ヒールシャー超音波技術

ソノカタリシス – 超音波アシスト触媒反応

超音波を高める物質移動とエネルギー入力による触媒中の触媒の反応性に影響を与えます。触媒が反応物質と異なる相にある不均一系触媒では、超音波分散は、反応物に利用可能な表面積を増大させます。

触媒作用の背景

触媒は、プロセスであるの速度 化学反応が増加しています 触媒を用いて(または減少)。多くの化学物質の生産は、触媒作用を伴います。反応速度への影響が律速段階における反応物の接触の頻度に依存します。一般に、触媒は、反応速度を増加させ、反応生成物に別の反応経路を提供することによって、活性化エネルギーを低下させます。このための触媒は、その後、最終生成物を得る中間体を形成するために、1つの以上の反応物と反応します。後者の工程は、触媒を再生します。によって 活性化エネルギーを下げます、より多くの分子衝突が遷移状態に到達するのに必要なエネルギーを持っています。いくつかのケースでは、触媒は変更に化学反応の選択を使用しています。

図は、Zを生成する化学反応X + Yにおける触媒の効果を示しますダイヤグラム 右への触媒は低い活性化エネルギーEaを有する代替経路(緑色)を提供Z.を生成する化学反応X + Yにおける触媒の効果を示します。

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、音響界と化学種の分子との直接的な結合はない。超音波の影響は、大きな程度の結果です 超音波キャビテーション 液体インチしたがって、超音波アシスト触媒は液相であることが、少なくとも一つの試薬を必要とします。 超音波処理は、不均一および均一触媒反応に寄与し いろいろな意味で。個々の効果を促進したり、超音波の振幅及び液体の圧力を適応減少させることができます。

超音波分散し、乳化

試薬と複数の相の触媒(異種触媒)を含む化学反応は、試薬と触媒が存在する唯一の場所であるため、相境界に限定されます。試薬と触媒同士の露光は、 多くの多相化学反応のための重要な要因。この理由のために、相境界の比表面積は、反応の化学レートに対する影響力となります。

グラフィックは、粒子サイズと表面領域との間の相関を示します超音波処理は、非常に有効な手段であります 固体の分散 そして、のために 液体の乳化.粒子/液滴のサイズを小さくすることで、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の場合の粒子サイズと表面積の相関関係を示しています(拡大するにはクリックしてください!).位相境界面が大きくなるにつれて、化学反応速度も増加します。多くの材料のために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、大幅に100ナノメートル以下。分散体またはエマルジョンは、少なくとも一時的に安定になった場合、アプリケーションの 超音波は、初期の段階でのみ必要な場合があります 化学反応の。試薬および触媒の初期混合のためのインライン超音波反応器は、非常に短い時間で、高流量で微細なサイズの粒子/小滴を生成することができます。それも、粘性の高いメディアにも適用することができます。

物質移動

試薬が相境界で反応すると、化学反応の産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がします。キャビテーションジェットストリームと音響流れによって引き起こされる機械的せん断力は、粒子または液滴表面との間の乱流と物質的な輸送をもたらす。液滴の場合、高せん断は、新しい液滴の合体およびその後の形成につながる可能性があります。化学反応が時間の経過とともに進行するにつれて、繰り返し超音波処理、例えば2段階または再循環が必要な場合があります。 試薬の露出を最大化

エネルギー投入

超音波キャビテーションはにユニークな方法であります 化学反応にエネルギーを入れます。高速液体ジェット、高圧(の組み合わせ>1000atm)および高温(>5000K)、膨大な加熱及び冷却速度(>10歳9KS-1)キャビテーション気泡のimplosive圧縮中に局所的に集中発生します。 ケネスSuslick says: "Cavitation is an extraordinary method of concentrating the diffuse energy of sound into a chemically usable form."

反応性の増加

粒子表面にキャビテーションエロージョン 非不動態化、高反応性の表面を生成し、。短命高い温度と圧力はに貢献します 分子分解と反応性を高めます 多くの化学種の。超音波照射は、例えば、触媒の調製に使用することができます細かいサイズの粒子の凝集体を生成します。これは、アモルファス触媒を生成します 高比表面積の粒子 エリア。これにより凝集体構造に、そのような触媒は、反応生成物(すなわち、濾過によって)から分離することができます。

超音波洗浄

多くの場合、触媒は試薬中の望ましくない副産物、汚染または不純物を伴う。これは、固体触媒の表面に劣化や汚れにつながることができます。ファウリングは、露出した触媒表面を低減し、その効率を低下させます。それはプロセスの間にまたは他のプロセス化学薬品を使用してリサイクル間隔で取除く必要がない。超音波は、効果的な手段です きれいな触媒または触媒リサイクルプロセスを支援。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。最大10のキャビテーション液体ジェットと衝撃波の衝突4ATMは、ローカライズされたせん断力、浸食や表面ピッチングを作成することができます。微細なサイズの粒子のために、高速粒子間の衝突も浸食表面をもたらすと 研削、フライス加工。これらの衝突は、およそのローカル過渡的影響の温度を引き起こす可能性があります。 3000K。 Suslickは効果的に、その超音波を実証しました 表面酸化被膜を除去します。そのような不動態被膜の除去が劇的に(反応の多種多様な反応速度を向上させます2008 Suslick)。超音波の適用は、触媒中に分散固体触媒の汚染の問題を下げるのに役立ち、触媒のリサイクル処理中にクリーニングに貢献しています。

超音波触媒反応の例

超音波補助触媒作用のためと不均一系触媒の超音波を調製するための多数の例があります。お勧め ソノカタリシス ケネスSuslickによる記事 総合的な導入のため。ヒールシャーは、触媒または触媒の調製のための超音波原子炉を供給し、 など メチルエステルの製造のための触媒的エステル交換反応(即ち、脂肪酸メチルエステル=バイオディーゼル)

Sonocatalysis用超音波機器

7×1kWの超音波プロセッサを搭載した超音波リアクターUIP1000hdヒールシャーは、使用のための超音波機器を製造して 任意のスケール そして、のために 様々なプロセス。これも ラボ超音波処理 小さなバイアル中だけでなく、 工業用反応器およびフローセル。実験室規模での最初のプロセスのテストのために UP400S(400ワット) 非常に適しています。これは、バッチプロセスのためだけでなく、インライン超音波処理のために使用することができます。スケールアップの前に、プロセスのテストと最適化のために、私たちは使用することをお勧めします UIP1000hd(千ワット)このユニットは非常に適応され、その結果として、CON任意の大容量に対して線形にスケーリングします。フルスケールの生産のために我々は最高の超音波デバイスを提供します 10kWの そして 16kW 超音波パワー。いくつかのこのようなユニットのクラスタは、非常に高い処理能力を提供します。

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Sonocatalysisと超音波で補助触媒作用に関する文献

Suslick、K. S .; Didenko、Y .;牙、M. M;ヒョン、T .; Kolbeck、K. J .;マクナマラ、W. B. III。 Mdleleni、M. M;ウォン、M.(1999): フィル:音響キャビテーションとその化学的帰結、。トランス。ロイ。 SOC。 A、1999、357、335から353まで。

Suslick、K. S。; Skrabalak、S. E.(2008): "Sonocatalysis" 不均一系触媒、巻のハンドブックで。 4;エルトル、G .; Knzinger、H .; Schth、F .; Weitkamp、J.、編;ワイリー-VCH:ヴァインハイム、2008年、頁2006年から2017年。