Reaktor Unggun Tetap yang Diintensifkan secara Ultrasonik
Sonikasi dapat meningkatkan reaksi katalitik dalam reaktor unggun tetap terutama dengan mengintensifkan perpindahan massa di sekitar dan di dalam unggun katalis terkemas. Selain itu, sonikasi menghilangkan lapisan pasivasi dan pengotor dari permukaan katalis sehingga meregenerasi katalis secara berkelanjutan.
Bagaimana Sonikasi Meningkatkan Katalisis Unggun Tetap
Dalam reaktor unggun tetap, partikel katalis tetap diam sementara reaktan cair, gas, atau multifase mengalir melalui unggun. Kinerja reaksi sering kali dibatasi oleh perpindahan massa eksternal, difusi pori, pembentukan jalur aliran preferensial, pengotoran, dan gradien perpindahan panas. Ultrasound dapat mengurangi beberapa keterbatasan ini dengan menghasilkan kavitasi akustik, aliran mikro, gaya geser, dan osilasi tekanan.
Sonikator UIP2000hdT terintegrasi dalam reaktor unggun tetap
Efek Utama Reaksi Unggun Tetap yang Diintensifkan secara Ultrasonik
- Peningkatan perpindahan massa eksternal: Aliran mikro ultrasonik mengurangi lapisan batas stagnan di sekitar partikel katalis, sehingga reaktan dapat mencapai situs aktif dengan lebih efisien.
- Peningkatan aksesibilitas pori: Fluktuasi tekanan dan pergerakan cairan yang diinduksi kavitasi dapat meningkatkan penetrasi reaktan ke dalam pori katalis serta pengeluaran produk dari pori.
- Pengurangan pengotoran dan pasivasi: Sonikasi dapat membantu menghilangkan endapan, film polimer, prekursor kokas, atau lapisan pemasif lainnya dari permukaan katalis, sehingga aktivitas katalitik bertahan lebih lama.
- Pengurangan pembentukan jalur aliran preferensial dalam unggun terkemas: Dalam studi unggun terkemas mikro, ultrasound terbukti mengubah perilaku aliran dan mengurangi dispersi, sehingga membantu reaktor mendekati perilaku aliran sumbat yang lebih ideal.
- Peningkatan perpindahan panas: Aliran akustik dan turbulensi meningkatkan disipasi panas lokal, sehingga mengurangi titik panas atau zona dingin dalam unggun katalis.
- Konversi dan rendemen yang lebih tinggi: Dengan meningkatkan perpindahan massa dan aksesibilitas katalis, sonikasi dapat meningkatkan laju reaksi, konversi, dan rendemen produk, terutama ketika reaksi dibatasi oleh transportasi alih-alih semata-mata oleh kinetika.
Peningkatan kontak cair–padat: Ultrasound meningkatkan pembasahan partikel katalis, yang sangat berguna dalam sistem unggun tetes, sistem dengan umpan bubur, atau sistem unggun tetap fase cair.
Bagaimana Sonikasi Meningkatkan Katalisis Unggun Tetap?
Mekanisme utamanya adalah kavitasi akustik: gelombang ultrasonik menciptakan gelembung mikroskopis yang tumbuh dan runtuh secara dahsyat. Keruntuhannya menghasilkan geseran lokal, jet mikro, gelombang kejut, dan pencampuran intensif. Di dekat permukaan katalis, efek ini dapat membersihkan, mengaktifkan, dan memperbarui antarmuka padat–cair. Tinjauan tentang sonokatalisis menggambarkan hal ini sebagai sinergi antara ultrasound dan katalis padat, yang melibatkan peningkatan perpindahan panas, perpindahan massa, dan efek lokal pada permukaan katalitik.
Sonikasi paling bermanfaat ketika reaksi unggun tetap mengalami:
- difusi lambat ke dalam pori katalis,
- pembasahan partikel katalis yang buruk,
- akumulasi produk di dalam pori,
- pengotoran atau pasivasi permukaan,
- kinetika yang dibatasi perpindahan massa,
- distribusi aliran multifase yang tidak merata,
- pembentukan jalur aliran preferensial melalui unggun terkemas.
