Sonocatalysis – Ultrasonikasi membantu Katalis
Ultrasonication mempengaruhi reaktivitas katalis selama katalisis dengan peningkatan transfer massa dan input energi. Dalam katalisis heterogen, di mana katalis berada dalam fase yang berbeda dengan reaktan, dispersi ultrasonik meningkatkan luas permukaan yang tersedia untuk reaktan.
Latar Belakang Sonokatalisis
Katalisis adalah proses di mana laju a Reaksi kimia meningkat (atau dikurangi) melalui katalis. Produksi banyak bahan kimia melibatkan katalisis. Pengaruh pada laju reaksi tergantung pada frekuensi kontak reaktan dalam langkah penentu laju. Secara umum, katalis meningkatkan laju reaksi dan menurunkan energi aktivasi dengan menyediakan jalur reaksi alternatif ke produk reaksi. Untuk ini, katalis bereaksi dengan satu atau lebih reaktan untuk membentuk zat antara yang kemudian menghasilkan produk akhir. Langkah terakhir meregenerasi katalis. Oleh menurunkan energi aktivasi, lebih banyak tumbukan molekuler memiliki energi yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan transisi. Dalam beberapa kasus, katalis digunakan mengubah selektivitas reaksi kimia.
Seperti yang ditunjukkan dalam gambar bagan di sebelah kanan menggambarkan efek katalis dalam reaksi kimia X+Y untuk menghasilkan Z. Katalis menyediakan jalur alternatif (hijau) dengan aktivasi Energy Ea yang lebih rendah.
Efek Ultrasonication
Panjang gelombang akustik dalam cairan berkisar antara sekitar 110 hingga 0.15mm untuk frekuensi antara 18kHz dan 10MHz. Ini secara signifikan di atas dimensi molekuler. Untuk alasan ini, tidak ada penggabungan langsung medan akustik dengan molekul spesies kimia. Efek ultrasonikasi sebagian besar merupakan hasil dari Kavitasi ultrasonik dalam cairan. Oleh karena itu, katalisis yang dibantu ultrasonik membutuhkan setidaknya satu reagen dalam fase cair. Ultrasonication berkontribusi pada katalisis heterogen dan homogen dalam banyak hal. Efek individu dapat dipromosikan atau dikurangi dengan mengadaptasi amplitudo ultrasonik dan tekanan cairan.
Penyebaran dan Pengemulsi Ultrasonik
Reaksi kimia yang melibatkan reagen dan katalis lebih dari satu fase (katalisis heterogen) terbatas pada batas fase karena ini adalah satu-satunya tempat, di mana reagen serta katalis hadir. Paparan reagen dan katalis satu sama lain adalah Faktor kunci untuk banyak reaksi kimia multi-fase. Untuk alasan ini, luas permukaan spesifik dari batas fase menjadi berpengaruh untuk laju reaksi kimia.
Ultrasonikasi adalah sarana yang sangat efektif untuk dispersi benda padat dan untuk emulsifikasi cairan. Dengan mengurangi ukuran partikel/tetesan, luas permukaan total batas fase meningkat pada saat yang bersamaan. Grafik di sebelah kiri menunjukkan korelasi antara ukuran partikel dan luas permukaan dalam kasus partikel atau tetesan bola (Klik untuk tampilan lebih besar!). Saat permukaan batas fase meningkat, begitu pula laju reaksi kimia. Untuk banyak bahan kavitasi ultrasonik dapat membuat partikel dan tetesan ukuran sangat halus – seringkali secara signifikan di bawah 100 nanometer. Jika dispersi atau emulsi menjadi setidaknya stabil sementara, penerapan Ultrasonik mungkin hanya diperlukan pada fase awal dari reaksi kimia. Reaktor ultrasonik inline untuk pencampuran awal reagen dan katalis dapat menghasilkan partikel/tetesan ukuran halus dalam waktu yang sangat singkat dan pada laju aliran tinggi. Ini dapat diterapkan bahkan pada media yang sangat kental.
Transfer Massal
Ketika reagen bereaksi pada batas fase, produk reaksi kimia terakumulasi di permukaan kontak. Ini menghalangi molekul reagen lain untuk berinteraksi pada batas fase ini. Gaya geser mekanis yang disebabkan oleh aliran jet kavitasi dan aliran akustik menghasilkan aliran turbulen dan pengangkutan material dari dan ke permukaan partikel atau tetesan. Dalam kasus tetesan, geser tinggi dapat menyebabkan penggabungan dan pembentukan tetesan baru selanjutnya. Saat reaksi kimia berkembang dari waktu ke waktu, sonikasi berulang, misalnya dua tahap atau resirkulasi, mungkin diperlukan untuk Memaksimalkan paparan reagen.
