L'ultrasonicazione influisce sulla reattività del catalizzatore durante la catalisi mediante un aumento del trasferimento di massa e dell'immissione di energia. Nella catalisi eterogenea, dove il catalizzatore si trova in una fase diversa da quella dei reagenti, la dispersione ultrasonica aumenta l'area superficiale disponibile per i reagenti.

Retroscena della Sonocatalisi

La catalisi è un processo in cui il tasso di un 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 di determinazione della velocità. In generale, i catalizzatori aumentano la velocità di reazione e riducono l'energia di attivazione fornendo una via di reazione alternativa al prodotto di reazione. Per questo i catalizzatori reagiscono con uno o più reagenti per formare intermedi che successivamente danno il prodotto finale. Quest'ultima fase rigenera il catalizzatore. Da abbassamento dell'energia di attivazionepiù collisioni molecolari hanno l'energia necessaria per raggiungere lo stato di transizione. In alcuni casi si utilizzano catalizzatori che modificano 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 attivazione Energy Ea.

Effetti dell'ultrasonicazione

La lunghezza d'onda acustica nei liquidi va da circa 110 a 0,15 mm per frequenze comprese tra 18kHz e 10MHz. Ciò è significativamente al di sopra delle dimensioni molecolari. Per questo motivo, non esiste un accoppiamento diretto del campo acustico con le molecole di una specie chimica. Gli effetti dell'ultrasonicazione sono in larga misura il risultato della Cavitazione ad ultrasuoni nei liquidi. Pertanto, la catalisi ultrasonicamente assistita richiede che almeno un reagente sia in fase liquida. L'ultrasonicazione contribuisce alla catalisi eterogenea ed omogenea sotto molti aspetti. Singoli effetti possono essere promossi o ridotti adattando l'ampiezza ultrasonica e la pressione del liquido.

Disperdere ed emulsionare ad ultrasuoni

Le reazioni chimiche che coinvolgono reagenti e un catalizzatore di più di una fase (catalisi eterogenea) sono limitate al confine di fase in quanto questo è l'unico luogo in cui sono presenti sia il reagente che il catalizzatore. L'esposizione dei reagenti e del catalizzatore tra loro è un fattore chiave per molte reazioni chimiche multifase. Per questo motivo, l'area superficiale specifica del confine di fase diventa influente per la velocità chimica di reazione.

L'ultrasuoni è un mezzo molto efficace per il dispersione di solidi e per il emulsificazione di liquidi. Riducendo la dimensione delle particelle e delle goccioline, la superficie totale del confine di fase aumenta allo stesso tempo. Il grafico a sinistra mostra la correlazione tra la dimensione delle particelle e l'area superficiale nel caso di particelle sferiche o goccioline (Clicca per ingrandirla!). All'aumentare della superficie del confine di fase aumenta anche la velocità di reazione chimica. Per molti materiali la cavitazione ultrasonica può produrre 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 richiesti solo in una fase iniziale della reazione chimica. Un reattore ad ultrasuoni in linea per la miscelazione iniziale dei reagenti e del catalizzatore può generare particelle/gocce di piccole dimensioni in tempi molto brevi e con portate elevate. Può essere applicato anche su supporti altamente viscosi.

Trasferimento di massa

Quando i reagenti reagiscono a un limite di fase, i prodotti della reazione chimica si accumulano sulla superficie di contatto. Questo blocca le altre molecole di reagenti dall'interagire a questo confine di fase. Le forze meccaniche di taglio causate dai flussi di getto cavitazionale e dal flusso acustico provocano un flusso turbolento e il trasporto di materiale da e verso le superfici delle particelle o delle goccioline. Nel caso delle goccioline, l'elevato taglio può portare alla coalescenza e alla successiva formazione di nuove goccioline. Man mano che la reazione chimica progredisce nel tempo, può essere necessaria una sonicazione ripetuta, ad esempio a due stadi o a ricircolo, per massimizzare l'esposizione dei reagenti.