Katalis Unggun Tetap
Unggun tetap (terkadang juga disebut unggun terkemas) umumnya diisi dengan pelet katalis, yang biasanya berupa butiran berdiameter 1–5mm. Katalis dapat dimuat ke dalam reaktor sebagai unggun tunggal, dalam selubung terpisah, atau dalam tabung. Katalis sebagian besar berbasis logam seperti nikel, tembaga, osmium, platinum, dan rodium.
Efek ultrasound berdaya tinggi pada reaksi kimia heterogen telah dikenal luas dan banyak digunakan untuk proses katalitik industri. Reaksi katalitik dalam reaktor unggun tetap juga memperoleh manfaat dari perlakuan sonikasi. Iradiasi ultrasonik pada katalis unggun tetap menghasilkan permukaan yang sangat reaktif, meningkatkan transportasi massa antara fase cair (reaktan) dan katalis, serta menghilangkan lapisan pemasif (misalnya lapisan oksida) dari permukaan.
Sonikator UIP1500hdT dengan sel alir untuk reaktivasi dan daur ulang katalis bekas
- Peningkatan efisiensi
- Peningkatan reaktivitas
- Peningkatan laju konversi
- Rendemen lebih tinggi
- Daur ulang katalis
Intensifikasi Ultrasonik pada Reaksi Katalitik
Pencampuran dan pengadukan ultrasonik meningkatkan kontak antara reaktan dan partikel katalis, menciptakan permukaan yang sangat reaktif, serta memulai dan/atau meningkatkan reaksi kimia.
Preparasi katalis secara ultrasonik dapat menyebabkan perubahan perilaku kristalisasi, dispersi / deaglomerasi, dan sifat permukaan. Selain itu, karakteristik katalis yang telah terbentuk sebelumnya dapat dipengaruhi melalui penghilangan lapisan permukaan pemasif, dispersi yang lebih baik, dan peningkatan perpindahan massa.
Contoh Reaksi yang Ditingkatkan secara Ultrasonik
- Praperlakuan ultrasonik pada katalis Ni untuk reaksi hidrogenasi
- Katalis Raney Ni yang disonikasi dengan asam tartarat menghasilkan enantioselektivitas yang sangat tinggi
- Katalis Fischer-Tropsch yang disintesis secara ultrasonik
- Katalis serbuk amorf yang diberi perlakuan sonokimia untuk meningkatkan reaktivitas
- Sonosintesis serbuk logam amorf
Pemulihan Katalis secara Ultrasonik
Katalis padat dalam reaktor unggun tetap umumnya digunakan dalam bentuk manik bulat, pelet, ekstrudat, atau partikel silindris. Selama reaksi kimia, permukaan katalis dapat terpasivasi oleh lapisan pengotor, sehingga aktivitas katalitik dan/atau selektivitas berkurang secara bertahap seiring waktu.
Rentang waktu deaktivasi katalis sangat bervariasi. Sebagai contoh, deaktivasi katalis perengkahan dapat terjadi dalam hitungan detik, sedangkan katalis besi yang digunakan dalam sintesis amonia dapat tetap aktif selama 5–10 tahun. Namun demikian, deaktivasi katalis teramati pada hampir semua proses katalitik. Meskipun berbagai mekanisme deaktivasi dapat terjadi – termasuk degradasi kimia, mekanis, dan termal – pengotoran merupakan salah satu penyebab paling umum penurunan kinerja katalis.
Pengotoran mengacu pada pengendapan fisik spesies dari fase fluida ke permukaan katalis dan ke dalam porinya. Endapan ini memblokir situs reaktif, membatasi aksesibilitas pori, dan mengurangi kontak antara reaktan dan permukaan katalis aktif. Pengotoran katalis oleh kokas atau endapan berkarbon sering kali merupakan proses yang cepat; namun, dalam banyak kasus, kondisi ini dapat dipulihkan sebagian atau seluruhnya melalui regenerasi ultrasonik.
Kavitasi ultrasonik merupakan metode yang efektif untuk menghilangkan lapisan pengotor pemasif dari permukaan katalis. Selama sonikasi, ultrasound berintensitas tinggi menghasilkan gelembung kavitasi dalam medium cair. Keruntuhannya menghasilkan gaya geser lokal, jet mikro, gelombang kejut, dan pencampuran mikro yang intensif. Efek ini membantu melepaskan residu pengotor dari permukaan katalis, membuka kembali pori yang tersumbat, dan memulihkan akses ke situs aktif.
