Ultrasonication mempengaruhi reaktivitas katalis selama katalisis oleh peningkatan transfer massa dan masukan energi. Dalam katalisis heterogen, di mana katalis berada dalam fase berbeda dengan reaktan, dispersi ultrasonik meningkatkan luas permukaan yang tersedia untuk reaktan.

Latar belakang Sonocatalysis

Katalisis adalah proses di mana tingkat dari reaksi kimia meningkat (Atau menurun) dengan cara katalis. Produksi berbagai bahan kimia melibatkan katalisis. Pengaruh pada laju reaksi tergantung pada frekuensi kontak dari reaktan pada langkah tingkat-menentukan. Secara umum, katalis meningkatkan laju reaksi dan menurunkan energi aktivasi dengan menyediakan jalur reaksi alternatif untuk produk reaksi. Untuk ini katalis bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk intermediet yang kemudian memberikan produk akhir. Langkah terakhir melahirkan kembali katalis. Oleh menurunkan energi aktivasi, Tabrakan lebih molekul memiliki energi yang diperlukan untuk mencapai keadaan transisi. Dalam beberapa kasus katalis yang digunakan perubahan selektivitas reaksi kimia.

Seperti yang ditunjukkan dalam gambar Diagram ke kanan menggambarkan efek katalis dalam reaksi kimia X + Y untuk menghasilkan Z. Katalis menyediakan jalur alternatif (hijau) dengan aktivasi yang lebih rendah Energi Ea.

Efek Ultrasonication

Panjang gelombang akustik dalam cairan berkisar dari sekitar 110 hingga 0,15mm untuk frekuensi antara 18kHz dan 10MHz. Ini secara signifikan di atas dimensi molekuler. Untuk alasan ini, tidak ada kopling langsung dari bidang akustik dengan molekul spesies kimia. Efek ultrasonication adalah untuk tingkat besar hasil dari Kavitasi ultrasonik dalam cairan. Oleh karena itu, ultrasonically dibantu katalisis memerlukan setidaknya satu reagen untuk berada di fase cair. Ultrasonication kontribusi untuk katalisis heterogen dan homogen dalam banyak hal. efek individu dapat dipromosikan atau dikurangi menyesuaikan amplitudo ultrasonik dan tekanan cair.

Ultrasonic Dispersing dan Emulsifying

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 reaksi kimia banyak multi-fase. Untuk alasan ini, luas permukaan spesifik dari batas fase menjadi berpengaruh untuk tingkat kimia reaksi.

Ultrasonication 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 sama. Grafik di sebelah kiri menunjukkan korelasi antara ukuran partikel dan luas permukaan jika terjadi partikel bulat atau tetesan (Klik untuk tampilan lebih besar!). Sebagai permukaan batas fase meningkat begitu juga tingkat reaksi kimia. Bagi banyak bahan kavitasi ultrasonik dapat membuat partikel dan tetesan ukuran yang sangat baik – sering jauh di bawah 100 nanometer. Jika dispersi atau emulsi menjadi stabil setidaknya untuk sementara, penerapan ultrasonik mungkin diperlukan hanya pada tahap awal dari reaksi kimia. Reaktor ultrasonik inline untuk pencampuran awal dari reagen dan katalis dapat menghasilkan baik partikel ukuran / tetesan dalam waktu yang sangat singkat dan pada tingkat aliran tinggi. Hal ini dapat diterapkan bahkan media yang sangat kental.

Massa-Transfer

Ketika reagen bereaksi pada batas fase, produk reaksi kimia menumpuk di permukaan kontak. Ini memblokir molekul reagen lainnya dari berinteraksi pada batas fase ini. Gaya geser mekanis yang disebabkan oleh aliran jet kavitasi dan streaming akustik menghasilkan aliran bergolak dan transportasi material dari dan ke permukaan partikel atau tetesan. Dalam kasus tetesan, geser tinggi dapat menyebabkan kesatuan dan pembentukan tetesan baru berikutnya. Sebagai reaksi kimia berlangsung dari waktu ke waktu, sonikasi berulang, misalnya dua tahap atau resirkulasi, mungkin diperlukan untuk memaksimalkan pemaparan dari reagen.

energi Masukan

Ultrasonic kavitasi adalah cara yang unik untuk menempatkan energi ke dalam reaksi kimia. Kombinasi cairan jet kecepatan tinggi, tekanan tinggi (>1000atm) dan suhu tinggi (>5000K), pemanasan dan pendinginan tingkat yang sangat besar (>10⁹KS^-1) Terjadi secara lokal terkonsentrasi selama kompresi implosive gelembung cavitational. Kenneth Sulick Mengatakan: “Kavitasi adalah metode yang luar biasa untuk memusatkan energi suara yang menyebar ke dalam bentuk yang dapat digunakan secara kimia.”