Ingresso di energia

La cavitazione ultrasonica è un modo unico per mettere l'energia in reazioni chimiche. Una combinazione di getti di liquidi ad alta velocità, alta pressione (>1000atm) e alte temperature (>5000K), velocità di riscaldamento e raffreddamento enormi (>10⁹K^-1) si verificano localmente concentrati durante la compressione implosiva di 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 su superfici di particelle genera superfici nonassivate, altamente reattive e non passivate. Le alte temperature e le pressioni di breve durata contribuiscono a decomposizione molecolare e aumentare la reattività di molte specie chimiche. L'irradiazione ultrasonica può essere utilizzata nella preparazione di catalizzatori, ad esempio per produrre aggregati di particelle finemente dimensionate. Questo produce catalizzatori amorfi particelle di alta superficie specifica zona. A causa di questa struttura aggregata, tali catalizzatori possono essere separati dai prodotti di reazione (cioè per filtrazione).

Pulizia ad ultrasuoni

Spesso la catalisi comporta sottoprodotti indesiderati, contaminazioni o impurità nei reagenti. Questo può portare alla degradazione e all'incrostazione sulla superficie dei catalizzatori solidi. Il fouling riduce la superficie esposta del catalizzatore e quindi ne riduce l'efficienza. Non deve essere rimosso né durante il processo né negli intervalli di riciclaggio utilizzando altri prodotti chimici di processo. L'ultrasonicazione è un mezzo efficace per pulire i catalizzatori o assistere il processo di riciclaggio dei catalizzatori. La pulizia ad ultrasuoni è probabilmente l'applicazione più comune e conosciuta degli ultrasuoni. L'urto di getti di liquidi cavitazionali e onde d'urto fino al 10⁴atm può creare forze di taglio localizzate, erosione e pitting superficiale. Per le particelle di piccole dimensioni, le collisioni interparticelle ad alta velocità causano l'erosione superficiale e persino macinazione e fresatura. Queste collisioni possono causare temperature d'urto transitorie locali di circa 3000K. Suslick ha dimostrato, che l'ultrasonicazione efficacemente rimuove i rivestimenti di ossido superficiale. La rimozione di tali rivestimenti passivanti migliora notevolmente i tassi di reazione per un'ampia varietà di reazioni (Suslick 2008). L'applicazione degli ultrasuoni aiuta ad abbassare 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 ad ultrasuoni

Ci sono numerosi esempi di catalisi ultrasonicamente assistita e per la preparazione ad ultrasuoni di catalizzatori eterogenei. Raccomandiamo il Sonocatalisi articolo di Kenneth Suslick per un'introduzione completa. Hielscher fornisce reattori ad ultrasuoni per la preparazione di catalizzatori o catalizzatori, come transesterificazione catalitica per la produzione di estere metilico (ossia estere metilico grasso = biodiesel).

Apparecchiature ad ultrasuoni per Sonocatalisi

Hielscher produce dispositivi ad ultrasuoni per l'uso a qualsiasi scala e per un varietà di processi. Ciò include sonicazione da laboratorio in fiale piccole così come reattori industriali e celle a flusso. Per i test di processo iniziali in scala di laboratorio il UP400S (400 watt) è molto adatto. Può essere utilizzato sia per processi batch che per la sonicazione in linea. Per i test di processo e l'ottimizzazione prima della scalabilità, si consiglia di utilizzare il metodo UIP1000hd (1000 watt)in quanto questa unità è molto adattabile e i risultati possono essere scalati linearmente a qualsiasi capacità maggiore. Per la produzione su larga scala offriamo dispositivi a ultrasuoni fino a 10kW e 16kW potenza ultrasonica. I gruppi di più unità di questo tipo forniscono capacità di lavorazione molto elevate.

Saremo lieti di supportare i vostri test di processo, ottimizzazione e scalabilità. Parla con noi su attrezzature adeguate, oppure visita il nostro laboratorio di processo.

Letteratura su Sonocatalisi e catalisi ad ultrasuoni assistita

Suslick, K.S.; Didenko, Y.; Fang, M.M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K.J.; McNamara, W.B. III; Mdleleni, M.M.; Wong, M. (1999): 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.