Masukan Energi
Kavitasi ultrasonik adalah cara unik untuk Masukkan energi ke dalam reaksi kimia. Kombinasi jet cairan berkecepatan tinggi, tekanan tinggi (>1000atm) dan suhu tinggi (>5000K), tingkat pemanasan dan pendinginan yang sangat besar (>109KS-1) terjadi secara lokal terkonsentrasi selama kompresi implosif gelembung kavitasi. Kenneth Suslick Mengatakan: “Kavitasi adalah metode luar biasa untuk memusatkan energi suara yang menyebar ke dalam bentuk yang dapat digunakan secara kimiawi.”
Peningkatan reaktivitas
Erosi kavitasi pada permukaan partikel menghasilkan permukaan yang tidak pasif dan sangat reaktif. Suhu dan tekanan tinggi berumur pendek berkontribusi pada dekomposisi molekul dan meningkatkan reaktivitas dari banyak spesies kimia. Iradiasi ultrasonik dapat digunakan dalam persiapan katalis, misalnya untuk menghasilkan agregat partikel berukuran halus. Ini menghasilkan katalis amorf partikel permukaan spesifik tinggi daerah. Karena struktur agregat ini, katalis tersebut dapat dipisahkan dari produk reaksi (yaitu dengan filtrasi).
Pembersihan Ultrasonik
Seringkali katalisis melibatkan produk sampingan yang tidak diinginkan, kontaminasi atau kotoran dalam reagen. Hal ini dapat menyebabkan degradasi dan pengotoran pada permukaan katalis padat. Pengotoran mengurangi permukaan katalis yang terbuka dan karenanya mengurangi efisiensinya. Itu tidak perlu dihilangkan baik selama proses atau dalam interval daur ulang menggunakan bahan kimia proses lainnya. Ultrasonication adalah sarana yang efektif untuk Bersihkan katalis atau membantu proses daur ulang katalis. Pembersihan ultrasonik mungkin merupakan aplikasi ultrasonik yang paling umum dan diketahui. Benturan jet cairan kavitasi dan gelombang kejut hingga 104ATM dapat menciptakan gaya geser lokal, erosi dan lubang permukaan. Untuk partikel berukuran halus, tabrakan antar-partikel berkecepatan tinggi menyebabkan erosi permukaan dan bahkan Penggilingan dan penggilingan. Tabrakan ini dapat menyebabkan suhu benturan transien lokal sekitar 3000K. Suslick menunjukkan, bahwa ultrasonikasi secara efektif menghilangkan lapisan oksida permukaan. Penghilangan lapisan pasif tersebut secara dramatis meningkatkan laju reaksi untuk berbagai reaksi (Suslick 2008). Penerapan ultrasonik membantu menurunkan masalah pengotoran katalis terdispersi padat selama katalisis dan berkontribusi pada pembersihan selama proses daur ulang katalis.
Contoh Katalisis Ultrasonik
Ada banyak contoh untuk katalisis berbantuan ultrasonik dan untuk persiapan ultrasonik katalis heterogen. Kami merekomendasikan Sonocatalysis artikel oleh Kenneth Suslick untuk pengantar yang komprehensif. Hielscher memasok reaktor ultrasonik untuk persiapan katalis atau katalisis, seperti transesterifikasi katalitik untuk produksi metilester (yaitu metilester lemak = biodiesel).
Peralatan Ultrasonik untuk Sonokatalisis
Hielscher memproduksi perangkat ultrasonik untuk digunakan di setiap skala dan untuk Berbagai proses. Ini termasuk Sonikasi laboratorium dalam botol kecil serta reaktor industri dan sel aliran. Untuk uji proses awal dalam skala lab, UP400S (400 watt) sangat cocok. Ini dapat digunakan untuk proses batch serta untuk sonikasi inline. Untuk pengujian dan pengoptimalan proses sebelum meningkatkan skala, sebaiknya gunakan UIP1000hd (1000 watt), karena unit ini sangat mudah beradaptasi dan hasilnya dapat diskalakan linier ke kapasitas yang lebih besar. Untuk produksi skala penuh, kami menawarkan perangkat ultrasonik hingga 10KW dan 16kW kekuatan ultrasonik. Cluster dari beberapa unit tersebut memberikan kapasitas pemrosesan yang sangat tinggi.
Kami akan dengan senang hati mendukung pengujian, pengoptimalan, dan peningkatan proses Anda. Bicaralah dengan kami tentang peralatan yang sesuai atau Kunjungi laboratorium proses kami.
Literatur tentang Sonokatalisis dan Katalisis Berbantuan Ultrasonik
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): Kavitasi akustik dan konsekuensinya kimia, di: Fil Trans. Roy. SOC. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, KS; Skrabalak, SE (2008): “Sonocatalysis” Dalam Buku Pegangan Katalisis Heterogen, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, hlm. 2006-2017.