yang tinggi untuk meningkatkan perpindahan massa.
Regenerasi katalis ultrasonik dapat diterapkan pada partikel mineral dan logam, partikel berpori (mesopori), dan nanokomposit.
Baca lebih lanjut tentang regenerasi ultrasonik katalis bekas pakai!

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Sintesis Sonokimia Katalis Fischer-Tropsch

Sonikator Hielscher sangat diminati dalam sintesis katalis berkat desainnya yang kokoh, presisi, dan skalabilitasnya, yang menawarkan keunggulan signifikan dibandingkan peralatan sonikasi umum. Unit ini menyediakan energi ultrasonik berintensitas tinggi yang dapat dikontrol secara presisi, yang sangat penting untuk mencapai dispersi bahan prekursor yang seragam serta memfasilitasi nukleasi dan pertumbuhan partikel katalis secara presisi. Sistem kontrol yang canggih memungkinkan peneliti mengatur parameter seperti daya keluaran dan durasi pulsa secara akurat, sehingga memastikan hasil eksperimen yang dapat direproduksi – faktor penting dalam ilmu material. Selain itu, sonikator Hielscher dikenal karena daya tahan dan kemampuannya menangani berbagai skala, mulai dari batch kecil di laboratorium hingga operasi pabrik percontohan, sehingga memungkinkan peralihan yang efisien dari formulasi katalis yang menjanjikan dalam penelitian skala laboratorium menuju aplikasi industri. Standar rekayasa dan manufaktur Jerman memastikan bahwa peralatan ultrasonik Hielscher dapat dioperasikan secara andal selama 24/7 dengan beban kerja berat.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:

Literatur / Referensi

• 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.