Pemulihan katalis secara ultrasonik biasanya dilakukan dengan mendispersikan partikel katalis dalam cairan, seperti air deionisasi atau pelarut yang sesuai, lalu memaparkan suspensi pada perlakuan ultrasonik terkontrol. Proses ini dapat menghilangkan residu pengotor dari berbagai bahan katalis, termasuk katalis platinum/serat silika, katalis nikel, dan katalis logam berpenyangga lainnya. Dengan demikian, sonikasi dapat berkontribusi pada regenerasi katalis, perpanjangan masa pakai katalis, dan peningkatan keberlanjutan proses.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang regenerasi ultrasonik katalis bekas!
Sonikator untuk Integrasi ke dalam Reaktor Kimia
Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai prosesor ultrasonik dan variannya untuk mengintegrasikan ultrasound berdaya tinggi ke dalam reaktor unggun tetap. Berbagai sistem ultrasonik tersedia untuk dipasang dalam reaktor unggun tetap. Untuk jenis reaktor yang lebih kompleks, kami menawarkan solusi ultrasonik yang disesuaikan.
Pelajari bagaimana sonikasi meningkatkan reaksi kimia dalam berbagai desain reaktor!
Untuk menguji efek sonikasi pada reaksi kimia Anda, silakan kunjungi laboratorium proses ultrasonik dan pusat teknis kami di Teltow!
Hubungi kami hari ini! Kami dengan senang hati akan mendiskusikan intensifikasi ultrasonik proses kimia Anda bersama Anda!
Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator Hielscher:
Sistem aliran ultrasonik
- Hidrogenasi
- Alcylation
- Sianasi
- Eterifikasi
- Esterifikasi
- Polimerisasi
- Alilasi
- Brominasi
(misalnya katalis Ziegler-Natta, metalosena)
Literatur / Referensi
- Francisco J. Navarro-Brull; Andrew R. Teixeira; Jisong Zhang; Roberto Gómez; Klavs F. Jensen (2018): Reduction of Dispersion in Ultrasonically-Enhanced Micropacked Beds. Industrial & Engineering Chemistry Research 57, 1; 2018. 122–128.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Argyle, M.D.; Bartholomew, C.H. (2015): Heterogeneous Catalyst Deactivation and Regeneration: A Review. Catalysts 2015, 5, 145-269.
- Oza, R.; Patel, S. (2012): Recovery of Nickel from Spent Ni/Al2O3 Catalysts using Acid Leaching, Chelation and Ultrasonication. Research Journal of Recent Sciences Vol. 1; 2012. 434-443.
- Sana, S.; Rajanna, K.Ch.; Reddy, K.R.; Bhooshan, M.; Venkateswarlu, M.; Kumar, M.S.; Uppalaiah, K. (2012): Ultrasonically Assisted Regioselective Nitration of Aromatic Compounds in Presence of Certain Group V and VI Metal Salts. Green and Sustainable Chemistry, 2012, 2, 97-111.
- Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “Sonocatalysis” In: Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knözinger, H.; Schüth, F.; Weitkamp, J., (Eds.). Wiley-VCH: Weinheim, 2008. 2006-2017.
Fakta yang Perlu Diketahui
Apa Itu Kavitasi Ultrasonik?
Kavitasi ultrasonik adalah pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan dahsyat gelembung uap atau gas mikroskopis dalam cairan yang terpapar ultrasound berintensitas tinggi. Selama keruntuhan gelembung, kondisi lokal ekstrem dapat terjadi dalam waktu yang sangat singkat, termasuk suhu tinggi, tekanan tinggi, gelombang kejut, jet mikro, dan gaya geser yang intensif.
Apa Itu Sonokimia?
Sonokimia adalah penggunaan efek kavitasi ultrasonik ini untuk memulai, mempercepat, atau memodifikasi proses kimia dan fisikokimia. Hal ini sangat relevan dalam sistem fase cair karena kavitasi meningkatkan pencampuran, perpindahan massa, emulsifikasi, dispersi partikel, pembersihan permukaan katalis, dan, dalam beberapa kasus, pembentukan radikal. Oleh karena itu, sonokimia digunakan untuk mengintensifkan reaksi seperti katalisis heterogen, oksidasi, ekstraksi, polimerisasi, kristalisasi, dan sintesis nanomaterial.
Apa Itu Reaksi Katalitik Heterogen?
