Catalizzatori Fischer-Tropsch migliorati con la sonicazione

Miglioramento della sintesi dei catalizzatori Fischer-Tropsch con gli ultrasuoni: Il trattamento a ultrasuoni delle particelle di catalizzatore viene utilizzato per diversi scopi. La sintesi a ultrasuoni aiuta a creare nano-particelle modificate o funzionalizzate, che hanno un'elevata attività catalitica. I catalizzatori esauriti e avvelenati possono essere recuperati facilmente e rapidamente con un trattamento superficiale a ultrasuoni, che rimuove le incrostazioni inattivanti dal catalizzatore. Infine, la deagglomerazione e la dispersione a ultrasuoni consentono di ottenere una distribuzione uniforme e monodispersa delle particelle di catalizzatore per garantire un'elevata superficie attiva delle particelle e il trasferimento di massa per una conversione catalitica ottimale.

Effetti degli ultrasuoni sul catalizzatore

Gli ultrasuoni ad alta potenza sono noti per la loro influenza positiva sulle reazioni chimiche. Quando onde ultrasonore intense vengono introdotte in un mezzo liquido, si genera una cavitazione acustica. La cavitazione ultrasonica produce condizioni localmente estreme con temperature molto elevate, fino a 5.000 K, pressioni di circa 2.000atm e getti di liquido con velocità fino a 280 m/s. Il fenomeno della cavitazione acustica e i suoi effetti sui processi chimici sono noti con il termine di sicochimica.
Un'applicazione comune degli ultrasuoni è la preparazione di catalizzatori eterogenei: le forze di cavitazione degli ultrasuoni attivano l'area superficiale del catalizzatore, poiché l'erosione cavitazionale genera superfici non passivate e altamente reattive. Inoltre, il trasferimento di massa è notevolmente migliorato dal flusso turbolento del liquido. L'elevata collisione delle particelle causata dalla cavitazione acustica rimuove i rivestimenti di ossido superficiale delle particelle di polvere, con conseguente riattivazione della superficie del catalizzatore.

Preparazione a ultrasuoni di catalizzatori Fischer-Tropsch

Il processo Fischer-Tropsch prevede diverse reazioni chimiche che convertono una miscela di monossido di carbonio e idrogeno in idrocarburi liquidi. Per la sintesi di Fischer-Tropsch si possono usare diversi catalizzatori, ma i più utilizzati sono i metalli di transizione cobalto, ferro e rutenio. La sintesi di Fischer-Tropsch ad alta temperatura viene effettuata con catalizzatori di ferro.
Poiché i catalizzatori Fischer-Tropsch sono suscettibili di avvelenamento da parte di composti contenenti zolfo, la riattivazione a ultrasuoni è di grande importanza per mantenere la piena attività catalitica e la selettività.

Sintesi a ultrasuoni di catalizzatori Core-Shell

Le nanostrutture core-shell sono nanoparticelle incapsulate e protette da un guscio esterno che le isola e ne impedisce la migrazione e la coalescenza durante le reazioni catalitiche.

Pirola et al. (2010) hanno preparato catalizzatori Fischer-Tropsch a base di ferro supportati da silice con un elevato carico di metallo attivo. Nel loro studio è stato dimostrato che l'impregnazione assistita da ultrasuoni del supporto di silice migliora la deposizione del metallo e aumenta l'attività del catalizzatore. I risultati della sintesi Fischer-Tropsch hanno indicato i catalizzatori preparati mediante ultrasuoni come i più efficienti, in particolare quando l'impregnazione a ultrasuoni viene eseguita in atmosfera di argon.

Riattivazione del catalizzatore a ultrasuoni

Il trattamento superficiale con particelle a ultrasuoni è un metodo rapido e semplice per rigenerare e riattivare i catalizzatori esausti e avvelenati. La rigenerabilità del catalizzatore ne consente la riattivazione e il riutilizzo e rappresenta quindi una fase di processo economica e rispettosa dell'ambiente.
Il trattamento a ultrasuoni delle particelle rimuove le incrostazioni e le impurità inattivanti dalla particella di catalizzatore, che bloccano i siti per la reazione catalitica. Il trattamento a ultrasuoni consente di lavare la particella di catalizzatore con un getto superficiale, rimuovendo così i depositi dal sito cataliticamente attivo. Dopo l'ultrasuonizzazione, l'attività del catalizzatore viene riportata alla stessa efficacia del catalizzatore fresco. Inoltre, la sonicazione rompe gli agglomerati e fornisce una distribuzione omogenea e uniforme di particelle monodisperse, aumentando la superficie delle particelle e quindi il sito catalitico attivo. Di conseguenza, il recupero del catalizzatore mediante ultrasuoni consente di ottenere catalizzatori rigenerati con un'elevata area superficiale attiva per un migliore trasferimento di massa.
La rigenerazione del catalizzatore a ultrasuoni funziona con particelle minerali e metalliche, particelle (meso-)porose e nanocompositi.

Sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per la somochimica

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: