ソノカタリズム – 超音波支援触媒作用
超音波処理は、物質移動とエネルギー入力の強化により、触媒作用中の触媒反応性に影響を与えます。触媒が反応物とは異なる相にある不均一系触媒作用では、超音波分散液は反応物に利用可能な表面積を増加させる。
ソノカタリズムの背景
触媒作用は、a 化学反応が増加する 触媒によって(または減少)。多くの化学物質の製造には触媒作用が伴います。反応速度への影響は、速度決定ステップにおける反応物の接触頻度に依存します。一般に、触媒は、反応生成物に代替の反応経路を提供することにより、反応速度を増加させ、活性化エネルギーを低下させます。このために、触媒は1つ以上の反応物と反応して中間体を形成し、その後最終生成物が得られます。後者のステップでは、触媒が再生されます。によって 活性化エネルギーを下げるでは、より多くの分子衝突が遷移状態に到達するために必要なエネルギーを持っています。場合によっては、触媒が使用され、化学反応の選択性が変化します。
ザ ダイアグラム 右側は、化学反応X+Yにおける触媒がZを生成する効果を示しています。この触媒は、低活性化エネルギーEaの代替経路(緑)を提供します。
超音波処理の効果
液体の音響波長は、18kHz〜10MHzの周波数で約110〜0.15mmの範囲です。これは分子寸法を大幅に上回っています。このため、音場と化学種の分子との直接的な結合はありません。超音波処理の効果は、大部分が結果です。 超音波キャビテーション 液体で。したがって、超音波支援触媒作用は、少なくとも1つの試薬が液相であることを必要とする。 超音波処理は、不均一系および均質系触媒作用に寄与する いろいろと。個々の効果は、超音波振幅と液体圧力を適応させることで促進または低減することができます。
超音波分散と乳化
試薬と複数の相の触媒が関与する化学反応(不均一系触媒)は、試薬と触媒が存在する唯一の場所である相境界に限定されます。試薬と触媒の相互への曝露は、 多くの多相化学反応の重要な要素.このため、相境界の比表面積は化学反応速度に影響を及ぼします。
超音波処理は非常に効果的な手段です 固形物の分散 そして 液体の乳化.粒子/液滴のサイズを小さくすると、位相境界の総表面積が同時に増加します。左の図は、球状の粒子または液滴(クリックして拡大表示!).相境界面が増加すると、化学反応速度も増加します。多くの材料について、超音波キャビテーションは粒子や液滴を作ることができます 非常に細かいサイズ – 多くの場合、100ナノメートルを大幅に下回る.分散液またはエマルジョンが少なくとも一時的に安定する場合、 超音波は初期段階でのみ必要になる場合があります 化学反応の。試薬と触媒の初期混合のためのインライン超音波反応器は、非常に短時間で高流量で微細なサイズの粒子/液滴を生成することができる。高粘度の媒体にも適用できます。
マストランスファー
試薬が相境界で反応すると、化学反応の生成物が接触面に蓄積します。これにより、他の試薬分子がこの相境界で相互作用するのを防ぎます。キャビテーションジェット流と音響流によって引き起こされる機械的なせん断力は、粒子または液滴表面との間の乱流と材料輸送をもたらします。液滴の場合、高いせん断力は合体とそれに続く新しい液滴の形成につながる可能性があります。化学反応が経時的に進行するにつれて、反復的な超音波処理、例えば二段階または再循環が必要であり得る。 試薬の曝露を最大化.
エネルギー入力
超音波キャビテーションは、 化学反応にエネルギーを投入する.高速液体ジェット、高圧(>1000気圧)および高温(>5000K)、巨大な加熱および冷却速度(>109KSの-1)は、キャビテーション気泡の爆縮圧縮中に局所的に濃縮されます。 ケネス・サスリック 曰く： “キャビテーションは、音の拡散エネルギーを化学的に使用可能な形に集中させる優れた方法です。”
反応性の向上
粒子表面のキャビテーション侵食 不動態化されていない、反応性の高い表面を生成します.短寿命の高温高圧は、 分子分解と反応性の向上 多くの化学種の。超音波照射は、触媒の調製、例えば微細粒子の凝集体を製造するために使用することができる。これにより、アモルファス触媒が生成されます 高比表面積の粒子 面積。この凝集構造により、このような触媒は反応生成物から分離することができます(すなわち、ろ過によって)。
超音波洗浄
多くの場合、触媒作用には、試薬中の望ましくない副産物、汚染、または不純物が含まれます。これにより、固体触媒の表面が劣化したり、汚れたりする可能性があります。ファウリングは、露出した触媒表面を減少させ、したがってその効率を低下させます。プロセス中またはリサイクル間隔で他のプロセス化学物質を使用して除去する必要はありません。超音波処理は効果的な手段です 触媒をクリーンにするか、触媒のリサイクルプロセスを支援します.超音波洗浄は、おそらく超音波の最も一般的で知られているアプリケーションです。キャビテーション液体ジェットの衝突と最大10の衝撃波4ATMは、局所的なせん断力、侵食、表面の孔食を引き起こす可能性があります。微細なサイズの粒子の場合、高速の粒子間衝突は表面侵食につながり、さらに 研削とフライス加工.これらの衝突により、約3000Kの局所的な非定常衝撃温度が発生する可能性があります。サスリックは、超音波処理が効果的に行われることを実証しました 表面の酸化物コーティングを除去.このような不動態化コーティングの除去は、さまざまな反応(サスリック 2008).超音波の適用は、触媒作用中の固体分散触媒のファウリング問題を低減するのに役立ち、触媒リサイクルプロセス中の洗浄に貢献します。
超音波触媒の例
超音波支援触媒作用および不均一系触媒の超音波調製のための多数の例がある。お勧めします ソノカタリズム Kenneth Suslickによる記事 包括的な紹介のために。ヒールシャーは、触媒または触媒の調製のための超音波反応器を供給しています。 
例えば、 メチルエステル(すなわち、脂肪メチルエステル=バイオディーゼル)の製造のための触媒エステル交換.
ソノ触媒用超音波装置
ヒールシャーは、で使用するための超音波装置を製造しています あらゆるスケール そして、 さまざまなプロセス.これには以下が含まれます ラボソニケーション 小さなバイアルだけでなく、 工業用反応器とフローセル.ラボスケールでの初期プロセステストの場合、 UP400S(400ワット) 非常に適しています。これは、バッチプロセスだけでなく、インライン超音波処理にも使用できます。スケールアップ前のプロセステストと最適化には、 UIP1000hd (1000 ワット)、このユニットは非常に適応性があり、結果はより大きな容量に線形にスケーリングされます。フルスケール生産のために、最大で超音波デバイスを提供しています 10キロワット そして 16キロワット 超音波パワー。そのようないくつかのユニットのクラスターは、非常に高い処理能力を提供します。
お客様のプロセステスト、最適化、スケールアップを喜んでサポートいたします。 お問い合わせ 適切な機器について、または プロセスラボにアクセス.
ソノカタリズムおよび超音波支援触媒に関する文献
サスリック、KS;ディデンコ、Y。;ファング、M. M.;ヒョン、T。;コルベック、KJ;マクナマラ、WB III;ムドレニ、M. M.;ウォン、M.(1999): 音響キャビテーションとその化学的影響、Phil。ソック。A、1999年、357、335-353。
サスリック、KS;Skrabalak、SE(2008): “ソノカタリズム” 不均一系触媒のハンドブック、第4巻;エルトル、G。;クンツィンガー、H。;シュス、F。;Weitkamp、J.、編。Wiley-VCH: Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.