超音波触媒 – 超音波アシスト触媒反応
超音波は、物質移動とエネルギー投入を促進することで、触媒反応中の触媒反応性に影響を与える。触媒が反応物質と異なる相にある不均一系触媒反応では、超音波分散によって反応物質が利用できる表面積が増加する。
ソノカタリシスの背景
触媒作用とは、ある物質の反応速度が、その物質を分解する過程である。 化学反応が高まる (多くの化学物質の製造には触媒作用が関わっている。多くの化学物質の製造には触媒作用が関与している。反応速度への影響は、反応速度を決定する段階における反応物の接触頻度に依存する。一般に触媒は、反応生成物への代替反応経路を提供することによって反応速度を上げ、活性化エネルギーを下げる。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、その後に最終生成物を与える。後者の段階で触媒は再生する。次のように 活性化エネルギーの低下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つ。場合によっては、触媒は化学反応の選択性を変えるために使われる。
について ダイアグラム 触媒は、活性化エネルギーEaがより低い代替経路（緑）を提供する。
超音波治療の効果
液体中の音響波長は、18kHz～10MHzの周波数で約110～0.15mm。これは分子の寸法を大幅に超えている。このため、化学種の分子と音場が直接結合することはない。超音波照射の効果は、その大部分において 超音波キャビテーション 液体中である。したがって、超音波アシスト触媒反応では、少なくとも一つの試薬が液相にあることが必要である。 不均一触媒反応と均一触媒反応に寄与する超音波処理 様々な方法で。超音波の振幅と液圧を調整することで、個々の効果を促進したり、低減したりすることができる。
超音波分散と乳化
二相以上の試薬と触媒が関与する化学反応（不均一系触媒反応）は、試薬と触媒が存在する唯一の場所であるため、相境界に限定される。試薬と触媒が互いに接触するのは、次のような場合である。 多くの多相化学反応のキーファクター.このため、相界面の比表面積が化学反応速度に影響する。
超音波照射は、以下の治療に非常に有効な手段である。 固体の分散 そして 液体の乳化.粒子/液滴サイズを小さくすることで、相界面の総表面積も同時に増加する。左の図は、球状粒子または液滴の場合における粒子径と表面積の相関を示している (クリックで拡大).相境界面が大きくなると、化学反応速度も大きくなります。多くの材料において、超音波キャビテーションは粒子や液滴を 極細サイズ – 多くの場合、100ナノメートルよりかなり小さい.分散液やエマルジョンが少なくとも一時的に安定した状態になれば、次のようなアプリケーションを使用する。 超音波検査が必要なのは初期段階だけかもしれない。 化学反応の試薬と触媒の初期混合用のインライン超音波リアクターは、非常に短時間かつ高流量で微細な粒子／液滴を生成できる。粘性の高い媒体にも適用できる。
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する。これは、他の試薬分子がこの相境界で相互作用するのを阻止する。キャビテーショナルジェットストリームや音響ストリーミングによる機械的せん断力は、乱流を引き起こし、粒子や液滴の表面から、あるいは表面への物質輸送をもたらします。液滴の場合、高いせん断力は合体やそれに続く新しい液滴の形成につながります。化学反応が時間の経過とともに進行するため、超音波処理を繰り返し、例えば2段階または再循環させることが必要になる場合がある。 試薬の露出を最大にする.
エネルギー入力
超音波キャビテーションは、次のようなユニークな方法である。 化学反応にエネルギーを注ぐ.高速液体ジェットと高圧(>1000気圧)と高温(>5000K）、莫大な冷暖房率>109KS-1)は、キャビテーション気泡の爆縮時に局所的に集中する。 ケネス・サスリック と言う： “キャビテーションは、音の拡散エネルギーを化学的に利用可能な形に集中させる特別な方法である。”
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する.短時間の高温と高圧が原因である。 分子の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に使用することができ、例えば微細な粒子の凝集体を生成することができる。これによりアモルファス触媒が製造される。 高比表面積の粒子 領域である。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る（すなわち、ろ過によって）。
超音波洗浄
多くの場合、触媒反応には不要な副生成物、汚染物、試薬中の不純物が含まれる。これは、固体触媒表面の劣化やファウリングにつながる。ファウリングは、露出する触媒表面を減少させるため、触媒効率を低下させる。このようなファウリングは、プロセス中または他のプロセス化学薬品を使用したリサイクル時に除去する必要がある。超音波処理は、次のような場合に有効な手段である。 触媒の清浄化、または触媒リサイクルプロセスの支援.超音波洗浄は、おそらく超音波の最も一般的でよく知られた応用であろう。キャビテーションを利用した液体ジェットと最大10.4atmは、局所的なせん断力、浸食、表面孔食を生じさせる。微粒子の場合、高速の粒子間衝突が表面浸食につながり、さらに 研削と粉砕.これらの衝突は、局所的に約3000Kの過渡衝撃温度を引き起こす可能性がある。Suslickは、超音波照射が効果的であることを実証した。 表面の酸化皮膜を除去する.このような不動態化被膜を除去することで、様々な反応の反応速度が劇的に向上する (サスリック 2008).超音波の応用は、触媒反応中の固体分散触媒のファウリング問題を軽減し、触媒リサイクル工程での洗浄に貢献する。
超音波触媒の例
超音波アシスト触媒反応や不均一系触媒の超音波調製には多くの例がある。私たちは 超音波触媒 記事：ケネス・サスリック をご覧ください。Hielscher社は、触媒の調製や触媒反応のための超音波リアクターを提供しています、 
のような メチルエステル（すなわち脂肪メチル＝バイオディーゼル）製造のための触媒的トランスエステル化.
超音波触媒用超音波装置
Hielscher社は、以下の用途の超音波装置を製造している。 任意のスケール そして 多様なプロセス.これには以下が含まれる。 ラボソニケーション を小瓶に詰めた。 工業用リアクターとフローセル.ラボスケールでの初期プロセステストでは UP400S（400ワット） が非常に適している。バッチプロセスにも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）この装置は非常に適応性が高く、どのような大容量にもリニアにスケールアップすることができます。フルスケールの生産には、最大で以下の超音波装置を提供しています。 10kW そして 16kW 超音波パワー。このようなユニットが複数集まったクラスターは、非常に高い処理能力を提供する。
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。 ご相談ください 適切な機器について プロセスラボへ.
超音波触媒と超音波アシスト触媒に関する文献
Suslick, K. S.; Didenko, Y.; Fang, M. M.; Hyeon, T.; Kolbeck, K. J.; McNamara, W. B. III; Mdleleni, M. M.; Wong, M. (1999)： 音響キャビテーションとその化学的結果, in：Phil.Trans.Roy.Soc. A, 1999, 357, 335-353.
Suslick, K. S.; Skrabalak, S. E. (2008)： “超音波触媒” Handbook（不均一系触媒反応ハンドブック）第4巻; Ertl, G.; Knzinger, H.; Schth, F.; Weitkamp, J., Eds.; Wiley-VCH：Weinheim, 2008, pp.