Sintesi dell'idruro di magnesio tramite idrolisi

L'ultrasuonazione è un metodo efficiente e semplice per produrre idruro di magnesio per lo stoccaggio dell'idrogeno. Gli ultrasuoni accelerano l'idrolisi del magnesio e dell'idrogeno per formare l'idruro di magnesio. In contrasto con il processo convenzionale di chemisorbimento dissociativo, l'idrolisi ultrasonica dell'idruro di magnesio funziona a temperatura ambiente e a pressione ambiente. Questo rende il percorso sono-chimico facile, sicuro e prontamente disponibile. Gli ultrasuoni ad alte prestazioni permettono la produzione rapida ed efficace di grandi masse di idruro di magnesio.

Idruro di magnesio per lo stoccaggio di idrogeno

Idruro di magnesio, MgH₂ha attirato ampiamente l'attenzione come opzione per lo stoccaggio dell'idrogeno. I vantaggi principali sono la sua risorsa abbondante, le alte prestazioni, il peso leggero, il basso costo e la sicurezza. Rispetto ad altri idruri utilizzabili per lo stoccaggio dell'idrogeno, MgH₂ ha le più alte densità di stoccaggio dell'idrogeno con fino al 7,6 % in peso. L'idrogeno può essere immagazzinato nel Mg sotto forma di idruri metallici a base di Mg. Il processo di sintesi di MgH2 è noto come chemisorbimento dissociativo. Un metodo comune per produrre idruri metallici a base di Mg da Mg e H2, è la formazione ad una temperatura di 300-400°C e una pressione di idrogeno di 2,4-40 MPa. L'equazione di formazione va come segue: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Il trattamento termico elevato comporta significativi effetti di degradazione degli idruri, come la ricristallizzazione, la segregazione di fase, l'agglomerazione di nanoparticelle ecc. Inoltre, le alte temperature e pressioni rendono la formazione di MgH2 energivora, complessa e quindi costosa. Un metodo alternativo non termico e significativamente più semplice è l'idrolisi promossa dagli ultrasuoni dell'idruro di magnesio a temperatura ambiente e pressione ambiente.

Idrolisi a ultrasuoni dell'idruro di magnesio

Gli ultrasuoni sono ben noti per la loro capacità di avviare e accelerare le reazioni chimiche, di influenzare i percorsi chimici e di migliorare l'efficienza generale di una reazione. Gli effetti benefici degli ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta potenza sulle reazioni chimiche sono conosciuti come sono-chimica.
Gli ultrasuoni di potenza sono già applicati a molte reazioni eterogenee, catalizzatori e sintesi in R&D e industriale per aumentare la resa, il tasso di conversione e l'efficienza complessiva della reazione. Anche per la sintesi idrolitica dell'idruro di magnesio, la sonicazione ha dimostrato scientificamente di essere molto vantaggiosa.
La sonicazione migliora il trasferimento di massa, accelerando così la reazione, e aiuta a superare le barriere termodinamiche e cinetiche. L'energia termica, cioè il calore, è necessaria per guidare i processi di idrogenazione per assorbimento/desorbimento nel magnesio. L'uso di fonti di energia termica non diretta come gli ultrasuoni di potenza è un'alternativa efficiente per destabilizzare l'idruro di magnesio.
Il gruppo di ricerca di Hiroi et al. (2011) ha studiato l'effetto degli ultrasuoni a varie frequenze sull'idrolisi dell'idruro di magnesio (MgH2). Hanno scoperto che gli ultrasuoni a bassa frequenza erano il metodo più efficiente per ottenere un alto tasso di conversione. Il tasso di idrolisi con la sonicazione a bassa frequenza "ha raggiunto il 76% in termini di grado di reazione a 7,2 ks a una frequenza ultrasonica di 28 kHz. Questo valore era più di 15 volte il valore ottenuto nel caso del campione non sonicato, indicando una densità di idrogeno equivalente di 11,6 massa% sulla base del peso di MgH2".
I risultati hanno rivelato che gli ultrasuoni migliorano la reazione di idrolisi di MgH2 aumentando la costante di tasso di reazione a causa della generazione di radicali ed esfoliando lo strato passivo di Mg(OH)2 sopra il MgH2 non reagito a causa della generazione di grandi forze di taglio. (Hiroi et al. 2011)

Problema: idrolisi lenta dell'idruro di magnesio

La promozione dell'idrolisi del MgH2 attraverso la macinazione a sfere, il trattamento con acqua calda o additivi chimici sono stati studiati, ma non sono stati trovati per migliorare il tasso di conversione chimica in modo significativo. Per quanto riguarda l'aggiunta di sostanze chimiche, gli additivi chimici, come gli agenti tampone, i chelanti e gli scambiatori di ioni, che hanno aiutato a prevenire la formazione di uno strato passivante di Mg(OH)2, hanno prodotto impurità nel processo di ciclaggio post-Mg.

