sonocatalisi – Catalisi assistita da ultrasuoni
Gli ultrasuoni influenzano la reattività del catalizzatore durante la catalisi, aumentando il trasferimento di massa e l'apporto di energia. Nella catalisi eterogenea, in cui il catalizzatore si trova in una fase diversa da quella dei reagenti, la dispersione ultrasonica aumenta l'area superficiale disponibile per i reagenti.
Background della sonocatalisi
La catalisi è un processo in cui la velocità di un processo di la reazione chimica è aumentata (o diminuito) per mezzo di un catalizzatore. La produzione di molte sostanze chimiche comporta la catalisi. L'influenza sulla velocità di reazione dipende dalla frequenza di contatto dei reagenti nella fase che determina la velocità. In generale, i catalizzatori aumentano la velocità di reazione e abbassano l'energia di attivazione fornendo un percorso di reazione alternativo al prodotto di reazione. A tal fine, i catalizzatori reagiscono con uno o più reagenti per formare intermedi che danno successivamente il prodotto finale. Quest'ultima fase rigenera il catalizzatore. Da abbassando l'energia di attivazione, più collisioni molecolari hanno l'energia necessaria per raggiungere lo stato di transizione. In alcuni casi i catalizzatori vengono utilizzati per modificare la selettività di una reazione chimica.
Gli diagramma a destra illustra l'effetto di un catalizzatore in una reazione chimica X+Y per produrre Z. Il catalizzatore fornisce un percorso alternativo (verde) con una minore energia di attivazione Ea.
Effetti dell'ultrasuonoterapia
La lunghezza d'onda acustica nei liquidi varia da circa 110 a 0,15 mm per frequenze comprese tra 18 kHz e 10 MHz. Si tratta di un valore significativamente superiore alle dimensioni molecolari. Per questo motivo, non esiste un accoppiamento diretto del campo acustico con le molecole di una specie chimica. Gli effetti dell'ultrasuonazione sono in larga misura il risultato della Cavitazione ad ultrasuoni nei liquidi. Pertanto, la catalisi assistita dagli ultrasuoni richiede che almeno un reagente sia in fase liquida. Gli ultrasuoni contribuiscono alla catalisi eterogenea e omogenea in molti modi. Gli effetti individuali possono essere promossi o ridotti adattando l'ampiezza degli ultrasuoni e la pressione del liquido.
Dispersione ed emulsione ad ultrasuoni
Le reazioni chimiche che coinvolgono reagenti e un catalizzatore di più fasi (catalisi eterogenea) sono limitate al confine di fase, poiché questo è l'unico luogo in cui sono presenti sia il reagente che il catalizzatore. L'esposizione dei reagenti e del catalizzatore l'uno all'altro è una fattore chiave per molte reazioni chimiche multifase. Per questo motivo, l'area superficiale specifica del confine di fase diventa influente per la velocità di reazione chimica.
L'ultrasuonoterapia è un mezzo molto efficace per la dispersione di solidi e per il emulsione di liquidi. Riducendo le dimensioni delle particelle/gocce, aumenta contemporaneamente l'area superficiale totale del confine di fase. Il grafico a sinistra mostra la correlazione tra dimensione delle particelle e area superficiale nel caso di particelle o gocce sferiche (Clicca per ingrandirla!). Con l'aumento della superficie del confine di fase aumenta anche la velocità di reazione chimica. Per molti materiali la cavitazione ultrasonica può rendere particelle e goccioline di dimensione molto fine – spesso significativamente al di sotto dei 100 nanometri. Se la dispersione o l'emulsione diventa almeno temporaneamente stabile, l'applicazione di gli ultrasuoni possono essere necessari solo in una fase iniziale della reazione chimica. Un reattore a ultrasuoni in linea per la miscelazione iniziale dei reagenti e del catalizzatore può generare particelle/gocce di dimensioni fini in tempi molto brevi e ad alte velocità di flusso. Può essere applicato anche a mezzi altamente viscosi.