Dalam kimia, katalisis heterogen mengacu pada jenis reaksi katalitik ketika fase katalis dan reaktan berbeda satu sama lain. Dalam konteks kimia heterogen, fase tidak hanya digunakan untuk membedakan padatan, cairan, dan gas, tetapi juga mengacu pada cairan yang tidak saling bercampur, misalnya minyak dan air.
Selama reaksi heterogen, satu atau lebih reaktan mengalami perubahan kimia pada suatu antarmuka, misalnya pada permukaan katalis padat.
Laju reaksi bergantung pada konsentrasi reaktan, ukuran partikel, suhu, katalis, dan faktor lainnya.
Konsentrasi reaktan: Secara umum, peningkatan konsentrasi reaktan meningkatkan laju reaksi karena antarmuka menjadi lebih besar, sehingga perpindahan fase antarpartikel reaktan juga meningkat.
Ukuran partikel: Ketika salah satu reaktan berupa partikel padat, reaktan tersebut tidak dapat ditampilkan dalam persamaan laju, karena persamaan laju hanya menunjukkan konsentrasi dan padatan tidak dapat memiliki konsentrasi karena berada dalam fase yang berbeda. Namun, ukuran partikel padatan memengaruhi laju reaksi karena luas permukaan yang tersedia untuk perpindahan fase.
Suhu reaksi: Suhu berkaitan dengan konstanta laju melalui persamaan Arrhenius: k = Ae-Ea/RT
Di sini, Ea adalah energi aktivasi, R adalah konstanta gas universal, dan T adalah suhu absolut dalam Kelvin. A adalah faktor Arrhenius (frekuensi). e-Ea/RT memberikan jumlah partikel di bawah kurva yang memiliki energi lebih besar daripada energi aktivasi, Ea.
Katalis: Dalam kebanyakan kasus, reaksi berlangsung lebih cepat dengan katalis karena memerlukan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis heterogen menyediakan permukaan templat tempat reaksi berlangsung, sedangkan katalis homogen membentuk produk antara yang melepaskan katalis pada tahap berikutnya dalam mekanisme reaksi.
Faktor lain: Faktor lain seperti cahaya dapat memengaruhi reaksi tertentu (fotokimia).
Apa Saja Jenis Deaktivasi Katalis?
- Peracunan katalis adalah istilah untuk kemisorpsi kuat spesies pada situs katalitik yang memblokir situs untuk reaksi katalitik. Peracunan dapat bersifat reversibel atau ireversibel.
- Pengotoran mengacu pada degradasi mekanis katalis, ketika spesies dari fase fluida mengendap pada permukaan katalitik dan di dalam pori katalis.
- Degradasi termal dan sintering menyebabkan hilangnya luas permukaan katalitik, luas penyangga, dan reaksi antara fase aktif dan penyangga.
- Pembentukan uap merupakan bentuk degradasi kimia, ketika fase gas bereaksi dengan fase katalis untuk menghasilkan senyawa volatil.
- Reaksi uap–padat dan padat–padat menyebabkan deaktivasi kimia katalis. Uap, penyangga, atau promotor bereaksi dengan katalis sehingga menghasilkan fase yang tidak aktif.
- Atrisi atau penghancuran partikel katalis menyebabkan hilangnya bahan katalitik akibat abrasi mekanis. Luas permukaan internal katalis hilang akibat penghancuran partikel katalis yang disebabkan oleh gaya mekanis.
Baca lebih lanjut tentang bagaimana sonikasi dapat mengaktifkan kembali katalis bekas!
Apa Itu Substitusi Nukleofilik?
Substitusi nukleofilik adalah kelas reaksi fundamental dalam kimia organik (dan anorganik), ketika nukleofil secara selektif berikatan sebagai basa Lewis (sebagai donor pasangan elektron) dengan kompleks organik atau menyerang muatan positif atau parsial positif (+) dari suatu atom atau gugus atom untuk menggantikan gugus pergi. Atom bermuatan positif atau parsial positif, yang merupakan akseptor pasangan elektron, disebut elektrofil. Keseluruhan entitas molekuler yang terdiri atas elektrofil dan gugus pergi biasanya disebut substrat.
Substitusi nukleofilik dapat berlangsung melalui dua jalur berbeda – reaksi SN1 dan SN2. Bentuk mekanisme reaksi yang berlangsung – SN1 atau SN2 – bergantung pada struktur senyawa kimia, jenis nukleofil, dan pelarut.