Soluzione: Dispersione a ultrasuoni dell'idruro di magnesio

La dispersione a ultrasuoni e la macinazione a umido sono una tecnica altamente efficiente per produrre particelle di dimensioni nano e cristalli con una curva di distribuzione molto stretta. Disperdendo l'idruro di magnesio uniformemente in nano-dimensioni, l'area di superficie attiva viene notevolmente ampliata. Inoltre, la sonicazione rimuove gli strati passivanti e aumenta il trasferimento di massa per tassi di conversione chimica superiori. La fresatura a ultrasuoni, la dispersione, la deagglomerazione e la pulizia della superficie delle particelle superano altre tecniche di fresatura in efficienza, affidabilità e semplicità.

La macinazione e la dispersione a ultrasuoni sono un metodo altamente efficiente per la riduzione delle dimensioni delle particelle, ad esempio dell'idruro di magnesio

Nanostrutturazione a ultrasuoni di MgH2

Le strutture a base di magnesio nano-dimensioni/nano-strutturate come le nanoparticelle e le nanofibre di MgH2 possono essere ulteriormente migliorate riducendo la dimensione delle particelle e dei grani, diminuendo così la loro entalpia di formazione dell'idruro ΔH. La nanostrutturazione a ultrasuoni è una tecnica molto efficace che permette di cambiare la termodinamica dell'idruro di magnesio senza influenzare la capacità di idrogeno. Le nanoparticelle ultra-fini di MgH2 mostrano una capacità di desorbimento dell'idrogeno significativamente migliorata.

Ultrasuoni ad alte prestazioni per l'idrolisi di MgH2

Sonochimica – l'applicazione degli ultrasuoni di potenza alle reazioni chimiche – è una tecnologia di elaborazione affidabile, che facilita e accelera le sintesi, le reazioni catalitiche e altre reazioni eterogenee. Il portafoglio della Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti ai sistemi industriali di sonochemical per tutti i tipi di applicazioni chimiche come l'idrolisi dell'idruro di magnesio e la sua nano-fresatura/nano-strutturazione. Questo permette a noi della Hielscher di offrirvi l'ultrasuonatore più adatto per la vostra prevista sintesi di MgH2. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo fino all'installazione del vostro sistema a ultrasuoni a livello di produzione finale.
L'ingombro ridotto dei nostri omogeneizzatori a ultrasuoni e la loro versatilità nelle opzioni di installazione li rendono adatti anche a impianti di lavorazione in spazi ridotti. I processori a ultrasuoni sono installati in tutto il mondo in impianti di chimica fine, petrolchimica e produzione di nanomateriali.

Lotto e in linea

Le attrezzature sonochemical della Hielscher possono essere utilizzate per l'elaborazione a batch e a flusso continuo. L'elaborazione a batch a ultrasuoni è ideale per i test di processo, l'ottimizzazione e il livello di produzione di piccole e medie dimensioni. Per una produzione di grandi volumi di materiali, l'elaborazione in linea potrebbe essere più vantaggiosa. Un processo di miscelazione continua in linea richiede una configurazione sofisticata – che consiste in una pompa, tubi flessibili o tubi e serbatoi -, ma è altamente efficiente, rapido e richiede molto meno lavoro. Hielscher Ultrasonics ha il setup sonochemical più adatto alla vostra reazione di sono-sintesi, al vostro volume di lavorazione e ai vostri obiettivi.

Sonde e reattori a ultrasuoni per l'idrolisi di MgH2 su qualsiasi scala

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro di processori a ultrasuoni, dagli ultrasuoni compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di processare camion carichi all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'omogeneizzatore a ultrasuoni più adatto alla vostra capacità di processo e agli obiettivi di produzione.
I sistemi a ultrasuoni da banco sono ideali per i test di fattibilità e l'ottimizzazione del processo. Lo scale-up lineare basato su parametri di processo stabiliti rende molto facile aumentare le capacità di lavorazione dai lotti più piccoli alla produzione completamente commerciale. L'up-scaling può essere fatto installando un'unità a ultrasuoni più potente o raggruppando diversi ultrasuonatori in parallelo. Con il UIP16000, la Hielscher offre l'omogeneizzatore a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze precisamente controllabili per risultati ottimali

Tutti gli ultrasuoni Hielscher sono precisamente controllabili e quindi affidabili cavalli di battaglia nella produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni sonochemiche Tutti i prodotti Hielscher Ultrasonics’ I processori consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di richiamo sono accessori che permettono di modificare l'ampiezza in una gamma ancora più ampia. I processori industriali ad ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più esigenti. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo ultrasonico tramite un software intelligente vi danno la possibilità di trattare i vostri reagenti con le condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per un tasso di conversione chimica eccezionale!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni della Hielscher consente il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni gravose e in ambienti difficili. Questo fa delle apparecchiature a ultrasuoni della Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa le vostre esigenze di processo chimico.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

Come azienda a conduzione familiare e a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori ad ultrasuoni. Tutti gli ultrasonicatori sono progettati, fabbricati e accuratamente testati nella nostra sede centrale a Teltow vicino a Berlino, in Germania. Robustezza e affidabilità delle attrezzature ad ultrasuoni di Hielscher lo rendono un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e in ambienti esigenti è una caratteristica naturale dei miscelatori ad alte prestazioni di Hielscher.
Ultrasuoni Hielscher’ I processori industriali ad ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati.

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