Trasferimento di massa
Quando i reagenti reagiscono su un confine di fase, i prodotti della reazione chimica si accumulano sulla superficie di contatto. Ciò impedisce alle molecole di altri reagenti di interagire su questo confine di fase. Le forze di taglio meccanico causate dai getti cavitazionali e dallo streaming acustico provocano un flusso turbolento e il trasporto di materiale da e verso le superfici delle particelle o delle gocce. Nel caso delle gocce, il taglio elevato può portare alla coalescenza e alla successiva formazione di nuove gocce. Con il progredire della reazione chimica nel tempo, può essere necessaria una sonicazione ripetuta, ad esempio a due fasi o a ricircolo, per massimizzare l'esposizione dei reagenti.
input di energia
La cavitazione a ultrasuoni è un metodo unico per immettere energia nelle reazioni chimiche. Una combinazione di getti di liquido ad alta velocità, alta pressione (>1000atm) e le alte temperature (>5000K), enormi tassi di riscaldamento e raffreddamento (>109Ks-1) si concentrano localmente durante la compressione implosiva delle bolle cavitazionali. Kenneth Suslick dice: “La cavitazione è un metodo straordinario per concentrare l'energia diffusa del suono in una forma chimicamente utilizzabile.”
Aumento della reattività
Erosione cavitazionale sulle superfici delle particelle genera superfici non passivate e altamente reattive. Le alte temperature e le pressioni di breve durata contribuiscono a decomposizione molecolare e aumentare la reattività di molte specie chimiche. L'irradiazione a ultrasuoni può essere utilizzata nella preparazione dei catalizzatori, ad esempio per produrre aggregati di particelle di dimensioni fini. In questo modo si ottengono catalizzatori amorfi particelle di elevata superficie specifica area. Grazie a questa struttura aggregata, tali catalizzatori possono essere separati dai prodotti di reazione (ad esempio, mediante filtrazione).
Pulizia a ultrasuoni
Spesso la catalisi comporta sottoprodotti indesiderati, contaminazioni o impurità nei reagenti. Ciò può portare alla degradazione e all'incrostazione della superficie dei catalizzatori solidi. Il fouling riduce la superficie esposta del catalizzatore e quindi la sua efficienza. È necessario rimuoverlo durante il processo o a intervalli di riciclo utilizzando altri prodotti chimici di processo. Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per pulire i catalizzatori o assistere il processo di riciclaggio dei catalizzatori. La pulizia a ultrasuoni è probabilmente l'applicazione più comune e conosciuta degli ultrasuoni. L'impatto di getti di liquido cavitazionale e di onde d'urto fino al 104atm può creare forze di taglio localizzate, erosione e pitting superficiale. Per le particelle di dimensioni fini, le collisioni interparticellari ad alta velocità portano all'erosione della superficie e persino al pitting. rettifica e fresatura. Queste collisioni possono causare temperature d'impatto transitorie locali di circa 3000K. Suslick ha dimostrato che l'ultrasuoni rimuove i rivestimenti di ossido superficiale. La rimozione di tali rivestimenti passivanti migliora drasticamente i tassi di reazione per un'ampia varietà di reazioni (Suslick 2008). L'applicazione degli ultrasuoni aiuta a ridurre il problema del fouling di un catalizzatore solido disperso durante la catalisi e contribuisce alla pulizia durante il processo di riciclaggio del catalizzatore.
Esempi di catalisi a ultrasuoni
Esistono numerosi esempi di catalisi assistita da ultrasuoni e di preparazione ad ultrasuoni di catalizzatori eterogenei. Raccomandiamo la sonocatalisi articolo di Kenneth Suslick per un'introduzione completa. Hielscher fornisce reattori a ultrasuoni per la preparazione di catalizzatori o per la catalisi, 
come il transesterificazione catalitica per la produzione di metilesteri (cioè metilesteri grassi = biodiesel).
Apparecchiature a ultrasuoni per la sonocatalisi
Hielscher produce dispositivi a ultrasuoni per l'utilizzo a qualsiasi scala e per un varietà di processi. Questo include sonicazione in laboratorio in piccole fiale e reattori industriali e celle a flusso. Per il test iniziale del processo su scala di laboratorio il UP400S (400 watt) è molto adatto. Può essere utilizzato sia per i processi batch che per la sonicazione in linea. Per il test e l'ottimizzazione del processo prima di passare alla fase di scale-up, si consiglia l'uso del UIP1000hd (1000 watt)Questa unità è molto adattabile e i risultati possono essere scalati in modo lineare a qualsiasi capacità maggiore. Per la produzione su scala completa offriamo dispositivi a ultrasuoni fino a 10kW e 16kW potenza ultrasonica. I cluster di più unità di questo tipo forniscono capacità di elaborazione molto elevate.
Saremo lieti di supportare i vostri test di processo, l'ottimizzazione e lo scale up. Parla con noi su attrezzature idonee o visitate il nostro laboratorio di processo.
Letteratura sulla sonocatalisi e sulla catalisi assistita da ultrasuoni
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999): La cavitazione acustica e le sue conseguenze chimiche, in: Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008): “sonocatalisi” In Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.