Peningkatan reaktivitas

erosi Cavitational pada permukaan partikel menghasilkan unpassivated, permukaan yang sangat reaktif. Singkat suhu tinggi dan tekanan berkontribusi dekomposisi molekul dan meningkatkan reaktivitas yang dari banyak spesies kimia. iradiasi ultrasonik dapat digunakan dalam pembuatan katalis, misalnya untuk menghasilkan agregat dari partikel halus ukuran. Ini menghasilkan katalis amorf partikel permukaan spesifik yang 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 pada reagen. Hal ini dapat menyebabkan degradasi dan fouling pada permukaan katalis padat. Fouling mengurangi permukaan katalis yang terbuka dan karena itu mengurangi efisiensinya. Tidak perlu dihapus baik selama proses atau dalam interval daur ulang menggunakan bahan kimia proses lainnya. Ultrasonication adalah cara yang efektif untuk katalis bersih atau membantu proses daur ulang katalis. Ultrasonik pembersih mungkin adalah aplikasi yang paling umum dan dikenal dari ultrasonik. The pelampiasan dari cairan jet cavitational dan gelombang kejut hingga 10⁴atm dapat membuat gaya geser lokal, erosi dan pitting permukaan. Untuk partikel ukuran halus, tabrakan kecepatan tinggi antar-partikel menyebabkan permukaan erosi dan bahkan grinding dan penggilingan. tabrakan ini dapat menyebabkan suhu dampak transien lokal approx. 3000K. Sulick menunjukkan, ultrasonication yang secara efektif menghilangkan lapisan permukaan oksida. Penghapusan lapisan pasivator seperti secara dramatis meningkatkan laju reaksi untuk berbagai reaksi (Sulick 2008). Penerapan ultrasonik membantu menurunkan masalah fouling katalis tersebar padat selama katalisis dan berkontribusi terhadap pembersihan selama proses daur ulang katalis.

Contoh Ultrasonic Katalisis

Ada banyak contoh untuk katalisis ultrasonically dibantu dan untuk persiapan ultrasonik katalis heterogen. Kami merekomendasikan Sonocatalysis artikel oleh Kenneth Sulick untuk pengenalan yang komprehensif. Hielscher memasok reaktor ultrasonik untuk persiapan katalis atau katalisis, seperti transesterifikasi katalitik untuk produksi methylesters (yaitu lemak metil ester = biodiesel).

Peralatan ultrasonik untuk Sonocatalysis

Hielscher memproduksi perangkat ultrasonik untuk penggunaan di setiap skala dan untuk berbagai proses. Ini termasuk sonikasi lab dalam botol kecil serta reaktor industri dan sel aliran. Untuk tes proses awal dalam skala laboratorium UP400S (400 watt) sangat cocok. Hal ini dapat digunakan untuk proses batch serta untuk sonication inline. Untuk pengujian proses dan optimasi sebelum skala atas, kami sarankan menggunakan UIP1000hd (1000 watt), Sebagai unit ini sangat mudah beradaptasi dan hasil con diskalakan linier untuk setiap kapasitas yang lebih besar. Untuk produksi skala penuh kami menawarkan perangkat ultrasonik hingga 10KW dan 16kW daya ultrasonik. Cluster dari beberapa unit tersebut memberikan kapasitas pemrosesan yang sangat tinggi.

Kami akan senang untuk mendukung proses pengujian Anda, optimasi dan skala. Berbicara dengan kami peralatan tentang cocok atau mengunjungi laboratorium proses kami.

Literatur tentang Katalisis Sonocatalysis dan Ultrasonically Assisted

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.

Sulick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” Dalam Handbook of heterogen Katalisis, vol. 4; Ertl, G .; Knzinger, H .; Schth, F .; Weitkamp, ​​J., Eds .; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, hlm 2006-2017..